基于機器視覺技術的大棚農作物噴藥機器人設計與實現

方弄玉，莫梓柔，黃軍輝，楊 娜，鄒心遙

（廣東農工商職業技術學院，廣州 510507）

我國是世界溫室農業大國，據相關統計數據顯示，溫室大棚面積居世界第一，占世界溫室總面積50%以上[1]。傳統的大棚和溫室噴藥作業大多采用人工背負沉重藥箱噴藥方式，而該方式因工作人員與藥物近距離接觸，缺乏保護裝置，在施藥過程中易對人體造成傷害[2]，每年因施藥中毒案例頻頻發生[3-4]，而濫用農藥也給生態環境造成很大危害。隨著科技發展，農業生產取得空前進步，農業機器人應用也得到推廣和認可。自動化生產機器人能實現對整個流程的操作執行，對大棚溫室栽培來說，如育苗、嫁接、采摘等都可通過機器人進行調控，實現溫濕度控制及除蟲除草系列要求。且機器人的應用優勢不止于此，其作用范圍較廣，能用于農田灌溉、噴灑農藥等[5]。我國為農業大國，但農用機械技術應用相對落后，噴藥類機械和技術應用尚未成熟，農業除草殺蟲存在效率低、強度大、危害大、農藥利用率低等問題。為有效解決這些問題，需加大對噴藥機器人的研究。在噴藥機器人的諸多性能中，精準噴藥和自主導航是重要內容。普通噴藥方式較粗放，對防治目標沒有選擇性，不利于節約成本，還會引起環境污染。因此，有研究人員根據應用需求研發精準噴藥裝置，能根據雜草的高矮、位置、密度等有效控制噴藥劑量，從而減少農藥的浪費，間接保護環境，符合現代化農業應用需求[6]。

1 噴藥機器人總體結構設計

本項目設計一種大棚農作物智能噴藥機器人，機器人由底盤、輪子-履帶復合行走機構、噴藥升降支架、噴藥裝置及控制器、傳感器等組成，能實現機器人自由行走于復雜路況，并調整高度選擇作物噴灑農藥等功能；在噴藥機器人自主行走和分辨雜草功能上，采用基于機器視覺技術的OTSU 圖像分割算法檢測農作物的中心線以識別路徑并規劃行走路線，通過視覺傳感器檢測形狀和顏色進而辨別雜草和農作物；使用ARM9 處理器對采集圖像進行算法處理，最后驅動噴藥裝置執行對靶精準噴藥。系統的研發為實現噴藥的精準、安全、智能、無人管理等提供依據[7-8]。

1.1 機械結構設計思路

圖1 為機器人結構，其結構特點較為突出。機械結構的連接特點對機器人穩定運行有著重要作用，在設計過程中，盡可能使機器人結構簡單、輕盈、緊湊。為了讓機器人能更好地在不平整路面穩定行走，沒有使用常見的輪式機構，而采用輪子-履帶復合式特殊設計的行走機構。

圖1 機器人結構

1.2 關鍵結構設計

1.2.1 行走機構

機器人行走底盤結構設計時需滿足以下條件：①其行走機構需適應復雜的地面環境，能實現平穩直行、轉彎，不碰撞農作物造成傷害。②能承受藥液箱、支架、噴霧執行機構、各種監測傳感器及控制板的重量，以及在工作中的壓力問題。③能通過電池或電纜提供電力作為動力。目前機器人的行走方式主要有兩種：仿生機構（仿人或動物）及輪式或履帶式機構。其中輪式因速度快、運轉靈活被普遍應用，但在路況復雜的土壤環境中，輪式機器人如負荷較重，會壓實土壤不利于作物生長。而履帶式機構雖速度慢、運轉不靈活，但因接觸面大，碾壓力小，能更好地適應凹凸不平的地面。輪子-履帶復合機構可結合兩者優點，實現在土壤上平穩直行、轉彎、跨越溝壑等動作。

圖2 為全自動噴藥機器人輪子-履帶復合型結構，結構特點明顯，內部結構以軸輪旋轉的方式連接，4 個電機控制能保證4 個擺臂轉動，前后輪分為從動輪和主動輪，電機帶減速裝置，實現更大力矩輸出，通過控制兩個輪子之間速度差，可實現直行與轉彎等。

