基于WiFi通信的玉米除草機器人結構設計與試驗*

刁智華，閆嬌楠，張萌，賀振東，婁泰山，吳青娥

(鄭州輕工業大學電氣信息工程學院，鄭州市，450002)

0 引言

在農業的發展中，對于從事農業的工作者來說，農田中的雜草是影響農業生產的首要敵人，它們對莊稼危害極大，因為雜草要與莊稼爭奪養分、陽光、空氣和水。雜草越多，農作物的產量會越小，隨之而來的是經濟效益會受到很大影響，因此，除雜草成為農業工作者在作業時的重中之重。目前，一般采用化學除草和機械除草兩種方式，但大面積噴灑除草劑對環境和人員造成的傷害極大，而機械除草精準化、自動化程度不高，若根部清除不凈會造成雜草二次重生，且兩種方式智能化水平有待提高，因此綠色除草工具智能除草機器人應運而生。

針對智能除草裝置國內外已經進行了一些研究，國內賈洪雷等[1]設計了一種在中耕期玉米田間使用的避苗除草裝置，但由于梳齒需進入土壤工作，需要降低該裝置的作業阻力，還要克服梳齒間雜草纏繞、增加雜草的種類問題。陳振歆等[2]設計了彈齒式苗間除草裝置，但除草效果不理想，存在傷苗率高等問題。齊龍等[3]研制了步進式水田中耕除草機，但步進式除草機的工作效率較低、勞動強度大。陳樹人等[4]基于LabVIEW設計了八爪式株間機械除草裝置的控制系統，但電磁吸合裝置的吸合時間存在一定的延遲響應。張春龍等[5]研究了移動機器人平臺，設計了三指手爪鋤草機械手，鋤草機械手的鋤草率可達90%以上，但沒有進行室內或者田間試驗。胡煉等[6]研究了除草爪齒余擺運動原理的株間機械除草裝置，機具前進速度的增加會導致傷苗率增大。蘆新春等[7]設計了一種圓盤式行間中耕除草施肥機，能克服單項作業帶來的不利影響。國外Choi等[8]研究了水田除草機器人的導航精度，但試驗是在圖像噪聲很小的情況下進行的，還有提高的空間。Thijs等[9]提出了從圖像層面、應用層面、現場層面對噴灑機器人評估，根據機器人做出的噴灑決定來分析雜草檢測，能有效控制雜草，但噴灑系統的分辨率有待進一步提高。Kanagasingham等[10]為了實現自動除草機器人完全自主的雜草控制，開發了一種視覺作物行檢測算法。Cordill等[11]通過使雙齒載體接觸土壤，避開玉米秸稈，非特異性地去除行內的雜草植物，但在雜草密度高的田地里，性能有所下降。

針對上述除草機器人在除草過程中出現的問題，本文從機器人機械臂末端出發，設計了一種機械+化學的除草結構和手動+自動的工作模式，基于ROS系統的ARM11主控板和STM32從控制板相互配合，驅動玉米除草機器人行走，控制機器人機械臂末端執行組件完成除草工作，并且在除草后的雜草部位精準噴射除草劑保證徹底清除雜草。上述方法為玉米除草機器人后續研究提供了有效參考。

1 玉米除草機器人結構設計

1.1 整機結構設計

玉米除草機器人整體結構如圖1所示，包括小車主體、輪動裝置、機械臂以及機械臂末端執行組件。玉米除草機器人主體上安裝輪動裝置，輪動裝置由安裝在小車內部的驅動器驅動運行。小車主體上安裝有機械臂和機械臂末端執行組件，機械臂各關節處和末端執行組件處安裝有電機，電機驅動和控制裝置安裝在小車主體內部。除草機器人主體前側安裝有視覺傳感器，可采集和傳輸圖像數據至小車主體內部的控制裝置進行處理，小車內置有驅動裝置、控制裝置、化學除草裝置、供電模塊、通信模塊、機械臂。

圖1 除草機器人結構Fig. 1 Structure of the weeding robot1.視覺傳感器 2.針型噴霧頭 3.轉臺 4.鋸齒圓形刀片 5.旋轉電機Ⅱ 6.小臂 7.肘部舵機 8.大臂 9.肩座舵機 10.肩座 11.基座舵機 12.基座 13.小車主體 14.集草箱 15.車輪 16.壓力傳感器 17.除草劑瓶 18.旋轉云臺 19.旋轉電機Ⅰ 20.WiFi路由器

