AI機器人農作物播種機的設計

尹向東,王 政

(包頭職業技術學院 電氣工程系,內蒙古 包頭 014030)

0 引言

傳統播種機一般都是采用燃油動力,需要農民手持播種,需要具備一定的技巧和熟練度,且在播種的時候阻力較大,不容易操作。由于耕作收獲后一般不做翻耕,土壤表面會有很多摻雜混入,摻雜使輪子附著力減弱,打滑嚴重,播種質量無法保證[1]。另外,自動化程度低,播種效率不高,在實際應用中存在較多問題。因此,本文研究了基于AI機器人式的自動控制裝置,旨在提高播種質量和效率。

本文采用視覺、觸覺傳感器AI技術,在平原地區進行大規模、自動化式的播種,操作方法對專業技術要求不高,只需要根據播種農作物類型和區域設置,就可以自動化進行播種,不僅大大提升了工作效率,也減少了人工參與度,且精確率更高。

1 系統設計原理

本系統采用視覺傳感器監測播種機作業過程地面平整和避障控制,觸覺傳感器是根據土質軟硬度,便于播種機平衡進行播種操作。系統采用直流電機驅動排種器,要求直流電機和排種器轉速一致[2]。行走采用類似坦克鏈式車輪,對復雜地形有著良好的適應性,受阻力較小,方便播種機的作業速度,保證了準確反映播種機的真實作業速度。系統采用單片機作為主控制器,對路徑、區域、播種量等參數通過鍵盤進行設置,輸入單片機系統,再由單片機控制器根據設置的參數值,進行計算,完成自動控制播種作業[3]。

系統硬件由視覺傳感器單元、觸覺傳感器單元、單片機智能控制單元、人機接口單元和執行機構、通信模塊等6部分組成。系統軟件由觸摸屏模塊、數據處理模塊、智能控制模塊、電機驅動控制模塊等構成。由軟件驅動硬件,協調整個系統的控制過程,系統具有數據存儲、輸入端口/輸出端口、定時功能及中斷系統設定、數據的處理、對執行元件發出控制命令等功能。

本文仿真模擬系統以STM32F107工業級單片機為核心部件。配置兼容性良好的外部設備,如觸摸屏輸入/輸出模塊、視覺/觸覺傳感器驅動模塊、無線通信模塊、執行機構組成,如圖1所示。

圖1 播種機核心控制器組成及工作原理

當系統開機后,單片機內部進行初始化,主要是對觸摸屏顯示進行初始化、執行機構初始化、無線通信模塊的檢測,初始化后播種機處于待機狀態,這是人機界面顯示系統設置界面,操作人員根據土地平整度、區域范圍以及適合速度等參數進行設置,設置完成后,點擊“確定”,播種機開始工作。由于行動采用鏈式車輪,根據視覺傳感器的監測信號,匹配系統設置的參數,有序進行播種,種子會放到播種機預設的種子槽內。由于設置了區域范圍,所以播種機根據區域設定進行工作,不會出現不可控的情況,當出現障礙,視覺傳感器會回傳信息,智能控制器會根據情況,進行避障控制或停車控制。

2 播種機整機結構設計

2.1 播種機整機設計原則

系統設計要避免現有播種機播種后出現苗的布局不均勻以及疙瘩苗現象,播種器采用紗網排種方式,不僅提高了播種均勻性,還降低了成本。該機器的各項技術指標符合國家頒布的播種機標準,保證整機結構穩定性和耐用性[4]。

2.2 整機結構

新型小麥播種機主要由開溝施肥機架總成、穴播器總成、鎮壓輪、覆土裝置等組成,其中開溝施肥機架總成、穴播器總成如圖2—3所示。

圖2 開溝施肥機架總成示意

整機工作時,通過單片機控制的伺服電機驅動鏈式車輪進行前進和后退。車輪采用大小兩個輪子轉動,通過機器內部傳動裝置帶動肥料箱外的轉軸,通過螺旋式旋轉將肥料推到出料口,肥料自然導入開溝器,開溝器采用旋轉托盤進行施肥。在托盤上設計了一套刮土裝置,以便于清除黏土。

圖3 穴播器總成示意

當播種時,穴播器的托盤轉動、取種器將進入種子管道,將種子甩到類似鴨嘴的容器中,鴨嘴通過破土定穴將種子排刀適合的土層。鎮壓器轉動時將圖層壓實,覆土板將土覆蓋均勻,完成播種工作[5]。

2.3 穴播器的結構與工作原理

穴播器的結構主要包含主軸、取種器、鴨嘴、錐形彈簧、刮種器、觀察室、導種管和壓盤,如圖4所示。

圖4 穴播器的結構

穴播器通過鴨嘴導入取種器,再由主軸驅動錐形彈簧,同時視覺監控器配合主軸工作,主軸將種子導入導種管,在種子播種過程中,刮種器進行過濾,最后進入壓盤。

3 結語

目前,基于AI功能的播種器還屬于研究階段,本文的設計思路和模擬器還需要進一步完善和優化。但AI技術的應用對現代新農業的發展會起到非常重要的作用。