圖2 全自動噴藥機器人輪子-履帶復合型結構

圖3 為機器人在不同面上的運行圖，可知，在平地上，機器人輪子與地面接觸，履帶處于抬起模式 (見圖3（a）) ；在斜坡路面時，通過調整擺臂，可讓輪子、擺臂處在適當位置，實現機器人平衡和穩定 (見圖3（b）) ；當在跨越洼地或溝壑時，可通過調整搖臂，實現洼地位置輪子懸空模式順利通行 (見圖3（c）)。

圖3 機器人在不同路況工作時的運動示意

1.2.2.噴霧執行機構

機器人的噴霧系統主要由藥液箱、支架、噴霧桿、噴霧執行機構組成。噴霧執行機構選用重量較輕、便于拆裝的鋁合金材料搭建；驅動電機選擇舵機，其穩定性好，電機輸出扭矩大，無需再配備驅動器。由圖4 可知，采用兩個舵機，舵機1 用于控制噴藥裝置使其可在水平面自由360度旋轉噴灑農藥；舵機2 可在豎直面上向上或向下噴灑，從而覆蓋不同高度的農作物。在安裝過程中，考慮噴頭承重較大，因此采用兩齒輪1：1傳動來傳遞動力控制舵機；圖中噴頭可通過調節出水量實現直線或噴霧式噴灑農藥。

圖4 噴霧執行結構

1.2.3 藥液箱

選用材質輕盈且耐腐蝕性好的塑料箱，其重量輕，可降低噴藥機器人的負荷。考慮到噴藥機器人行走的路面凹凸不平，藥液箱在行走過程中會出現來回晃動或傾倒，設計時在藥液箱內部采用隔板進行空間分隔來解決該問題。

2 硬件電路結構設計

電路硬件設計思路見圖5。ARM9 為電路核心部件，通過RS232 串口發送指令驅動機器人底盤的6 個電機，實現噴藥機器人輪子轉動和搖臂的擺動；同時發送指令給水泵電機控制器和伺服驅動器，控制水泵抽水和升降架的升降，實現噴霧執行機構對高低不同作物噴藥動作。同時使用多種傳感器檢測外界信號，霍爾傳感器用于檢測農藥噴霧裝置是否旋轉到位，如是，ARM9 輸出PWM 波，通過控制PWM 的占空比從而控制兩個舵機，實現噴霧裝置旋轉噴藥和豎直方向上下噴藥。在機器人前后均安裝超聲波傳感器，并在機身安裝視覺傳感器，通過傳感器能夠準確定位噴霧位置，借助于計算機分析精準指標，并將數據傳輸給控制芯片ARM9，通過ARM9 調用避障程序或驅動升降臺到目標位置，調用自動噴藥程序實現避障和噴藥操作；用于測量水壓的壓力傳感器和測量噴藥流速的流量傳感器藏匿于管道內，通過閉環PID 恒壓和恒流量控制，精準噴灑農藥，有效避免浪費[9-10]。

圖5 硬件電路結構

2.1 主控制板ARM9

噴藥機器人含多路傳感器信號和多控制對象，同時需要機器視覺技術、PID 算法完成復雜計算，接口需求多，數據處理能力要高，使用ARM9 主控器能滿足本設計任務需求。

2.2 壓力、流量傳感器及霍爾傳感器

噴灑農藥時，根據作物高低、大小、密度控制好噴藥劑量以及管道中藥液的壓力和流量。本項目通過壓力、流量傳感器使整個噴藥裝置形成閉環系統，采用自適應模糊PID 控制算法，共同檢測壓力和流量值，相對傳統PID 算法參數動態調整難的問題，能較好地調整噴藥系統使之穩定噴藥作業。由于噴藥執行裝置由兩個舵機控制，一個可360 度自由旋轉，為準確確定噴頭到達位置，安裝了3 個霍爾傳感器來檢測，在噴藥器檢測距離標準范圍內，使噴頭能在大約180 度的范圍內旋轉，以便檢測左右農作物時，噴頭能快速做出響應。

