履帶式溫室智能噴藥機器人的設計

靳文停 葛宜元 張闖闖 岳曉娜 杜爽 彭正玲 趙寶月 張拂曉 車芷君

摘?要：噴藥機是民用領(lǐng)域必備的農(nóng)業(yè)裝備，各國對噴藥機的研發(fā)都非常重視。智能、精準化機器能在廣闊的田野上代替手工完成各種農(nóng)活，世界各國農(nóng)業(yè)機械都是向著全方位實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化、信息化方向發(fā)展，并努力促進高新技術(shù)的快速發(fā)展。日本、美國、西班牙等國家智能噴藥機技術(shù)相對成熟，并已廣泛應用于農(nóng)業(yè)。我國的智能精準化噴藥機研究起步較晚，技術(shù)水平與發(fā)達國家具有一定差距。利用高精度噴藥技術(shù)、高精度傳感器技術(shù)、機電一體化技術(shù)等相結(jié)合研發(fā)的履帶式溫室智能噴藥系統(tǒng)，減輕作業(yè)人員的勞動強度、改善工作環(huán)境、施藥均勻、提高藥蓋率、減少資源浪費，對改善環(huán)境污染等有著重要的現(xiàn)實意義，并且將會極大地提升作物的產(chǎn)量，對于國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：履帶式;溫室;智能;噴藥機

中圖分類號：S49;TP242????????文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.003

0?引言

傳統(tǒng)的噴藥機效率較低，人工成本較高，人工噴藥除操作人員易中毒，勞動強度大外，還存在著作物受藥質(zhì)量差，大型機械不適合溫室作業(yè)等缺點。隨著社會進步和人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，人們對食品安全關(guān)注度也不斷的提高，溫室智能噴藥機產(chǎn)業(yè)潛在市場巨大，發(fā)展前景可觀。20世紀80年代以來，“精準農(nóng)業(yè)”技術(shù)的研究與應用在發(fā)達國家受到普遍地重視，“精準農(nóng)業(yè)”己被國際農(nóng)業(yè)科學界認為是21世紀實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的先導性技術(shù)之一[1]。2017年，美國約翰迪爾公司以3.05億美元收購機器人初創(chuàng)公司藍河科技，將利用藍河科技的計算機視覺精準噴灑農(nóng)藥機器人來實現(xiàn)“精準農(nóng)業(yè)技術(shù)”;西班牙Almeria大學針對大棚環(huán)境研制的噴霧機，通過高壓噴霧器，實現(xiàn)霧滴在作物冠層中的高滲透率噴霧;塞維利亞大學針對大面積草坪，通過GNSS導航的路徑規(guī)劃實現(xiàn)地面自主施藥的移動平臺。除此之外，德國、韓國、巴西等國家都已經(jīng)將智能噴藥機應用于農(nóng)業(yè)植保作業(yè)[2-6]。

《中國制造2025》將農(nóng)機裝備列為重要領(lǐng)域，制定了農(nóng)機裝備發(fā)展行動方案。《全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016-2020年）》對農(nóng)業(yè)機械化提檔升級作出全面部署。“智能農(nóng)機裝備”納入了“十三五”國家重點研發(fā)計劃[7]。濟南大學研究了基于懸掛鏈輸送機的大棚智能噴藥機器人;青島農(nóng)業(yè)大學研究了自動識別定量噴藥機器人;中國農(nóng)業(yè)大學研制的電磁誘導農(nóng)用噴霧機器人于2007年通過測試，進行了走直線和45°轉(zhuǎn)彎兩組試驗，能夠?qū)崿F(xiàn)噴藥的自動化和智能化;2017年德州“共享農(nóng)機”新模式問世，農(nóng)民掃碼支付既可使用噴藥機器人，該項目獲得了地方農(nóng)業(yè)機械部門的認可和支持[8-14]。

