基于機器視覺的農業機器人自主作業設計*

孫 丹

（常州市高級職業技術學校，江蘇 常州 213161）

自古以來，農業就是經濟的基礎。隨著社會和科技的快速發展，工業、農業、服務業等眾多行業也發生了翻天覆地的變化，但是城鎮化的飛速發展也間接導致農業勞動力大幅減少，勞動力成本不斷上升。因此，農業機器人應運而生。農業機器人自出現以來，就得到了人們的廣泛好評。自主導航機器人、快速采摘機器人和其他多功能機器人的發展，極大地提高了我國農業生產效率。

1 農業機器人設計存在的問題

1.1 作業對象的復雜性

許多農作物非常容易受到損傷，這要求農業機器人在操作過程中柔軟靈活，以避免損壞作物。在不同農作物的生長過程中，它們生長速度不同、形狀不同，所以農業機器人的開發與使用也存在一定難度，大多是單一的農業機器人。

1.2 農業機器人操作對象的特殊性

農業機器人操作人員主要是種植農作物的農民，農民文化水平普遍比較低，農業機器人需要具備穩定性良好、故障率低、操作簡單等優點。此外，大多數農民以家庭為單位進行勞作。如果農業機器人的價格太高，就很難推廣。

1.3 農業機器人成本高

當前的農業機器人存在功能單一的情況，大多只能開展農作物種植、施肥、收獲等其中一項作業。例如，采摘機器人只能用于采摘，切割機器人只能用于切割操作，除草機器人只能進行除草操作[1]。所以，農業機器人的單一特性導致需要購買不同的農業機器人，以便在不同的生長階段處理相同的作物，這導致了高成本問題。

1.4 關鍵技術亟待完善

農業機器人具有非結構化特征，通常比較復雜，需要智能化農業機器人來適應復雜的工作環境，例如識別和避免障礙的能力。目前，農業機器人系統的智能化還需要進一步研究，當前水平無法滿足農業生產需求。所以，需要建立一個更加完善的農業機器人智能化系統，實現自主導航、機器視覺等關鍵技術，確保其精度和操作效率高。

2 農業機器人的總體設計方案

2.1 設計目標

本文設計的農業機器人自主作業的主要目標是農作物，包括糧食、蔬菜、水果等農作物。在這個項目中，主要原則是在作業工具不損壞農作物的前提下，開展農作物的日常澆水、施肥、除草等操作。所以，農業機器人需滿足以下幾方面的要求：1）在自主行走的基礎上，對于雜草或農作物進行識別，系統可以控制工具來有效管理檢測到的作物或雜草。2）在農業機器人自主運行期間，自主運行的精度也必須得到保證，即原則上必須達到準確率。3）對于不同的作業結構，必須易于組裝和更換，因此工作工具可以在必要時輕松更換，并且可以輕松地從現有操作轉換為其他操作。農業機器人系統自主運行工作原理圖如圖1所示。

圖1 農業機器人系統自主運行工作原理圖

2.2 作業工具裝置系統設計

農業機器人控制工具系統的組成包括作業工具、執行裝置。其中，作業工具主要用于噴灑操作中的噴灑作業、機械除草作業等；而執行裝置的組成包括兩個直線步進電機。常用的除草技術有機械除草技術、變量噴藥技術、熱除草技術、機電噴霧技術四種。機械除草切割器可分為圓盤式、滾刀式等多種類型[2]。

噴灑工具主要包括水箱、電磁閥、噴頭、水管等。電磁閥采用DC12 V二通電磁閥。當設備正常關閉時，噴頭也將關閉。在開展噴灑作業時，通過繼電器控制農業機器人通電，然后打開噴頭進行噴灑作業。在除草作業中，采用機械除草技術能夠減少化學除草劑使用量，保證農作物可以更好地生長。在選擇工具時，可以選擇設計相對簡單的圓盤式機械除草工具，其組成部分包括刀片、刀頭和連接軸等。操作工具時，只需控制直流電機的通斷，即可實現對刀具的控制。從配備的作業工具的角度來看，由于作物和雜草必須進行作業，所以農業機器人必須能夠水平和垂直移動，因此，經過全面分析，決定使用X-Z平臺，以提高農業機器人自主作業水平。因為該平臺不僅可以實現水平移動，還可以進行垂直移動。自主作業農業機器人的技術參數如表1所示。