2.3 電機驅動模塊

本項目所選用的微型泵電路具有1 個使能信號、2 個方向信號和3 個控制信號。微型泵的驅動電路為H 橋驅動電路，通過PWM 波為傳輸信號，對控制信號進行多角度調整，從兩個方向進行傳輸，實現反向制動要求。通過調節PWM 的占空比來實現對電路的導通與關斷，使直流電機能夠穩定運行，轉動速度滿足運行標準。

3 程序設計

本項目采用C 語言對ARM9 控制芯片進行程序編寫，編程效率高。噴藥機器人任務主要包括：自主導航、主動避開障礙、辨別雜草和農作物、精準選擇農作物對靶噴藥等。在噴藥機器人底盤四周安裝超聲波傳感器實現主動避障功能和沿農作物種植范圍自主行走，而視覺傳感器能很好地區分農作物和雜草。機器人主程序流程見圖6[11-12]。機器人噴藥程序及避障程序見圖7 和圖8。

圖6 主程序流程圖設計

圖7 機器人噴藥程序

圖8 機器人避障程序

本項目中電機的行走控制通過4 個直流減速電機實現，直流減速電機的轉換器通過控制齒輪的速度實現，將電動機的回轉數減到所要的回轉數，從而得到較大轉矩；其主要優點是調速范圍寬、便捷，過載、啟動、制動轉矩都很大，可靠性高，耗能較低。在控制電機過程中融合了PID控制算法，通過PID 的偏差，從而控制PWM 的占空比大小，進而控制電機輸出電壓的高低，使直流電機在帶負載下也能穩定運行。PID 控制原理見圖9[13-14]。

圖9 PID 控制原理

PID 算法公式如下：

式中：e——偏差 ，KP——比例因子，KI——積分因子，KD——微分因子，U0——為電壓初值。

公式中的KP、KI、KD三個參數可調，通過試驗機器人啟動、制動、減速過程，發現在轉彎減速行駛中KP=4 、KI=1 、KD=2 可快速響應且系統較為穩定；在直線快速運動中，KP=3、KI=2、KD=0，機器人能達到最穩定運行效果。

4 調試結果與分析

大棚農藥噴藥機器人經調試能獨立自主行走和噴藥。調試結束后，分析機器人的ARM9 采集的視覺圖像數據，其識別雜草及噴藥成功率見表1。

表1 機器人不同時段識別雜草成功率及噴藥成功率

調試結果表明，白天雜草識別率和噴藥成功率明顯高于夜晚，平均值達83.3%和80.7%。主要是夜間光照強度不足，而采用單一光源補光不利于視覺系統識別。后期需進一步優化視覺系統夜間識別技術，優化和改進噴藥技術，提高成功率。

5 結論

采用上述方法設計的大棚農作物噴藥機器人，基于機器視覺技術的OTSU 圖像分割算法檢測農作物中心線以識別路徑并規劃行走路線，并利用視覺傳感器區別雜草和農作物的顏色和形狀，效果較好。

①大棚農作物圖像信息復雜，處理難度較大，為提高圖像信息處理效率，通過灰度處理方式使圖像采集更加有序。在圖像RGB 空間中，土壤中R 值和B 值較為突出，通過多種方法對比，發現采用 OTSU 圖像分割算法可高精度識別雜物。大棚農作物噴藥機器人在不同光照強度下識別雜草成功率約為83.3%（白天）和78.9%(夜晚)，農藥噴藥成功率約為80.7%（白天）和75.7%（夜晚）。

②輪子-履帶復合機構可結合輪式和履帶的優點，在路況復雜的土地上平穩直行、轉彎、跨越溝壑等。經電機反復測試，該結構較好地適應大棚路面，在轉彎減速行駛中KP= 4 、KI=1、KD=2 可快速響應，且系統較穩定；在直線快速運動中，KP=3、KI=2、KD=0 運行效果最穩定。

③噴灑農藥時，由于所需劑量不同，控制好管道中藥液的壓力和流量是重點任務。本項目通過壓力、流量傳感器使整個噴藥裝置形成閉環系統，采用自適應模糊PID 控制算法，共同檢測壓力和流量值，能較好地調整噴藥系統使之穩定作業。