除草機器人上的視覺傳感器捕捉玉米和雜草圖像信息，經過處理定位雜草位置，測量距離。步進電機驅動行駛輪使機器人到達指定位置。機械臂各關節電機控制肩部、大臂、小臂的上下移動，相互配合使除草機器人的末端執行組件到達雜草位置。末端執行組件完成除草的3個功能，旋轉機芯盤的鋸齒圓形刀片左右旋轉，在機械臂的配合下完成除草工作；合金抓手在旋轉機芯盤和機械臂的配合下將雜草放入集草箱；最后打開電磁閥針型噴霧頭對雜草切割部位進行精準噴射。

1.2 關鍵部件設計

1.2.1 小車主體設計

在對除草機器人的設計中，優先設計小車主體部分。目前常用的小車分為兩種，一種是履帶式小車，一種是輪式小車。這兩種小車作為除草機器人的主體架構都有較高的穩定性，能在復雜的地面環境下工作。其中，履帶式小車的平穩性要優于輪式小車，但在除草的過程中容易嵌入雜物，易損壞，維修或者更換部件更復雜，因此，本設計優先采用輪式小車。車身部分包括底盤和車輪。

1) 底盤。對底盤的設計務必要保持剛性，不僅是為了要承載機器人上的電源部分、電路部分和末端執行組件部分，還要保證機器人在使用中不發生故障。由以上條件，設計了長為600 mm，寬為400 mm，厚為2 mm的底盤，并在底盤上設計出需要的孔徑。

2) 車輪部分。車輪部分是小車的驅動核心，安裝在底盤下方。車輪部分包括驅動電機和橡膠車輪，驅動電機安裝在車輪上并與車輪連接，且驅動電機與控制裝置相連接。除草機器人的工作環境復雜，在選用電機時優先考慮動力性能，對電機的轉速要求不高，但是要能通過單片機輸出的PWM波來進行控制轉速。綜合上述條件，選擇了大扭力減速電機(額定電壓12 V，50 r/min)，額定功率30 W，并且最大扭力為91 kg，可以滿足除草機器人的動力需求。

1.2.2 機械臂設計

如圖1所示，除草機器人機械臂放置于小車頂部包括旋轉云臺、基座、肩部、肩關節、大臂、肘關節、小臂、腕關節[12-18]，表1為機械臂的尺寸參數。旋轉云臺由旋轉電機、金屬圓形大軸承、轉盤和配件構成，金屬軸承連接旋轉電機和轉盤，可在旋轉電機的驅動下順時針逆時針旋轉，金屬大軸承可減小電機旋轉造成的摩擦。基部與旋轉云臺固定在一起，起到承重和支撐的作用，基部、肩關節和肘關節處安裝舵機控制肩部、大臂、小臂的移動，腕關節為一圓形軸承加旋轉電機，旋轉電機的輸出軸連接圓形軸承，軸承可在電機的作用下旋轉。

表1 機械臂尺寸參數Tab. 1 Mechanical arm size parameters mm

1.2.3 機械臂末端執行組件設計

除草機器人機械臂末端執行組件為人字形結構轉盤，如圖2所示，由鋸齒圓形刀片、合金抓手、針型噴霧頭組成。人字形結構轉盤的厚度大約40 mm，通過螺釘與腕關節圓形軸承固定在一起，可以隨圓形軸承的旋轉而旋轉。針型噴霧頭通過連接桿與舵機連接，并用螺絲固定于人字形結構一端，化學除草裝置由除草劑和電磁噴霧控制器組成，電磁噴霧控制器的輸入管道連接除草劑瓶，輸出管道連接機械臂末端執行組件的針型噴霧頭。物理除草裝置鋸齒圓形刀片和合金抓手通過連接件也分別固定在人字形結構另外兩端，鋸齒圓形刀片采用40齒錳鋼刀片，外圍120 mm，對玉米地雜草輕松切割。合金抓手使用ROBOTIQ電動夾爪，手指開合最大距離為155 mm，能夾持最多5 kg負載。三端呈120°夾角分布。

圖2 機械臂末端執行組件Fig. 2 Terminal execution unit of the mechanical arm1.鋸齒圓形刀片 2.針型噴霧頭 3.合金抓手

末端執行組件通過步進電機調整與雜草、地面的位置。電機與末端執行組件之間是螺桿傳動，機械傳動比

式中：v1——電機的轉速，r/min；

v2——螺桿的轉速，r/min。

一個電源脈沖，對應電機前進一步，被驅動的末端執行組件平移的距離叫步距，螺桿轉動一周末端執行組件的平移距離叫螺距。假如電機轉一周需要6p個脈沖，那么末端執行組件平移的距離就是一個步距，計算公式為

