有機蔬菜大棚除草機器人研制

洪曉瑋，陳 勇，楊超淞，周衛鵬

（1.南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037；2.鎮江市臨泰農業科技有限公司，鎮江 212000）

0 引言

雜草不僅與作物爭奪水分和養料，而且促進了病蟲鼠害的滋生。目前，雜草防除方法有人工除草、化學除草和生物除草等。人工除草勞動強度大且效率低。化學除草見效快，但是容易造成環境污染。生物除草雖然環保，但是不適用于突發性的草害。國內外研究人員從上世紀80年代起開始雜草識別和除草機器人研究以部分取代人工除草作業[1～3]。

美國加州大學研制了一種棉田除草機器人[4]，該機器人安裝有機器視覺系統和噴嘴，視覺系統識別出雜草后，噴嘴噴出藥劑進行除草作業。日本北海道大學設計了一種葡萄園除草機器人[5]，該機器人在車頭安裝有一個兩自由度的機械臂并在機械臂下方安裝有圓鋸片，機械臂帶動圓鋸片移動從而切除雜草。江蘇大學研制了一種用于作物株間除草的機器人[6]，該機器人通過機身上的八爪式機械除草裝置進行除草作業。華南理工大學設計了一種水田除草機器人[7]，該機器人利用兩個履帶行走機構將雜草壓平，并通過水中的泥漿限制光合作用從而破壞雜草的生長環境。南京林業大學也對雜草識別和機器人除草技術進行了深入研究[8～10]。目前，對用于玉米、甜菜等大田除草的雜草識別和機器人除草技術研究較多，而對用于有機蔬菜大棚內除草作業的相關技術研究較少。

針對上述問題，本文研發了一種適用于有機蔬菜大棚的除草機器人。該機器人通過原地轉向機構實現零轉彎半徑的轉向，適用于溫室大棚狹小的空間；同時，該機器人通過智能識別雜草并沿著設定路徑行駛，從而全自主地進行機械除草作業。

1 總體方案設計

圖1為有機蔬菜大棚內部示意圖，大棚內有4壟菜地。機器人先沿著一壟菜地行駛到一片農作物區域上方，然后進行雜草識別并挖除雜草，當該區域的雜草挖除干凈后，機器人再次啟動行駛到下一區域進行除草。如此往復，全自主地完成在整個大棚內的除草作業。

圖1 大棚內部示意圖

機器人基于磁導航沿著第1壟菜地從起始行駛至末端，然后從第1壟橫向行駛到第2壟，不需要轉彎半徑。機器人以同樣的方式行駛，直至完成整個過程，運動軌跡如圖2所示。磁導航所需的磁條安裝在大棚橫梁框架上，磁導航傳感器固定在機器人上面支架的頂部。利用模糊控制算法確保機器人沿著磁條行駛。

圖2 機器人運動軌跡圖

2 機器人結構設計

2.1 整體設計

除草機器人由車架、末端執行器、行走機構、原地轉向機構、組合式線性模組、磁導航傳感器和攝像頭等組成，如圖3所示。該機器人采用四輪式行走機構，以輪轂電機為驅動裝置，使得機器人能夠沿著田壟并橫跨于農作物行駛；通過控制原地轉向機構中電機的轉向，使得機器人能夠完成壟與壟之間的橫向行駛；組合式線性模組能夠帶動末端執行器在一定空間區域內移動；末端執行器采用三爪式結構，能夠伸入土壤，實現挖除雜草的動作；磁導航傳感器使得機器人能夠沿設定路徑行駛。機器人使用左右兩個攝像頭識別雜草，兩個攝像頭固定安裝在Y軸線性模組底板的左右兩側。在開始除草作業前，Y軸線性模組移動到農作物區域中央，攝像頭拍攝照片，獲得雜草圖像。

圖3 除草機器人結構圖

圖4 原地轉向機構圖

2.2 行走機構的設計

2.2.1 結構原理

大棚地面平坦，因此該機器人采用簡單靈活的四輪式行走機構。因為輪轂電機將車輪與電機結合在一起，結構緊湊，所以使用四個輪轂電機驅動機器人行駛。

2.2.2 輪轂電機的選型

機器人啟動時需要克服輪胎與地面間的滾動摩阻力偶矩，滾動摩阻力偶矩計算公式如下：

式(1)中：Mf為滾動摩阻力偶矩，N·mm；δ為滾動摩阻系數；Fn為地面對車輪產生的支持力，N。

根據大棚內部結構初步設定機器人長寬高尺寸為：1810mm×1310mm×1690mm，質量為140kg。輪胎與地面的滾動摩阻系數δ=5，單個車輪支撐機器人1/4的質量，所以單個車輪所受支持力為：

