化肥農(nóng)藥智能噴灑機器人系統(tǒng)的研究

胡寧峪，莫名韶，黃宇婧，韋雅曼，莫 莉，鄒穎豐

（1.南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008；2.廣西廣播電視技術(shù)中心，廣西 南寧 530022）

0 引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的農(nóng)田農(nóng)藥化肥噴灑作業(yè)方式多為固定式噴灑，不僅效率低、功能簡單，且勞動成本高，無法高效推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)及檢測技術(shù)等方面的進步，通過提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)裝備的智能化水平已經(jīng)成為當前農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展趨勢[1]。將智能控制技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，通過深入研究移動機器人及噴灑裝備相關(guān)技術(shù)，幫助農(nóng)民找到高效而可持續(xù)的辦法。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，勞動者通常使用無人機對農(nóng)田進行農(nóng)藥、化肥或除草劑的噴灑，以避免直接接觸農(nóng)藥，不僅安全還能降低勞動強度；同時，通過對噴灑機器人噴藥量的精確控制，還能提升效率及作業(yè)質(zhì)量，減輕對環(huán)境的污染，實現(xiàn)精準施肥施藥。雖然目前應(yīng)用無人機進行農(nóng)藥化肥噴灑技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，但無人機進行施肥施藥具有購買成本高、維護成本高、危險系數(shù)高、操作人員需要有很強的專業(yè)知識和較高的飛行器控制技能以及無法應(yīng)用大棚種植領(lǐng)域等缺點。

針對上述無人機噴灑缺點進行農(nóng)藥化肥智能噴灑機器人系統(tǒng)研究。通過設(shè)計出以蓄電池作為電源，使用電動機為動力的農(nóng)業(yè)智能噴灑機器人模型，深入研究并設(shè)計機器人行走系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)及噴灑系統(tǒng)等模塊，將計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、GPS 技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)等集成在該噴灑機器人上，實現(xiàn)可在無人干預(yù)的情況下根據(jù)規(guī)劃的路徑，自主完成農(nóng)作物農(nóng)藥和化肥的噴灑作業(yè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計思路

農(nóng)藥化肥智能噴灑機器人主要由RTK 定位系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、噴灑控制系統(tǒng)、行走機構(gòu)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、可旋轉(zhuǎn)噴灑系統(tǒng)、農(nóng)藥儲料箱及電源等模塊組成。噴灑機器人可在田間通過RTK 定位系統(tǒng)實現(xiàn)對預(yù)設(shè)路徑的自動定位和導(dǎo)航，通過行走機構(gòu)自行在田間行走。通過傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)對農(nóng)藥儲料箱的液位進行監(jiān)測，可旋轉(zhuǎn)噴灑系統(tǒng)可在噴灑控制器系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)噴灑農(nóng)藥。電源部分通過可蓄電池，實現(xiàn)對噴灑機器人各個用電模塊的供電。

1.1 定位系統(tǒng)

對于定位系統(tǒng)，目前常用的定位系統(tǒng)為GPS，但普通GPS 的定位精度大于1 m，信號誤差有50%的概率會達到2 m 以上。另外，GPS 的定高不夠精確，誤差可能高達十幾米。為了提高智能噴灑機器人的定位精度，本設(shè)計采用目前在無人駕駛車輛中被廣泛應(yīng)用的RTK 定位技術(shù)，即載波相位差分技術(shù)。RTK 定位技術(shù)能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結(jié)果，對位置的測量能夠?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)檢測，達到厘米級精度[2]。通過這種方法將GPS 定位精度由原來的米級提高到厘米級。圖1 所示為RTK 技術(shù)原理圖。

圖1 RTK 技術(shù)原理

通過將RTK 技術(shù)應(yīng)用到噴灑機器人的定位系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)對噴灑作業(yè)位置的準確監(jiān)控，只有這樣，才能讓噴灑小車精確行走于田間，提高噴灑的準確性和有效性。

