遙操作農(nóng)田信息采集機(jī)器人控制系統(tǒng)研究

程玉柱，陳勇，王紅星，胡娜，沈旭

摘要：提出了一種基于遙操作機(jī)器人的農(nóng)田信息采集方法，設(shè)計(jì)了新型農(nóng)田信息采集機(jī)器人的控制系統(tǒng)并制造了移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)。主控計(jì)算機(jī)與車載網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)構(gòu)成無(wú)線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)圖像傳輸。在遙操作模式下，操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)導(dǎo)航軟件控制機(jī)器人的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遙控導(dǎo)航和信號(hào)采集，可為精確農(nóng)業(yè)提供原始數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人工作可靠性高、穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田信息采集；機(jī)器人；遙操作；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：Ｓ１２７文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０12）14－3080-04

Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ Ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｆｉｅｌｄｓ

ＣＨＥＮＧ Ｙｕ－ｚｈｕ，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｘｉｎｇ，ＨＵ Ｎａ，ＳＨＥＮ Ｘｕ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． A ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ ｒｏｂｏｔ was presented； a ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ was designed； ａｎｄ ａ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ was developed． Ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｍｅｒａ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅd ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｉｍａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ． Ｉｎ ｔｅｌｅ－ｏｐｒａｔｅｄ ｍｏｄｅ， ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｏ realize ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ which could ｐｒｏｖｉｄｅ ｒａｗ ｄａｔａ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃould ｗｏｒｋ with ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆｉｅｌｄｓ； ｒｏｂｏｔ； ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ

“精確農(nóng)業(yè)”技術(shù)是２１世紀(jì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化的重要內(nèi)涵和目標(biāo)，農(nóng)田信息的采集是實(shí)現(xiàn)“精確農(nóng)業(yè)”的前提［１，２］。因此，研究和設(shè)計(jì)一種全面、實(shí)時(shí)的農(nóng)田信息采集方法和裝備具有重要意義。

農(nóng)田信息包括氣象、土壤、水肥等環(huán)境信息和農(nóng)作物生長(zhǎng)信息，根據(jù)農(nóng)田信息來(lái)控制農(nóng)藥、水肥等的投入水平，可以有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率［３］。國(guó)外農(nóng)田信息采集主要研究有：Iida等［４］開(kāi)發(fā)了六足昆蟲(chóng)機(jī)器人，利用風(fēng)速儀和氣體傳感器，探測(cè)農(nóng)田風(fēng)速、定位ＣＯ２氣體；Ｍｕｒａｋａｍｉa等［５］開(kāi)發(fā)了遙控農(nóng)業(yè)機(jī)器車，利用谷歌地圖進(jìn)行導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)多種農(nóng)田操作；Garcia等［６］利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分布式農(nóng)田視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。國(guó)內(nèi)信息采集方法主要有手持傳感器定點(diǎn)采集樣本、結(jié)合３Ｓ技術(shù)信息采集、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集。沈明霞等［７］開(kāi)發(fā)了基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的農(nóng)田信息實(shí)時(shí)采集終端；蔡義華等［８］設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田信息采集節(jié)點(diǎn)等。

本研究設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線局域網(wǎng)的遙操作農(nóng)田信息采集移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)，可在機(jī)器人行進(jìn)的過(guò)程中流動(dòng)地采集農(nóng)田數(shù)據(jù)信息，可靠性高，穩(wěn)定性好。

１信息采集機(jī)器人工作方式

農(nóng)田信息采集機(jī)器人在遙控操作模式下工作，操作人員在個(gè)人計(jì)算機(jī)前觀察由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)傳回的農(nóng)田視頻圖像，通過(guò)導(dǎo)航軟件遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遙控和農(nóng)田信息采集；農(nóng)田信息分析軟件嵌入Ｓｕｒｆｅｒ等值線繪圖軟件，生成并顯示農(nóng)田多維信息圖層，以便農(nóng)業(yè)科技人員科學(xué)地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

２信息采集機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

２．１控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)田信息采集系統(tǒng)主要由移動(dòng)機(jī)器人和個(gè)人計(jì)算機(jī)兩大部分組成，如圖１所示。移動(dòng)機(jī)器人車體上搭載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、導(dǎo)航控制器、射頻通信單元、農(nóng)田信息采集單元等；個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)多種功能，包括農(nóng)田信息采集、遙操作導(dǎo)航、無(wú)線視頻圖像傳輸、農(nóng)田信息分析等。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、無(wú)線路由器和個(gè)人計(jì)算機(jī)構(gòu)成無(wú)線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和個(gè)人計(jì)算機(jī)之間的視頻圖像傳輸。操作人員根據(jù)農(nóng)田視頻圖像，通過(guò)射頻發(fā)射裝置向移動(dòng)機(jī)器人發(fā)送遙操作導(dǎo)航指令和農(nóng)田信息采集等指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和信息采集。

