地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

彭鳳英

（重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院，重慶，402160）

0 引言

為了獲取更為準(zhǔn)確的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息，國(guó)內(nèi)外針對(duì)農(nóng)業(yè)信息的采集方式以及采集設(shè)施做出了各種研究。日本研制出了六足機(jī)器人，在其中搭載了二氧化碳傳感器以及風(fēng)向儀等來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)農(nóng)業(yè)信息的有效采集。而美國(guó)有專家研發(fā)出了watching-dog robot，其中配備了攝像頭以及GPS接收器，同時(shí)設(shè)置了聯(lián)動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)，從而對(duì)比較復(fù)雜的地形形成良好的適應(yīng)。

1 地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 地面行走機(jī)構(gòu)

對(duì)地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的地面行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

這個(gè)結(jié)構(gòu)主要利用到了獨(dú)立式的懸架，讓行走機(jī)構(gòu)所呈現(xiàn)的減震性能得到明顯提升，繼而實(shí)現(xiàn)其越障能力的拓展。在地面行走機(jī)構(gòu)當(dāng)中，我們還設(shè)置了舵機(jī)控制系統(tǒng)，讓機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中顯得更加靈活。結(jié)合AT9遙控器實(shí)現(xiàn)對(duì)電極以及舵機(jī)的控制，讓機(jī)器人能夠自主行駛，從而更好的完成對(duì)信息進(jìn)行采集的任務(wù)。而地面行走機(jī)構(gòu)主要是結(jié)合中置馬達(dá)的四輪驅(qū)動(dòng)方法讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在地面的行走，而且在馬達(dá)上配備了散熱片，從而避免馬達(dá)過熱的情況出現(xiàn)。利用這樣的設(shè)置方式能夠有效提升機(jī)器人在地面行走過程中的靈活性以及越野性。

本次研究的機(jī)器人地面行走機(jī)構(gòu)給實(shí)際應(yīng)用形成了一定的支持，因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)計(jì)方式所形成的農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)械在越野以及越障方面的能力都具有一定的欠缺，而該次研究所設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)正好可以對(duì)這個(gè)問題形成良好的解決。該設(shè)計(jì)方式所形成的行走結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛行機(jī)構(gòu)的有效搭載，還能夠?qū)δ切┯筛鞣N傳感器所構(gòu)成的地面信息采集車進(jìn)行搭載，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面農(nóng)業(yè)信息的有效采集。

1.1.2 空中飛行機(jī)構(gòu)

飛行機(jī)構(gòu)的主要材料是碳素材料，它的特征主要在于重量比較輕，而且強(qiáng)度較大。而空中飛行機(jī)構(gòu)的中心板設(shè)置實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制系統(tǒng)以及信息采集系統(tǒng)的有效搭載。利用空中飛行機(jī)構(gòu)能夠讓機(jī)器人整體實(shí)現(xiàn)對(duì)空中信息的有效采集。

1.2 飛控系統(tǒng)

1.2.1 結(jié)構(gòu)整體

本次研究主要利用地空兩用形式的機(jī)器人針對(duì)農(nóng)田信息進(jìn)行采集。結(jié)合四旋翼有效提升機(jī)器人整體的越障性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)信息更為全方位的采集。給農(nóng)業(yè)發(fā)展的機(jī)械化以及信息化形成良好的技術(shù)支持，針對(duì)農(nóng)業(yè)信息形成一種實(shí)時(shí)形式的掌握和控制。本研究所利用的飛控系統(tǒng)是一體化形式的飛控系統(tǒng)，其具備飛行穩(wěn)定、體積較小、安裝方便以及信號(hào)干擾較小的優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2 四旋翼馬力

馬達(dá)結(jié)合扇葉之后，所具備的推理跟攻角之間的關(guān)系為：

其中n表示馬達(dá)的扇葉數(shù)，Tt是單片扇葉所能夠提供的推力，Kv是馬達(dá)系統(tǒng)，Vm表示馬達(dá)所輸出的電壓，Ct是扇葉尖端的長(zhǎng)度，CLo是零升力的攻角系數(shù)，CLα是升力斜率，α則是扇葉的攻角。