式中：l——步距，mm；

d——螺距，mm；

p——電機極對數。

若d=1 mm，i=1∶1，那么電機轉一周，末端執行組件平移1 mm，l=1/6pmm。

若d=1 mm，i=10∶1，那么電機轉一周，末端執行組件平移0.1 mm，l=0.1/6pmm。

若d=1 mm，i=100∶1，那么電機轉一周，末端執行組件平移0.01 mm，l=0.01/6pmm。

步進電機控制末端執行組件到達雜草的位置時，鋸齒圓形刀片先開始動作，在轉盤的旋轉下來回切割雜草，所以刀片的作業速度由轉盤的旋轉速度決定，刀片上任一瞬間的速度為

當ωt=π+2kπ(k=0，1，2，…，n)時，則

vj=rω

式中：vj——刀片的切割速度，m/s；

r——刀片內端半徑，mm；

ω——轉盤的角速度，rad/s。

2 基于WiFi的玉米除草機器人控制系統設計

2.1 玉米除草機器人控制系統設計

除草機器人的控制系統如圖3(a)所示，基于Linux操作系統，采用ROS集成開發環境開發的ARM11主控板和3塊STM32從控制板實現控制操作。ARM11主控板通過串口接收STM32從控制板發來的數據，基于ROS_serial節點橋梁功能，按數據協議發布msg消息到ros通信網絡；ARM11主控板到STM32從控制板的通信為ARM11主控板從ros網絡接收話題消息，通過串口傳輸到STM32從控制板，以控制底層驅動。

(a) 除草機器人控制系統

(b) 除草機器人通信設計圖3 玉米除草機器人控制系統設計Fig. 3 Design of control system for corn weeding robot

ARM11主控板用于避障和檢測識別雜草以及向STM32從控制板下發指令，且從控制板1用于控制機械臂組件，從控制板2用于控制機械臂末端執行組件，從控制板3用于控制輪動電機。具體為視覺傳感器模組的圖像輸出接口連接主控板，并將采集到的圖像數據傳輸給主控板進行處理，實現主控板避障和檢測識別雜草的功能。旋轉電機Ⅰ、基座舵機、肩座舵機和肘部舵機的信號線均與從控制板1相連接，從控制板1通過調節脈沖寬度來驅動基座舵機、肩座舵機和肘部舵機，從而調節肩座、大臂、小臂的移動；同時從控制板1通過輸出信號來控制旋轉電機Ⅰ的正反向旋轉，以調節機械臂所指的方向。旋轉電機Ⅱ、執行電機和電磁噴霧控制器的信號線均與從控制板2相連接，從控制板2通過輸出控制信號來控制整個執行組件的運行以及化學除草劑的噴灑。輪動電機與從控制板3相連接，當主控板識別出雜草后，主控板能夠根據像素坐標系到世界坐標系下的轉換關系獲取空間位置，并將位置信息通過串口傳輸給從控制板3，從控制板3下發指令并輸出PWM波通過電機驅動器驅動輪動電機轉動，使小車主體到達指定位置；且輪動電機連接從控制板3的芯片編碼器，實現從控制板3能夠獲取輪動電機的轉速值并回傳給主控板。

2.2 基于WiFi的玉米除草機器人通信設計

除草機器人和手機控制端通過大功率WiFi中繼器實現無線通信，不僅通信可靠而且方便快捷。該手機控制端的功能有兩個，一是實時接收視覺傳感器實時回傳的圖像信息，監測除草動態；二是通過WiFi模塊、WiFi路由器、WiFi中繼器所建立的通信信道向主控板發送指令。除草機器人的通信設計如圖3(b)所示[19-20]。除草機器人通信模塊為WiFi路由器安裝在小車上，用來捕捉圖像的視覺傳感器安裝在小車前端外側，視覺傳感器采用CMOS數字圖像傳感器作為數字化采集單元，其型號為MT9V022IA7ATC，其連接的視覺傳感器模組安裝在小車前端內側，視覺傳感器模組采用DSP信號處理芯片，其型號為ADSP-BF592KCPZ-2，視覺傳感器模組的網絡接口連接WiFi路由器，通過大功率WiFi中繼器實時回傳視頻至手機控制端，所述視覺傳感器模組的圖像輸出接口連接ARM主控板的HDMI接口，將采集到的圖像數據交給ARM主控板進行算法處理。ARM主控板內置WiFi模塊，通過WiFi路由器、大功率WiFi中繼器與手機控制端傳輸指令。