表1 自主作業農業機器人的技術參數

2.3 圖像處理

在農業機器人系統中，機器視覺系統是重要的組成部分。從功能角度來看，機器視覺系統可分為單目機器視覺系統、雙目機器視覺系統。筆者選擇單目機器視覺系統，將其應用在農業機器人的導航、相關圖像處理、目標識別等方面。機器人視覺系統的工作原理為：利用圖像采集相機采集物體之后，將物體轉換成圖像信號，并通過數據線、串行端口，將圖像信號傳輸給專用的圖像處理軟件，并結合圖像信號中的像素、亮度、顏色等信息，將圖像信號轉換成數字信號，從而得到需要的信息[3]。

機器人視覺系統中的硬件組成包括：圖像采集設備、圖像處理系統、計算機、照明設備，在夜間使用時可以考慮增加照明系統。圖像采集設備通常是根據農業生產的實際需要和成本效益比進行選擇；圖像處理系統通常可以使用MATLAB軟件編寫相關程序；計算機是這項技術的主要載體，圖像采集系統、處理系統均是以計算機為載體，需要根據系統操作環境和相關設備的要求選擇計算機。

圖像處理組成主要有圖像采集、彩色圖像分割、形態學處理、雜草與作物坐標的確定四個模塊[4]。圖像采集模塊的功能是控制攝像機采集圖像；彩色圖像分割模塊主要負責將圖像中的綠色作物和土壤分離，從而得到作物圖像；形態學處理模塊負責進行雜草和農作物的識別；雜草和作物坐標的確定模塊負責確定農作物坐標和雜草坐標，實現雜草和農作物具體位置的準確定位，從而提高農業機器人自主作業的準確性[5]。

2.4 控制系統設計

農業機器人應十分重視控制系統設計，因為該系統是農業機器人自主運行的關鍵部分，是實現其自主操作和各種操作的主要支撐模塊。筆者設計的農業機器人控制系統涉及硬件和軟件兩大部分[6]。控制系統的硬件由上位機硬件系統和下位機硬件系統兩部分組成。其中，上位機硬件系統需完成圖像采集和處理系統的操作，因此需要相對較高的速度來計算和處理圖像信息[7]。其中，微控制器模塊負責實現和上位機的數據通信，然后處理數據，控制農業機器人相應機構執行一系列的操作，從而完成農業機器人的作業任務。不同的控制器參數情況如表2所示，中級微控制器可以滿足本研究需求，選擇Basic ATOM系列的單片機Basic ATOM Pro40。另外，有必要考慮戶外工作的具體條件。上位機系統通常應具備防墜落、防水和電池長期運行的特性，并可選擇堅固型的工程筆記本電腦；下位機硬件系統的組成則主要有單片機電源模塊、步進電機驅動模塊。在設計下位機硬件系統時，需要考慮到簡單、舒適、經濟、實用、易于維護和方便升級等需求[8]。

表2 不同微控制器參數對比

農業機器人系統中，不僅要具備硬件系統，還需要相應的軟件系統。軟件系統主要是完成各種既定要求動作的程序，所以對于軟件系統的準確性和穩定性具有較高的要求[9]。從農業機器人的軟件系統來看，其必須具備簡單性、準確性、穩定性等特點。從農業機器人控制系統的角度來看，控制軟件系統的組成包括自主行走導航、自主作業兩個部分。其中，自主行走導航的組成包括上位機系統中的自主導航軟件系統、作物與雜草定位軟件系統；而自主作業則是由下位機系統中的作業工具軟件系統、運動軟件系統所構成的[10]。必須根據作物管理的需要以及生長情況來靈活設計適當的程序和流程。

3 總結

綜上所述，農業機器人有助于農業農村現代化發展，能夠在一定程度上解放勞動力，提高農作物的種植質量，提高農業生產效率。隨著現代技術的發展，農業機器人的自主作業體系設計也需要根據農業的實際作業需求進行。總之，農業機器人是未來農業發展的主流方向，必將助推鄉村振興。