將上述參數代入式(1)，求得單個車輪滾動摩擦力偶矩為：

本文選用10吋輪轂電機，額定電壓為DC 36V，額定功率為180W，轉速為100r/min，輪胎外徑為直徑275mm。輪轂電機扭矩計算公式如下：

式(2)中：T為輪轂電機扭矩，N·m；P為輪轂電機輸入功率，kW；N為輪轂電機轉速，r/min。

輪轂電機輸入功率P=0.18kW，轉速n=100r/min。

將上述參數代入式(2)，求得輪轂電機扭矩為：

因此，該輪轂電機滿足使用需求。

2.3 原地轉向機構的設計

2.3.1 結構原理

考慮到除草機器人在菜田壟與壟之間橫向行駛時需進行直角轉彎，即車輪需要繞著垂直軸線旋轉90°，本文創新性地設計了一種原地轉向機構。該機構由減速步進電機、車架、外支撐筒、內軸、軸端法蘭蓋等組成，如圖4所示。轉向機構由最上端的減速步進電機提供動力。電機機身固定在車架上，電機輸出軸將扭矩傳遞給內軸，內軸將扭矩傳遞給軸端法蘭蓋，軸端法蘭蓋與輪轂電機支架固定在一起，從而控制車輪進行轉向。

2.3.2 步進電機的選型

機器人原地轉向時需要克服車輪與地面間的阻力矩，原地轉向阻力矩計算公式[11]如下：

式(3)中：Mr為原地阻力矩，N·m；f為車輪與地面的摩擦系數；G1為機器人單根內軸軸向負荷，N；p為汽車輪胎氣壓，MPa。

取f=0.7，p=0.25MPa，單根轉向軸負載為G1=343N。

將上述參數代入式(3)，求得原地轉向阻力矩為：

本文選用減速步進電機進行轉向控制，電機額定電壓為DC24V，額定扭矩20N·m，滿載效率為95%。因為Mr

2.4 組合式線性模組的設計

根據大棚及菜地尺寸，本文設計了如圖5所示的組合式線性模組。兩X軸線性模組的有效行程為500mm，驅動電機額定扭矩為4.5N·m；Y軸線性模組的有效行程為1400mm，驅動電機額定扭矩為4.5N·m；Z軸線性模組的有效行程為600mm，驅動電機額定扭矩為0.64N·m。這些線性模組滑塊的移動速度范圍均為0～300mm/s。

圖5 組合式線性模組

該機構的兩X軸線性模組固定在車架上，由一臺步進電機通過傳動軸進行同步驅動。Y軸線性模組機身固定在X軸線性模組的滑塊上，并能夠隨著滑塊作直線運動。Z軸線性模組的滑塊與Y軸線性模組的滑塊固定在一起，使得Z軸線性模組能夠隨著Y軸線性模組左右移動，同時Z軸線性模組機身能夠上下移動。

2.5 末端執行器設計

末端執行器由步進電機、聯軸器、外圓筒、連桿、抓桿、鏟子、梯形絲桿和螺母等組成，如圖6所示。末端執行器安裝于Z軸線性模組底端，能夠隨著組合式線性模組在一定空間區域內快速移動。該執行器采用三爪式機構，三個鏟子伸入土壤并挖除雜草。步進電機輸出軸通過聯軸器與絲桿配合在一起，將步進電機的扭矩傳遞給絲桿。絲桿上安裝有螺母，當絲桿旋轉時，螺母能沿著絲桿上下移動。螺母圓周上等間距鉸接有3個連桿，外圓筒圓周上等間距鉸接有3個抓桿，抓桿與連桿間為鉸接。抓桿下端與鏟子固定在一起，使得抓桿能夠繞著鉸鏈架作圓周運動而鏟子則作向下并向中心軸收緊的運動，從而實現對雜草的抓取動作。

圖6 末端執行器

3 機器人控制系統

機器人的控制系統由攝像頭、FPGA開發板、DSP主板、磁導航傳感器、電機驅動器等組成，如圖7所示。FPGA開發板通過攝像頭采集圖像并從中識別出雜草，再將雜草的坐標位置發送給DSP主板，DSP再通過驅動器控制相應電機工作，使得機器人完成除草及行駛等動作。行駛中，磁傳感器實時檢測機器人與理想路徑偏差量，基于模糊控制算法確保機器人沿著設定路徑行駛。

圖7 機器人控制系統框圖

4 機器人制作及實驗

本文根據上述設計制作了如圖8所示的除草機器人，該機器人的長寬高為：1820mm×1310mm×1690mm，實際質量為155kg。

圖8 除草機器人實物圖

表1為磁導航實驗的20組數據，偏移量為磁導航傳感器相對于磁條中心線的距離，機器人每行駛5m記錄一次數據。從表中可以看出，機器人的偏移誤差小于4cm，滿足田間使用需求。在該實驗中，機器人能夠以0m/s～1.5m/s的速度平穩地前進后退，并且能夠可靠地完成原地轉向動作，說明機器人結構原理正確且控制方案可行。

表1 磁導航實驗數據

5 結語

本文研制的除草機器人適用于有機蔬菜大棚內的除草作業，該機器人通過原地轉向機構能夠在狹小的空間內實現轉向，轉彎半徑為零，提高了大棚內部空間的利用率；機器人通過機器視覺和磁導航傳感器能夠實現智能雜草識別和全自主行駛。實驗結果顯示，機器人沿著設定路徑行駛的偏差量小于4cm/500cm，滿足大棚應用需求。