3 玉米除草機器人控制系統實現

3.1 采集和處理圖像

視覺傳感器采用CMOS傳感器作為數字化采集單元，通過視覺傳感器獲取玉米和雜草圖像信息，并將數字信號傳輸到ARM處理器進行處理[21-24]。ARM處理器對采集到的圖像信息，基于最大正方形原理的玉米作物行骨架提取算法，進行灰度化、閾值分割、濾波處理，區分玉米作物和雜草，準確定位雜草位置，測算距離，將位置和距離信息通過串口輸出信號給STM32從控制板，為后續的除草機器人執行動作控制提供信息。除草機器人整體控制流程如圖4所示。

圖4 除草機器人整體控制Fig. 4 Overall control of weeding robot

3.2 除草機器人運動功能實現

STM32從控制板3輸出信號，控制步進電機驅動行駛輪，使除草機器人行走到指定位置，然后STM32從控制板1驅動機械臂各關節電機，控制肩部、大臂、小臂的向上向下移動，相互配合使除草機器人的末端執行組件到達雜草位置。STM32從控制板3的編碼器引腳與步進電機的AB相連接，GPIO引腳連接電機驅動控制行駛輪的正轉和反轉，PWM引腳連接電機驅動，STM32從控制板3控制電機驅動行駛輪行駛的步驟為：打開PWM設置轉速，同時使用_HAL_TIM_GET_COUNTER()獲取電機編碼器的tick值，根據時間獲取當前時刻轉速值，根據轉速的誤差進而產生PWM波，再用PWM波控制電機轉速，做一個閉環控制。

3.3 末端執行組件除草功能算法實現

玉米除草機器人的末端執行組件開始完成除草工作的三步走，鋸齒圓形刀片固定在旋轉機芯盤上，在旋轉機芯盤左右旋轉和機械臂配合下，完成鋸齒圓形刀片松土除草工作，在旋轉機芯盤和機械臂配合下，完成合金抓手抓取雜草并放入集草箱，在旋轉機芯盤和機械臂配合下，STM32從控制板控制打開電磁閥完成針型噴霧頭的精準噴射。

除草機器人完成鋸齒圓形刀片的松土除草算法如下。

1) STM32從控制板2的MCU對腕部旋轉電機驅動器進行初始化，然后驅動器對旋轉電機進行初始化，MCU把相應頻率的脈沖信號傳送至驅動器，通過驅動器的緩存配置，控制腕部旋轉電機按照要求的脈沖數進行逆時針或順時針運行，直到旋轉相應的角度后，使鋸齒圓形刀片位于末端旋轉機芯盤正下方。

2) STM32從控制板1的MCU輸出控制信號控制機械臂的肩部、大臂、小臂移動，直至鋸齒圓形刀片靠近除草位置。

3) STM32從控制板2的MCU中斷對腕部旋轉電機驅動器初始化，設置相應頻率的連續脈沖信號，通過驅動器的緩存配置，控制旋轉電機順時針和逆時針往復旋轉，同時控制機械臂配合，使鋸齒圓形刀片不斷向除草位置遞進，切除雜草。

4) STM32從控制板2的MCU控制腕部旋轉電機旋轉，使針型噴霧頭正對除草位置，然后輸出信號控制電磁噴霧器，使針型噴霧頭噴射除草劑，避免殘留物重生。

5) STM32從控制板2的MCU控制腕部旋轉電機旋轉，使合金抓手正對除草位置，然后輸出信號給合金抓手舵機，控制抓手完成雜草的夾持工作。

6) STM32從控制板1的MCU控制機械臂旋轉云臺旋轉，使機械臂順時針或逆時針旋轉180°，然后驅動肩部、大臂、小臂協調配合，然后STM32從控制板2的MCU輸出信號打開合金抓手，完成雜草放入集草箱的動作，集草箱的底部安裝有壓力傳感器，且壓力傳感器連接主控板，壓力傳感器用于實時監測所收集的雜草重量并傳輸給主控板，且主控板內預設有重量閾值，當集草箱內的雜草重量超過該重量閾值時，主控板將超重信號反饋給控制終端以提醒及時處理。

4 試驗結果分析

試驗在室內土槽試驗臺上進行，除草區長度20 m，寬度1.5 m，土槽深0.5 m，土槽面積30 m2。在現有試驗條件下，為增加幼苗及雜草的數量，加大了幼苗密度，苗間距300 mm，每行幼苗為60株。泥腳深度為200～250 mm，最深達350 mm，平均株高150 mm，由于在室內試驗，雜草人工種植，主要為稗草、狗尾巴草、馬齒莧。