1.2 導(dǎo)航控制系統(tǒng)

作為噴灑機器人中樞部分的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，主要負責(zé)引導(dǎo)噴灑機器人的移動、控制和協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)工作。研究內(nèi)容為根據(jù)需求確定一個高精度、低成本的導(dǎo)航系統(tǒng)方案，使噴灑機器人能實現(xiàn)根據(jù)規(guī)劃的路徑自主完成噴灑作業(yè)，并能根據(jù)環(huán)境及自身狀態(tài)自主修正工作狀態(tài)，保障作業(yè)的順利進行。另外還需要根據(jù)上訴需求確定一個性能滿足要求、穩(wěn)定可靠的硬件平臺。其主要功能為：

（1）實現(xiàn)多種控制功能，可人工操作、智能控制、遠程控制。

（2）實現(xiàn)路徑規(guī)劃功能，可以將數(shù)據(jù)調(diào)用。

根據(jù)上訴設(shè)計思路，導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計以APM 開源飛行控制軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)計需求進行二次開發(fā)，以Pixhawk 飛控作為導(dǎo)航控制系統(tǒng)，搭載STM32F427 作為控制核心。整個導(dǎo)航控制系統(tǒng)包含Pixhawk 控制模塊、基于RTK 技術(shù)的導(dǎo)航模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及遙控器模塊等。其軟件為APM 開源飛行控制軟件。

1.3 行走機構(gòu)系統(tǒng)

作為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，行走機構(gòu)系統(tǒng)部分主要研究的是選用何種形式的行走機構(gòu)，以達到在田間能夠平穩(wěn)、靈活和高效的移動且對作物影響最小這一目的[3]。其主要功能如下：

（1）機械結(jié)構(gòu)滿足行走、轉(zhuǎn)彎、后退，越障后所需要的動力。

（2）機械結(jié)構(gòu)滿足受力強度。

（3）機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)適應(yīng)不同的田間壟的間距。

對于行走機構(gòu)，在研究各種行走機構(gòu)的優(yōu)缺點后，本設(shè)計采用四輪輪轂搭載機架作為行走機構(gòu)，通過兩輪轂差速進行轉(zhuǎn)向，該方案的優(yōu)點在于車輪在田地里通過性更強。同時，差速轉(zhuǎn)向可實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向，且控制簡單。

1.4 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)用于獲取機器人自身及周圍環(huán)境的狀態(tài)，主要功能是確定機器人系統(tǒng)正常作業(yè)需要收集的自身及環(huán)境狀態(tài)，以及采集這些狀態(tài)需要使用何種傳感器。具體功能如下：

（1）地形檢測，能夠測量作業(yè)區(qū)域的路徑并記錄。

（2）運行狀態(tài)檢測，能夠檢測出機器人的運行速度和加速度。

（3）檢測電量的功能。

1.5 噴灑系統(tǒng)

噴灑系統(tǒng)的研究內(nèi)容為分析大多數(shù)作物的形態(tài)，以增加噴灑作業(yè)的高效與經(jīng)濟性為目標，確定噴灑系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)、藥物的噴灑密度和覆蓋范圍。具體功能如下：

（1）自動實現(xiàn)噴灑，噴頭可進行360°旋轉(zhuǎn)。

（2）操作簡單方便，成本低。

（3）性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)作業(yè)穩(wěn)定。

針對各系統(tǒng)模塊進行設(shè)計，如圖2 所示為最終智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人總體設(shè)計架構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)

2 硬件電路實現(xiàn)方案

2.1 硬件平臺

智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人Pixhawk 飛控是由蘇黎世理工大學(xué)推出來的高性能飛控硬件板，板上搭載了STM32F4 系列高性能32 位單片機以及陀螺儀和電子羅盤等傳感器，同時有豐富的外部接口，可用于連接GPS 模塊、通用遙控器、舵機和電機等豐富的外部設(shè)備，配合APM 飛控程序?qū)崿F(xiàn)噴灑小車的手動控制和自動導(dǎo)航控制。