２．２無(wú)線局域網(wǎng)（ＷＬＡＮ）

個(gè)人計(jì)算機(jī)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)構(gòu)成的局域網(wǎng)采用ＩＥＥＥ ８０２．１１協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，２．４ ＧＨｚ頻段，ＯＦＤＭ調(diào)制技術(shù)，能夠與Ｗｉ－Ｆｉ互聯(lián)互通；本研究選用Lｉｎｋｓｙｓ公司的ＷＶＣ２００無(wú)線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，具有ＭＰＥＧ－４高壓縮率的視頻解壓縮技術(shù)，傳輸圖像通過(guò)ＷＲＴ５４Ｇ路由器實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)５４ Ｍｂｐｓ，１２８位ＷＥＰ加密，ＰＣ機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡接收?qǐng)D像。

２．３機(jī)器人車體主控制器

機(jī)器人車體主控制器包括導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制器與射頻通信單元。

導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)控制器包括：微控制器（圖２－ａ）、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（圖２－ｂ）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（圖２－ｃ）；射頻通信單元包括射頻信號(hào)接口電路（圖２－ｄ）和射頻收發(fā)器。

硬件原理圖采用Pｒｏｔｅｌ ９９ＳＥ設(shè)計(jì)，軟件由Ｋｅｉｌ Ｃ編寫(xiě)。微控制器選用速度快、實(shí)時(shí)性好、端口多的單片機(jī)Ｃ８０５１Ｆ３４０。單片機(jī)通過(guò)射頻信號(hào)接口電路Ｊ７與射頻收發(fā)器Ｃｙ３１９８ＴＲ相連收發(fā)無(wú)線信號(hào)；單片機(jī)根據(jù)指令并采用基于ＰＷＭ的ＰＩＤ［９］控制算法，通過(guò)Ｌ２９８驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、越障等閉環(huán)控制；地面崎嶇造成機(jī)器人平臺(tái)有較大傾斜時(shí)，Ｌ２９７、Ｌ２９８等驅(qū)動(dòng)兩路步進(jìn)電機(jī)，由絲杠等機(jī)構(gòu)控制車體平衡，保持?jǐn)z像機(jī)穩(wěn)定。

其中，ＴＬＰ５２１－４切斷單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路之間強(qiáng)弱電的直接聯(lián)系；Ｌ２９７可產(chǎn)生四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)；Ｌ２９８是能夠承受高電壓、高電流、內(nèi)部封裝的雙Ｈ橋的集成電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。

２．４ＰＣ機(jī)軟件設(shè)計(jì)

個(gè)人計(jì)算機(jī)端的軟件主要包括機(jī)器人控制軟件和農(nóng)田信息分析軟件兩大部分。

機(jī)器人控制軟件用ＶＣ＋＋６．０開(kāi)發(fā)，功能包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)云臺(tái)控制與圖像顯示、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、農(nóng)田信息采集控制等。

農(nóng)田信息分析軟件用ＶＢ開(kāi)發(fā)，功能包括農(nóng)田信息的檢索與更新、農(nóng)田多維信息圖層的生成與顯示、Ａｃｃｅｓｓ本地存儲(chǔ)小批量數(shù)據(jù)、ＭＳ ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)大批量數(shù)據(jù)等。

３結(jié)果

機(jī)器人外形尺寸為８００ ｍｍ×６００ ｍｍ×５５０ ｍｍ［１０，１１］，機(jī)器人由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、主控制器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等構(gòu)成，如圖３所示。

農(nóng)田信息采集移動(dòng)機(jī)器人控制界面［１２］如圖４所示，界面包括攝像機(jī)控制（控制攝像機(jī)啟動(dòng)、停止、暫停等）和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制部分（控制機(jī)器人停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等）。試驗(yàn)表明，機(jī)器人懸架結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)地面起伏，減少機(jī)器人的抖動(dòng)與傾斜。機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)遙控導(dǎo)航，圖像傳輸流暢，穩(wěn)定可靠，能夠滿足農(nóng)田信息采集的需要。

４結(jié)語(yǔ)

綜合考慮了可靠性、可操作性、成本等因素，探索為農(nóng)業(yè)技術(shù)人員提供一種基于無(wú)線局域網(wǎng)的新型農(nóng)田信息采集機(jī)器人，該機(jī)器人體積小，移動(dòng)敏捷。本研究重點(diǎn)介紹了機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與制作。在此基礎(chǔ)上，后期將完善機(jī)器人功能，在機(jī)器人車體上配備ＧＰＳ，根據(jù)需要安裝多種農(nóng)田信息傳感器等，將農(nóng)田中各點(diǎn)具備的多重屬性（位置信息、土壤含水率、土壤肥力、田間氣象信息等）可視化，由農(nóng)田信息管理分析軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和整合，為田間管理和數(shù)字農(nóng)業(yè)提供信息來(lái)源。

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