一種智能除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)與模型實(shí)現(xiàn)

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(huán)保意識逐漸的增強(qiáng)，綠化面積越來越大，其中綠化區(qū)修剪的工作量也越來越繁重，為此設(shè)計(jì)了一種具有自主除草、化學(xué)除草和手動除草多種模式，并可適應(yīng)于多種地形作業(yè)的智能除草機(jī)器人。以Arduino Mega2560為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了對除草機(jī)器人的功能設(shè)計(jì)和模型制作。經(jīng)過對除草機(jī)器人樣機(jī)模型的驗(yàn)證，獲得了良好的除草效果和較高的工作效率，為后續(xù)的成果轉(zhuǎn)化及推廣奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能除草機(jī)器人；自主除草；化學(xué)除草；復(fù)雜地形

引言

草坪在我國城市建設(shè)中的分布越來越廣泛，綠地面積和綠地覆蓋率已經(jīng)成為衡量城市環(huán)境、社區(qū)建設(shè)、生態(tài)城市建設(shè)和城市園林化程度的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，近些年來逐步得到了人們的重視，并實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)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(fā)一種能夠自主除草、高效率、綠色節(jié)能的除草機(jī)來代替工人完成高強(qiáng)度的工作。美國伊利諾伊大學(xué)Tony Grift博士和他的學(xué)生Nhanael Gringrich開發(fā)出了一種太陽能除草機(jī)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(xué)Tijmen Bakker等設(shè)計(jì)了一種自動除草機(jī)器人，采用DGPS和機(jī)器視覺導(dǎo)航，機(jī)器人采用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行雜草識別，該除草機(jī)器人導(dǎo)航線與實(shí)際作物行線的平均偏差小于25mm[2]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能除草機(jī)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(zhuǎn)向方式為將控制同側(cè)前后輪轉(zhuǎn)動的電機(jī)串聯(lián)在一起，轉(zhuǎn)向時(shí)，同側(cè)的前后兩輪同步轉(zhuǎn)動，而另一側(cè)的兩個(gè)輪子按相反方向轉(zhuǎn)動，從而使得小車能夠在原地轉(zhuǎn)向，這種方式比差速轉(zhuǎn)向更加快捷，而且還能減小轉(zhuǎn)向所需的空間，使除草機(jī)器人可以適應(yīng)更廣泛的工作空間。三種除草模式設(shè)計(jì)：自主除草、化學(xué)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(yè)，并可以通過噴灑系統(tǒng)在除草的同時(shí)進(jìn)行除蟲劑和營養(yǎng)劑的補(bǔ)充。化學(xué)除草主要針對一些要徹底根除的雜草，自主進(jìn)行化學(xué)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(cè)輔刀的位置，使其可在任意所需角度懸停進(jìn)行除草。當(dāng)左右兩側(cè)的輔助刀具與綠化帶平行時(shí)還可以對綠化帶進(jìn)行修剪。小車前方搭載刀具保護(hù)裝置，可以將草坪上會對刀具造成損壞的小石塊等堅(jiān)硬物體進(jìn)行清理。小車尾部搭載草屑收集裝置，可實(shí)現(xiàn)邊除草邊收集草屑，提高作業(yè)質(zhì)量和效率。為實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和確保機(jī)器人的自主作業(yè)，小車還搭載了視覺系統(tǒng)和避障系統(tǒng)。此外，該機(jī)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(xù)航能力，不僅綠色節(jié)能，還降低了成本，符合未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向。

2 智能除草機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括主刀及其升降機(jī)構(gòu)、輔刀及其懸停機(jī)構(gòu)、藥劑噴灑系統(tǒng)、草屑收集裝置和刀具保護(hù)裝置，其結(jié)構(gòu)示意和實(shí)物如圖2所示。

2.1 主刀及其升降機(jī)構(gòu)

除草機(jī)器人的主刀安裝在小車底盤的正下方，由高速電機(jī)帶動三個(gè)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(jī)工作起來比較省力，實(shí)現(xiàn)小功率電機(jī)高效除草的目的。在電機(jī)的上方是控制主刀具升降機(jī)構(gòu)，通過左右兩個(gè)推桿步進(jìn)電機(jī)控制主刀在一定行程內(nèi)的上下移動，從而適應(yīng)不同高度的除草需求。

2.2 輔刀及其懸停機(jī)構(gòu)

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(gè)MG996舵機(jī)與車底盤相連接。在斜坡環(huán)境中進(jìn)行除草作業(yè)時(shí)，使用者可通過遙控器控制調(diào)整舵機(jī)角度，來實(shí)現(xiàn)輔刀任意位置的懸停。輔刀的懸停范圍由舵機(jī)的可調(diào)整角度決定。當(dāng)輔刀垂直狀態(tài)放置時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)對綠化帶豎直方向的修剪。

2.3 藥劑噴灑系統(tǒng)

