一種智能除草機器人的設計與模型實現

宋欣 楊磊 張仲雄 梁廣源

摘 要：隨著人們生活水平的不斷提高和環保意識逐漸的增強，綠化面積越來越大，其中綠化區修剪的工作量也越來越繁重，為此設計了一種具有自主除草、化學除草和手動除草多種模式，并可適應于多種地形作業的智能除草機器人。以Arduino Mega2560為主控芯片，實現了對除草機器人的功能設計和模型制作。經過對除草機器人樣機模型的驗證，獲得了良好的除草效果和較高的工作效率，為后續的成果轉化及推廣奠定了基礎。

關鍵詞：智能除草機器人；自主除草；化學除草；復雜地形

引言

草坪在我國城市建設中的分布越來越廣泛，綠地面積和綠地覆蓋率已經成為衡量城市環境、社區建設、生態城市建設和城市園林化程度的一個重要指標[1]，近些年來逐步得到了人們的重視，并實現了快速的發展；隨著綠化面積的不斷增加，綠化帶修剪工作量大、投資成本高、智能化程度低等矛盾日益尖銳，因此有必要研發一種能夠自主除草、高效率、綠色節能的除草機來代替工人完成高強度的工作。美國伊利諾伊大學Tony Grift博士和他的學生Nhanael Gringrich開發出了一種太陽能除草機器人，可以精確判斷出雜草，并用刀切斷雜草，然后在雜草切口處噴上除草劑；荷蘭Wageningen大學Tijmen Bakker等設計了一種自動除草機器人，采用DGPS和機器視覺導航，機器人采用機器視覺技術進行雜草識別，該除草機器人導航線與實際作物行線的平均偏差小于25mm[2]。

1 總體方案設計

智能除草機器人總體方案如圖1所示，以四輪小車為移動載體，小車的轉向方式為將控制同側前后輪轉動的電機串聯在一起，轉向時，同側的前后兩輪同步轉動，而另一側的兩個輪子按相反方向轉動，從而使得小車能夠在原地轉向，這種方式比差速轉向更加快捷，而且還能減小轉向所需的空間，使除草機器人可以適應更廣泛的工作空間。三種除草模式設計：自主除草、化學除草和手動除草。自主模式主要針對草坪，無需人為操控，自主完成除草作業，并可以通過噴灑系統在除草的同時進行除蟲劑和營養劑的補充。化學除草主要針對一些要徹底根除的雜草，自主進行化學藥劑的噴灑。手動除草主要處理斜坡處雜草，通過遙控器控制兩側輔刀的位置，使其可在任意所需角度懸停進行除草。當左右兩側的輔助刀具與綠化帶平行時還可以對綠化帶進行修剪。小車前方搭載刀具保護裝置，可以將草坪上會對刀具造成損壞的小石塊等堅硬物體進行清理。小車尾部搭載草屑收集裝置，可實現邊除草邊收集草屑，提高作業質量和效率。為實現對機器人作業的實時監控和確保機器人的自主作業，小車還搭載了視覺系統和避障系統。此外，該機器人采用鋰電池和太陽能板雙重供電方式，可有效提高電池的續航能力，不僅綠色節能，還降低了成本，符合未來農業機器人的發展方向。

2 智能除草機器人執行機構設計

該機器人執行機構主要包括主刀及其升降機構、輔刀及其懸停機構、藥劑噴灑系統、草屑收集裝置和刀具保護裝置，其結構示意和實物如圖2所示。

2.1 主刀及其升降機構

除草機器人的主刀安裝在小車底盤的正下方，由高速電機帶動三個圓形刀片組成，刀片按照等腰三角形位置安裝，這樣能夠使電機工作起來比較省力，實現小功率電機高效除草的目的。在電機的上方是控制主刀具升降機構，通過左右兩個推桿步進電機控制主刀在一定行程內的上下移動，從而適應不同高度的除草需求。

2.2 輔刀及其懸停機構

在小車的前后兩輪中間位置安裝輔刀，輔刀是將三把圓型刀固定在同一平面上，并通過一個MG996舵機與車底盤相連接。在斜坡環境中進行除草作業時，使用者可通過遙控器控制調整舵機角度，來實現輔刀任意位置的懸停。輔刀的懸停范圍由舵機的可調整角度決定。當輔刀垂直狀態放置時，還可以實現對綠化帶豎直方向的修剪。

2.3 藥劑噴灑系統

藥劑噴灑系統安裝在小車的第一層，由1個12V的直流壓力泵、1個2L水箱、3個噴霧口和1個液體添加口組成。水箱里的水通過壓力泵產生高壓水，從噴霧口噴出，實現霧狀噴灑。當用戶在水箱中加入營養劑或除蟲劑時，除草機器人可以邊機械除草，邊進行營養劑的補充和除蟲，相比傳統除草機，大大提高了工作效率；當針對要徹底根除的雜草時，單純依靠機械除草無法解決問題，這時可以往水箱中添加化學藥劑，采用化學除草模式，從而彌補了機械除草的不足。

2.4草屑收集裝置

草屑收集裝置是根據吸塵器的工作原理而設計，由收集箱、高速電機、葉片組成。利用高速電機旋轉帶動葉片轉動，產生極強的吸力和壓力，使收集箱中產生真空，和外界大氣壓形成負壓差，在大氣壓的作用下，將草屑吸入收集箱。