本次研究所利用的電機(jī)為U3508，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)以及設(shè)計(jì)之后可以得出這個(gè)馬達(dá)能夠供給的升力大概是20N，也就是說(shuō)該飛行機(jī)構(gòu)能夠帶動(dòng)總重量是兩千克的機(jī)器人。對(duì)這個(gè)電機(jī)的應(yīng)用能夠讓地空兩用信息采集機(jī)器人實(shí)現(xiàn)正常起飛，并且能夠在空中實(shí)現(xiàn)對(duì)各種規(guī)定動(dòng)作的完成。

1.2.3 四旋翼的控制算法

該研究當(dāng)中的四旋翼機(jī)器人主要是利用對(duì)MPU6050的搭載，實(shí)現(xiàn)針對(duì)四旋翼位置以及姿態(tài)的調(diào)整和控制。結(jié)合筆者所設(shè)置的反饋控制算法能夠讓四旋翼實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)定姿態(tài)的自動(dòng)調(diào)整，讓四旋翼機(jī)器人完成翻滾和俯仰之類的動(dòng)作。同時(shí)，結(jié)合對(duì)AT9遙控器當(dāng)中的檔位開關(guān)加以控制，從而針對(duì)機(jī)器人內(nèi)部的行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制，利用一個(gè)遙控器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人兩項(xiàng)功能的控制。融入卡爾曼濾波法能夠針對(duì)四旋翼形成更為平穩(wěn)的控制。本次研究主要是將經(jīng)典PID控制算法跟卡爾曼濾波之間相互結(jié)合的方式形成對(duì)四旋翼的有效控制。

1.3 信息采集系統(tǒng)

1.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該次研究當(dāng)中的地空兩用信息采集機(jī)器人所搭載的信息采集系統(tǒng)有攝像頭、濕度傳感器、溫度傳感器、PM2.5傳感器以及光照強(qiáng)度傳感器。結(jié)合藍(lán)牙模塊利用無(wú)線傳輸?shù)男问綄?shí)現(xiàn)向信息采集終端的輸送，形成了針對(duì)農(nóng)業(yè)信息實(shí)時(shí)形式的監(jiān)控。針對(duì)采集的數(shù)據(jù)加以處理，能夠給今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)供給出優(yōu)質(zhì)的參考。

1.3.2 系統(tǒng)測(cè)試

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室當(dāng)中針對(duì)信息采集系統(tǒng)做出相應(yīng)的測(cè)試。本次研究能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)光照強(qiáng)度以及PM2.5數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，繼而將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)終端，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)供給可靠的數(shù)據(jù)信息支持。工作人員能夠?qū)τ?jì)算機(jī)當(dāng)中所采集到的農(nóng)業(yè)信息，針對(duì)農(nóng)田實(shí)施更為有效的監(jiān)控。經(jīng)過測(cè)驗(yàn)之后確定該系統(tǒng)能夠給農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)系統(tǒng)供給優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)信息。

2 農(nóng)業(yè)信息物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建

目前所應(yīng)用的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通常是結(jié)合感知層、應(yīng)用層以及傳輸層實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系整體的構(gòu)建。在節(jié)點(diǎn)位置對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)置，從而獲取相關(guān)信息，通過節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息感知系統(tǒng)的建設(shè)。利用這樣的方式對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)加以構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)信息采集以及傳輸過程的精準(zhǔn)化以及實(shí)時(shí)化。而目前對(duì)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所實(shí)施的研究工作主要是將農(nóng)業(yè)信息存儲(chǔ)于相應(yīng)的服務(wù)器當(dāng)中，繼而對(duì)網(wǎng)絡(luò)加以利用實(shí)現(xiàn)向終端的上傳。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的各種技術(shù)正在逐漸跟云計(jì)算之間相互融合，從而在農(nóng)業(yè)信息采集工作當(dāng)中加以應(yīng)用，提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。農(nóng)業(yè)信息的物聯(lián)網(wǎng)目前正在朝著信息采集的實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化以及全面化方向發(fā)展。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，對(duì)地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)能夠有效推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的信息化以及自動(dòng)化發(fā)展，從而給各行業(yè)的發(fā)展形成更好的支撐，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

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