藥劑噴灑系統(tǒng)安裝在小車的第一層，由1個(gè)12V的直流壓力泵、1個(gè)2L水箱、3個(gè)噴霧口和1個(gè)液體添加口組成。水箱里的水通過壓力泵產(chǎn)生高壓水，從噴霧口噴出，實(shí)現(xiàn)霧狀噴灑。當(dāng)用戶在水箱中加入營養(yǎng)劑或除蟲劑時(shí)，除草機(jī)器人可以邊機(jī)械除草，邊進(jìn)行營養(yǎng)劑的補(bǔ)充和除蟲，相比傳統(tǒng)除草機(jī)，大大提高了工作效率；當(dāng)針對要徹底根除的雜草時(shí)，單純依靠機(jī)械除草無法解決問題，這時(shí)可以往水箱中添加化學(xué)藥劑，采用化學(xué)除草模式，從而彌補(bǔ)了機(jī)械除草的不足。

2.4草屑收集裝置

草屑收集裝置是根據(jù)吸塵器的工作原理而設(shè)計(jì)，由收集箱、高速電機(jī)、葉片組成。利用高速電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動葉片轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生極強(qiáng)的吸力和壓力，使收集箱中產(chǎn)生真空，和外界大氣壓形成負(fù)壓差，在大氣壓的作用下，將草屑吸入收集箱。

2.5 刀具保護(hù)裝置

刀具保護(hù)裝置的主體結(jié)構(gòu)為具有一定行進(jìn)角度的推渣板，為金屬鋁合金板材質(zhì)，其行進(jìn)角為30度至45度，確保能將草坪上的小石塊等障礙物進(jìn)行及時(shí)清理，避免堅(jiān)硬物體損傷刀具。

3 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

控制系統(tǒng)主要由主控芯片、避障系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、車輪電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、舵機(jī)控制系統(tǒng)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(jī)器人采用Arduino Mega2560單片機(jī)作為中央處理器。Arduino2560微控制器，具有54路數(shù)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(jī)器人數(shù)據(jù)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(tǒng)

除草機(jī)器人的避障性能是其智能化水平的一種體現(xiàn)[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(gè)側(cè)方裝有HC-SR04超聲波傳感器，通過三個(gè)傳感器不斷對比數(shù)據(jù)，幫助小車找到可順利通過的方向，從而實(shí)現(xiàn)無死角，能達(dá)到任意角落。通過不斷試驗(yàn)，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(tǒng)，是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航功能的基礎(chǔ)和保障。

3.3 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)由高清攝像頭和無線Wi-Fi視頻傳輸模塊構(gòu)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(jī)進(jìn)行控制，旋轉(zhuǎn)角度為0-360°，俯仰角度為0-150°，可進(jìn)行周圍環(huán)境的視頻圖像采集。

無線Wi-Fi視頻傳輸模塊用于上位機(jī)、手機(jī)和機(jī)器人之間的數(shù)據(jù)交流，采用高通AR9331芯片，可實(shí)現(xiàn)視頻傳輸及指令雙向傳輸功能，能自適應(yīng)路由器等設(shè)備的無線熱點(diǎn)，最大連接速率可達(dá)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(fā)送給下位機(jī)進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)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(shù)據(jù)不經(jīng)過單片機(jī)處理，直接傳給上位機(jī)或手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對作業(yè)過程及環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)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(jī)器人通過芯片的UART接口接收上位機(jī)發(fā)送來的命令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)開機(jī)后除草模式選擇、主刀位置、藥劑添加等環(huán)節(jié)的語音提示。

3.5 供電系統(tǒng)

采用12V聚合物電芯組合而成的鋰電池，直接為電機(jī)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(dāng)在戶外工作時(shí)，太陽能控制器可隨時(shí)檢測電源電壓，當(dāng)電池電壓低于10.8V時(shí)可對其進(jìn)行充電，當(dāng)充電電壓高于14.6V停止充電。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

5 除草機(jī)器人樣機(jī)模型驗(yàn)證

分別在設(shè)置有障礙物的草坪和斜坡草坪上，對除草機(jī)器人的除草模式進(jìn)行測試，測試路徑如圖7所示。經(jīng)過對軟硬件的調(diào)試，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用效果；但是在機(jī)器人避障過程中存在著單位時(shí)間內(nèi)覆蓋率低的缺點(diǎn)，若想實(shí)現(xiàn)全工作區(qū)域的覆蓋還需要以高能源消耗和高重疊覆蓋率為代價(jià)[5]，今后對路徑規(guī)劃算法方面還需要進(jìn)行進(jìn)一步地改進(jìn)和完善。

圖7 測試路徑示意圖

6 結(jié)束語

該智能除草機(jī)器人具有自主除草、化學(xué)除草和手動除草三種工作模式，可滿足復(fù)雜地形的草坪修剪需求。經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證，可以大幅度提高草坪修剪的質(zhì)量和作業(yè)效率，并減少人工數(shù)量，符合我國農(nóng)業(yè)裝備智能化、高效化和綠色化的方向發(fā)展。同時(shí)，該智能除草機(jī)器人樣機(jī)模型的制作和驗(yàn)證工作為后續(xù)的成果轉(zhuǎn)化及推廣奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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