2.5 刀具保護裝置

刀具保護裝置的主體結構為具有一定行進角度的推渣板，為金屬鋁合金板材質，其行進角為30度至45度，確保能將草坪上的小石塊等障礙物進行及時清理，避免堅硬物體損傷刀具。

3 控制系統總體架構

控制系統主要由主控芯片、避障系統、視覺系統、語音系統、供電系統、車輪電機和步進電機驅動模塊、舵機控制系統以及無線遙控模塊組成，如圖3所示。

3.1 主控芯片

該智能除草機器人采用Arduino Mega2560單片機作為中央處理器。Arduino2560微控制器，具有54路數字輸入輸出端（其中16路可做PWM輸出），16路模擬輸入端，4路UART（hardware serial ports），6路外部中斷，可以滿足智能除草機器人數據處理的需求，主控芯片原理圖如圖4所示。

圖4 主控芯片原理圖

3.2 避障系統

除草機器人的避障性能是其智能化水平的一種體現[3]。利用超聲波測距方式，原理如圖5所示，在小車車身的三個側方裝有HC-SR04超聲波傳感器，通過三個傳感器不斷對比數據，幫助小車找到可順利通過的方向，從而實現無死角，能達到任意角落。通過不斷試驗，確定出超聲波傳感器的安裝位置，得到較為理想的避障系統，是機器人實現自主導航功能的基礎和保障。

3.3 視覺系統

視覺系統由高清攝像頭和無線Wi-Fi視頻傳輸模塊構成。其中，高清攝像頭采用CMOS圖像傳感器，像素為30萬，幀率為30fps，攝像頭云臺通過13kgN/cm扭力的舵機進行控制，旋轉角度為0-360°，俯仰角度為0-150°，可進行周圍環境的視頻圖像采集。

無線Wi-Fi視頻傳輸模塊用于上位機、手機和機器人之間的數據交流，采用高通AR9331芯片，可實現視頻傳輸及指令雙向傳輸功能，能自適應路由器等設備的無線熱點，最大連接速率可達150Mbps。Wi-Fi模塊通過串口與主控芯片相連，把通過Wi-Fi接收到的命令發送給下位機進而執行相應的指令。此外，Wi-Fi模塊可通過USB接口與高清攝像頭相連接，將攝像頭所采集的數據不經過單片機處理，直接傳給上位機或手機，從而實現對作業過程及環境的實時監控。

3.4 語音合成模塊

采用具有高集成度的科大訊飛XFS5152語音合成芯片，機器人通過芯片的UART接口接收上位機發送來的命令和數據，實現開機后除草模式選擇、主刀位置、藥劑添加等環節的語音提示。

3.5 供電系統

采用12V聚合物電芯組合而成的鋰電池，直接為電機和壓力水泵供電；通過降壓模塊，輸出5V電壓，為主控芯片和其他模塊提供電源。當在戶外工作時，太陽能控制器可隨時檢測電源電壓，當電池電壓低于10.8V時可對其進行充電，當充電電壓高于14.6V停止充電。

4 控制系統軟件設計

該智能除草機器人控制系統軟件是在C語言環境下編寫的，采用模塊化編程方式[4]，主要包括電機PWM調速基本行走、超聲波避障、遠距離無線Wi-Fi控制、語音提示、主刀位置調整、舵機控制和水泵控制七個模塊，程序控制流程如圖6所示。

5 除草機器人樣機模型驗證

分別在設置有障礙物的草坪和斜坡草坪上，對除草機器人的除草模式進行測試，測試路徑如圖7所示。經過對軟硬件的調試，達到了預期的設計目標和使用效果；但是在機器人避障過程中存在著單位時間內覆蓋率低的缺點，若想實現全工作區域的覆蓋還需要以高能源消耗和高重疊覆蓋率為代價[5]，今后對路徑規劃算法方面還需要進行進一步地改進和完善。

圖7 測試路徑示意圖

6 結束語

該智能除草機器人具有自主除草、化學除草和手動除草三種工作模式，可滿足復雜地形的草坪修剪需求。經實際使用驗證，可以大幅度提高草坪修剪的質量和作業效率，并減少人工數量，符合我國農業裝備智能化、高效化和綠色化的方向發展。同時，該智能除草機器人樣機模型的制作和驗證工作為后續的成果轉化及推廣奠定了基礎。

參考文獻

[1]馬國勝，顧國海，陳國元.草坪雜草研究及展望[J].雜草科學，2005.

[2]張文莉，陳樹人，褚德宏.除草機器人研究現狀與趨勢[J]農業裝備技術，2015.

[3]邱白晶，錢國宏，周寧，等.割草機器人避障控制[J].江蘇大學學報，2005，26（4）：285-288.

[4]劉南君，毛培宏.基于Arduino Mega2560單片機的簡易智能割草機器人的設計與實現[J].安徽農業科學，2012，40（36）：17899-17901+17903.

[5]叢明，金立剛，房波.智能割草機器人的研究綜述[J].機器人，2007，29（4）：407-415.

作者簡介：宋欣（1979-），女，天津市人，副教授，博士，從事智能農業裝備研究。