1?履帶式溫室智能噴藥機器人結(jié)構(gòu)及工作原理

課題組研制的履帶式溫室智能噴藥機器人由噴藥系統(tǒng)、調(diào)節(jié)裝置、履帶底盤、傳感器、控制系統(tǒng)、信息采集裝置、供電模塊等幾大部分組成。履帶底盤配合控制裝置自主導航攝像頭以及傳感器可實現(xiàn)溫室自動行走。自主導航攝像頭配合控制裝置控制滾珠絲杠左右調(diào)節(jié)裝置和直線電動推桿高度調(diào)節(jié)裝置，適應不同高度作物均勻施藥。履帶式溫室智能噴藥機器人的三維模型如圖1所示。

履帶式溫室智能噴藥機器人工作時自主導航攝像頭可360°旋轉(zhuǎn)，采集溫室內(nèi)作業(yè)環(huán)境以及所針對的作物情況，回饋到STC89S52單片機控制系統(tǒng)進行信息處理并作出指令;滾珠絲桿、直線電動推桿進行高度和幅寬調(diào)節(jié)，以適應作物能夠在最佳受藥距離自動停止。行走時由循跡避障傳感器實時感受溫室路況，回饋到單片機控制系統(tǒng)，對Safari-600T履帶底盤進行即走即調(diào)，保證通行順暢。為防止長時間作業(yè)藥液沉淀情況發(fā)生，在藥箱增加攪拌裝置，根據(jù)不同藥物可設置不同攪拌時間間隔。

2?履帶式溫室智能噴藥機器人設計

2.1?軟件設計

本項目采用5路BFD-1000循跡傳感器，可以準確對復雜黑（白）線進行跟蹤，循跡范圍為0.5～40 mm。避障傳感器采用E18-D80NK光電傳感器模塊，集發(fā)射與接收于一體。檢測距離可以根據(jù)用戶要求進行調(diào)整，具有測探距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、使用方便等特點。

核心控制系統(tǒng)采用STC89S52單片機，此單片機集以下功能于一體，具有H橋L293D電機驅(qū)動電路，PWM接口;LM324紅外信號轉(zhuǎn)換電路;4位數(shù)碼管顯示屏;光電測速信號接口;USB下載+USB轉(zhuǎn)串口通信功能，能夠靈活支配各部分工作。

系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

2.2?硬件設計

2.2.1?履帶底盤設計

機器人底盤采用Safari-600T履帶底盤，整體采用克里斯蒂獨立懸掛設計，更好的做到重載避震。內(nèi)部搭載650 W高扭矩直流無刷減速電機，為底盤提供強勁動力，可負載越障。轉(zhuǎn)向半徑極小，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)圈。精準的底盤高度搭配合理功率的電機，使得本機器人具有低重心，通過性強，運行平穩(wěn)，適合溫室復雜環(huán)境使用。

噴藥機噴霧行走速度，可根據(jù)實際作業(yè)情況設定，一般噴霧速度在2.5～7.5 km/h。可參考《作業(yè)速度計算公式》制定履帶機組行走速度[7]。用戶可根據(jù)具體情況，通過改變行走速度、噴量大小等參數(shù)改變施藥量。

作業(yè)速度計算公式為

v=kqQ·w（1）

式中 ?v為作業(yè)速度;k為常數(shù)系數(shù);Q為單位面積實際施藥量;q為系統(tǒng)施藥量;w為噴藥架有效距離。

2.2.2?幅寬調(diào)節(jié)機構(gòu)

幅寬調(diào)節(jié)機構(gòu)采用滾珠絲桿傳動，推動固定在直線導軌上的滑塊在正反限位開關(guān)內(nèi)前后移動。滾珠絲桿具有定位精度高、摩擦力小、剛性高、負載能力強的特點，可實現(xiàn)精準定位。本機器人在噴藥架上安裝左右旋向相反的兩個滾珠絲杠導軌作為輔助裝置，工作時農(nóng)戶可根據(jù)自家作物壟寬自行設置，或由機器人控制系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)。此裝置可避免藥桿過長造成的藥物浪費現(xiàn)象，節(jié)約成本。幅寬調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖3所示。

壓桿失穩(wěn)臨界載荷計算公式為：

Fk=fkπ2EIKa2

式中?FK為壓桿失穩(wěn)臨界載荷;fk為壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)，取1.0;E為鋼的彈性模量取2.1×105 MPa;I為滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，I=πD464;K為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù);a為左右支撐中心距。