2.2 RTK 導(dǎo)航

采用赫星Here3 RTK 導(dǎo)航定位模組，該模組由移動站和基準站組成。如圖3 所示為模組采用高可靠載波相位差分技術(shù)，可消除星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差、星間鐘差等多種測量誤差等。基準站的模組，差分接口輸出RTCM2.x/3.x 標準數(shù)據(jù)流。同時提供網(wǎng)絡(luò)RTK 的參考設(shè)計，可通過網(wǎng)絡(luò)向全部移動站分發(fā)差分數(shù)據(jù)流。模組靜態(tài)相對定位精度小于1 cm，中等動態(tài)相對定位精度小于2 cm，輸出速率1～10 Hz，完全滿足智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人應(yīng)用場景的需求。

圖3 赫星Here3 RTK 導(dǎo)航定位模組

2.3 傳感器

智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人采用以激光雷達傳感器為主的傳感器設(shè)計方案。激光雷達傳感器采用YDLIDAR X3 型旋轉(zhuǎn)式激光雷達傳感器。該型傳感器可以0.6°的角分辨率，8 m 的探測距離，360°的掃描周圍環(huán)境中的物體，并反饋回與其的距離，最終形成周圍環(huán)境的點圖供控制器進行判斷。激光雷達傳感器相較于超聲波傳感器，具有探測距離遠探測范圍，物體定位精度高等特點，結(jié)合本文智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人的實際使用工況，激光雷達傳感器能更好地反饋農(nóng)田復(fù)雜的環(huán)境信息，有利于智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人合理規(guī)劃前進路線。

2.4 數(shù)據(jù)通信

為使噴灑機器人能實時的與上位機通信，保證上位機對其狀態(tài)的監(jiān)控，本項目采用了藍牙數(shù)傳模塊HC-05 作為噴灑機器人的數(shù)據(jù)傳輸模塊，藍牙無線通信應(yīng)用廣泛，大多數(shù)筆記本電腦都支持藍牙通信。這樣在上位機端就無需另外配備接收設(shè)備即可與噴灑機器人進行通信。同時，HC-05 模塊支持藍牙串口協(xié)議SPP，可直接將其與Phxhawk 上的TELEM 數(shù)據(jù)口連接，無需附加其他轉(zhuǎn)換設(shè)備。上位機方面當PC 與HC-05 配對后，會自動生成一個虛擬的COM 口，Mission-Planner 可直接選擇該COM 口與Phxhawk 進行通信。

2.5 遙控系統(tǒng)

智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人遙控系統(tǒng)由富斯FSI6 6 通道遙控器及FS-IA6B 接收機組成。如圖4 所示為富斯FS-I6 6 通道遙控器，它除基本的油門及3個方向的搖桿外，還包含4 個撥動開關(guān)及兩個旋鈕，支持輸出通道自由映射。FS-IA6B 接收機支持6 通道PWM/PPM 輸出及電池電壓回傳等功能。通過該套遙控設(shè)備，可以高效的對智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人進行手動控制、工作模式切換及緊急工況人為干預(yù)等操作。

圖4 FS-I6 遙控器及FS-IA6B 接收機

3 軟件實現(xiàn)方案

3.1 主控軟件

噴灑機器人主控軟件采用APM 開源飛行控制軟件進行機器人操作系統(tǒng)，該軟件支持多旋翼、固定翼、直升機和無人駕駛車等無人設(shè)備，支持多傳感器數(shù)據(jù)融合，支持GPS 定位和航線規(guī)劃等多種功能，上位機上APM 開源飛行控制軟件支持MissionPlanner 軟件的MAVLINK 通訊協(xié)議，可以通過MissionPlanner 對噴灑機器人的各個設(shè)備進行監(jiān)控和配置[4]。APM 飛行控制軟件包含大量的可配置參數(shù)，可根據(jù)被控對象和使用場景靈活設(shè)置。