4.1 試驗評價指標

除草率和傷苗率是檢測除草作業質量的主要指標[3]。所以，選擇除草率和傷苗率作為除草作業任務的評價指標。

除草機器人除草率

式中：X——檢測區域內除草前雜草數；

Y——檢測區域內除草后雜草數。

傷苗指的是在除草作業過程中，玉米苗被機器打斷、掩埋、連根拔起等情況，傷苗率

式中：M——除草后檢測區域內損傷玉米苗數；

N——檢測區域內總玉米苗數。

4.2 試驗結果與討論

對智能除草機器人的作業性能進行測試，如圖5所示。本文通過試驗設計的方法，選擇除草部件類型、工作速度、除草深度3因素3水平進行正交試驗，試驗因素與水平如表2所示。根據理論分析預估各因素的取值，機具工作速度的取值范圍是0.6～0.8 m/s，除草深度的取值范圍是25～45 mm。通過正交試驗進行設計，選擇除草率和傷苗率作為試驗指標，正交試驗結果如表3所示。

圖5 切割部位噴灑除草劑Fig. 5 Spraying herbicide at cutting site

表2 試驗因素與水平Tab. 2 Factors and levels of text

表3 正交試驗結果Tab. 3 Results of orthogonal experiment

由表3可知，在保證除草深度不變時，末端執行組件的除草率最高，并且機具在低速運行時除草率達到最高97.6%，末端執行組件和單一除草部件相比較傷苗率明顯偏低為1.6%。為了能更清楚地看出來各因素的主次順序，對除草機器人的除草率和傷苗率做進一步分析，分別求出均值和極差，如表4所示。

表4 除草率和傷苗率均值、極差Tab. 4 Weeding rate and seedling injury rate mean and range

由表4分析可得，當只考慮除草機器人的除草率時，各因素影響除草率的主次順序為除草部件類型>除草深度>工作速度；當只考慮除草機器人的傷苗率時，各因素影響傷苗率的主次順序為工作速度>除草深度>除草部件類型。由此可得，最優組合是除草部件類型為末端執行組件、工作速度為0.6 m/s、除草深度為30 mm。在最優組合下，平均除草率為94.9%，平均傷苗率為1.9%。

本文設計的是基于WiFi通信的除草系統包括手動除草和機械除草，由于通信可靠，工作效率更高，除草效果更好。除草機器人機械臂末端執行組件中的鋸齒圓形刀片的入土深度越大，對于雜草根土復合體的破壞作用越強烈，利于合金抓手抓取雜草，在配合針型噴霧除草劑，使得除草率增加。但是由于鋸齒圓形刀片扎進土壤中，會產生旋轉運動的阻力，所以在機具前進的除草中，會出現錯位、移位的偏差，出現傷苗現象。除此之外，機具的前進速度越快，對除草裝置的避苗動作的反應靈敏度要求越高，因此，過快的機具前進速度也是造成傷苗的原因之一。

5 結論

1) 本文設計了一種基于WiFi通信的玉米除草機器人，除草機器人機械臂末端執行組件為人字形結構轉盤，由鋸齒圓形刀片、合金抓手、針型噴霧頭組成。機械除草過程是用40齒錳鋼鋸齒圓形刀片切割雜草，切割范圍120 mm，然后使用ROBOTIQ電動夾爪夾持切割過的雜草，夾爪開合最大距離為155 mm，能夾持最多5 kg負載。利用鋸齒圓形刀片和合金抓手處理完雜草后，再用針型噴霧頭對準切割雜草部位噴射農藥，保證除草更加徹底。

2) 玉米除草機器人控制系統設計是基于Linux操作系統，采用ROS集成開發環境開發的ARM11主控板和3塊STM32從控制板實現控制操作。通信設計是玉米除草機器人和手機控制端通過大功率WiFi中繼器實現無線通信的，并且手機控制端能實時接收視覺傳感器實時回傳的信息。

3) 通過正交試驗分析可知除草機器人在工作速度為0.6 m/s、除草深度為30 mm，除草部件類型為末端執行組件時除草率最高，是該除草機器人的最優組合，平均除草率為94.9%，平均傷苗率為1.9%。本設計經過土槽試驗表明具有較好的作業性能，智能化程度高，可以為農業除草裝置的后續研究提供參考。