根據(jù)公式，計算出絲杠工作載荷為138 N，額定動載荷為1960 N;精度等級為5級。壓桿失穩(wěn)臨界載荷為41609.09 N，遠大于工作載荷，滿足要求。

2.2.3?高度調(diào)節(jié)機構(gòu)

高度調(diào)節(jié)機構(gòu)采用直線電動推桿，體積小、精度高、自鎖性能好。

本機器人安裝直線電動推桿輔助裝置，通過單片機控制，以此對噴藥有效高度進行調(diào)整（推桿行程可定制），減小施藥有效距離。推桿兩頭各有一個行程限位開關(guān)，推桿一端通過支架與底盤相連，另一端通過活動支架與噴藥支架相連，伸縮桿運行到底或到頂后，會自動停止，電機不會空轉(zhuǎn)燒機。推桿通過直流電機驅(qū)動實現(xiàn)螺桿傳動，伸縮桿只能伸縮不會旋轉(zhuǎn)。電機是正負兩極，比如正極伸，負極縮，相反就可以改變桿伸縮方向。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖4所示。

在直線電動推桿驅(qū)動噴藥架時，噴藥架要實現(xiàn)主動自適應，要對直線電動推桿中無刷直流電機進行轉(zhuǎn)矩的控制。

2.2.4?自主導航攝像頭

自主導航攝像頭由光線傳感器、鏡頭、SD儲存卡、重置按鈕、三軸底座等組成。三軸底座設計不僅可以調(diào)整高度、任意旋轉(zhuǎn)，還能調(diào)整拍攝俯仰角度;F2.0大光圈鏡頭搭配IR-CUT自動雙濾鏡，最大可視距離可達9 m，溫室內(nèi)作業(yè)環(huán)境以及作物上的病蟲害可觀察得一清二楚。自主導航攝像頭將采集圖像信息，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成視頻信號輸出至調(diào)制電路，調(diào)頻后得到射頻信號，送入放大器可放大后送出，無線接收模塊接收解調(diào)后將信息傳遞至STC89S52單片機，單片機控制執(zhí)行元件進行工作。信號轉(zhuǎn)換如圖5所示。視頻信息也可錄制儲存下來，便于機器人正常行走以及農(nóng)戶及時掌握溫室內(nèi)作物病蟲害信息。

2.2.5?定時微型防腐蝕槳葉攪拌器

定時微型防腐蝕槳葉攪拌器區(qū)別于傳統(tǒng)攪拌器，可定時工作、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、能耗小。攪拌器主要由定時器、電機、減速機、聯(lián)軸器、攪拌軸、攪拌槳葉組成。電機、定時器位于藥箱頂部，攪拌軸通過藥箱上提前打好的孔通入藥箱內(nèi)部，攪拌軸與一種帶有多片交互式攪拌葉的攪拌槳，攪拌槳可直接置于藥箱中進行高速旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了三維高速立體攪拌，用戶可根據(jù)不同藥液設置相應時間間隔進行攪拌。

3?結(jié)論

履帶式溫室智能噴藥機器人的設計以STC89S52單片機為核心，利用Safari-600T履帶底盤、自主導航攝像頭、五路循跡傳感器、光電傳感器、避障傳感器、滾珠絲桿導軌、直線電動推桿、定時微型防腐蝕槳葉攪拌機等相結(jié)合，實現(xiàn)了溫室內(nèi)作物的噴藥作業(yè)。

（1）采用Safari-600T履帶底盤，解決了輪式移動裝置支撐面積小、接地比壓大、下陷度大、滾動阻力大的問題。

（2）采用滾珠絲桿導軌、直線電動推桿等裝置進行幅寬、高度調(diào)節(jié)，減小有效距離，提高藥蓋率。

（3）采用定時微型防腐蝕槳葉攪拌機，防止長時間作業(yè)藥箱中藥液沉淀現(xiàn)象的發(fā)生，提高藥液均勻性。

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