同時由于其是開源程序，可以很方便根據(jù)項目需要自行對APM 源代碼進行二次開發(fā)。本文在APM 原有航點巡航功能基礎(chǔ)上，添加了結(jié)合激光雷達傳感器反饋信息的路徑規(guī)劃功能及農(nóng)藥噴灑控制功能，使智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人達到使用要求。

3.2 MissionPlanner

MissionPlanner 是一個功能十分強大的通用無人載具上位機監(jiān)控軟件，支持無人車輛、固定翼無人機、多旋翼無人機等設(shè)備。如圖5 所示為MissionPlanner軟件界面。

圖5 MissionPlanner 軟件

MissionPlanner 軟件可實現(xiàn)對無人車輛、固定翼無人機、多旋翼無人機等設(shè)備的固件更新、狀態(tài)監(jiān)控以及參數(shù)配置等基本功能。此外，MissionPlanner 還具有可視化路徑規(guī)劃功能，可以高效的對所要途徑的航點精選標記并下載到設(shè)備中。如圖6 所示為Mission-Planner 軟件航點規(guī)劃功能。

圖6 MissionPlanner 軟件航點規(guī)劃功能

4 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

噴灑機器人設(shè)計過程中不僅需要對設(shè)計思路逐個進行理論可行性分析，對于硬件系統(tǒng)還需要進行組裝和調(diào)試[5，6]。硬件設(shè)計是智能保證噴灑機器人能夠在田間對作物進行藥物噴灑的重要基礎(chǔ)，其設(shè)計包括機架、輪轂和噴頭等部分。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7 所示。

圖7 噴灑機器人硬件設(shè)計

智能農(nóng)藥化肥噴灑機器人機械結(jié)構(gòu)使用弓形板及機架作為機器人的底部機架支撐部分。為了方便行走于凹凸不平的田間，在機架的兩側(cè)分別設(shè)置四個輪轂，在機架前端的兩個輪轂與驅(qū)動電機傳動連接，其中驅(qū)動電機位于機架的前端的左右兩側(cè)，且驅(qū)動電機驅(qū)動連接減速機，同時驅(qū)動電機的殼體海域減速機固定連接；減速機固定安裝在兩塊弓形板之間，減速機的輸出軸驅(qū)動連接輪轂；機架的頂部固定安裝有一個安裝架，將噴頭設(shè)置在安裝架的前端，且噴頭固定安裝在旋轉(zhuǎn)裝置上，方便進行范圍更廣的噴灑。

智能噴灑機器人為前輪驅(qū)動，通過驅(qū)動電機可以驅(qū)動輪轂轉(zhuǎn)動從而帶動機器人行走田間，通過舵機驅(qū)動噴頭的轉(zhuǎn)向，可以在田間對作物進行藥物的噴灑。

5 結(jié)語

本文選用一塊約100 m2的實驗苗圃進行測試。測試前先在田間隨機位置放置藥量測試卡，用于檢測噴灑機器人的噴灑覆蓋效果。在將該田地測量所得到的相關(guān)坐標及路徑規(guī)劃參數(shù)導(dǎo)入噴灑機器人后，機器人成功按照預(yù)設(shè)路徑進行了噴灑作業(yè)。藥量測試卡測試結(jié)果顯示，噴灑覆蓋率達到90%以上，這一結(jié)果驗證了RTK 定位技術(shù)用于農(nóng)田定位導(dǎo)航的可行性，以及輪式行走機構(gòu)在田間的通過性。

后續(xù)，農(nóng)藥化肥智能噴灑機器人還計劃在易用性和通用性相關(guān)方向上深入研究，優(yōu)化人界見面，簡化路徑規(guī)劃設(shè)置操作，縮短整備時間。同時，將噴灑結(jié)構(gòu)進行模塊化改造，設(shè)計適配不同種類不同高度的農(nóng)作物的噴頭及相關(guān)結(jié)構(gòu)，使其能更加符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)噴灑作業(yè)的需求。