基于開放式機構的農業機器人導航及作業設計

王寶梁，索明何，劉大誠，張彥明，溫杰

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基于開放式機構的農業機器人導航及作業設計

王寶梁，索明何，劉大誠，張彥明，溫杰

（淮安信息職業技術學院，江蘇 淮安 220003）

針對目前農業機器人普遍存在使用效率低、通用性差問題，文章設計一種能夠進行多項作業的自主農業機器人，主要適用于具有行種植特征作物的噴灑、除草（機械除草、噴藥除草）等作業。首先應用開放式思想進行農業機器人的結構設計與平臺搭建，進行了導航算法和作業控制算法的研究等工作。

精準農業；農業機器人；導航；作業

引言

雖然農業機器人開始在農業生產中得以試驗與應用，并在不斷發展，但農業機器人的應用普及仍面臨困難。這是因為農業機器人的很多關鍵技術有待于進一步完善和創新；這些機器人只是為解決專門農業生產中的自動化與智能化，具有特定的功能，適應于特定的環境，通用性差，不便于對系統進行擴展和改進。另外，由于季節性問題導致農業機器人使用效率低下，間接地增加了農業生產成本。

因此，本文開發了一種能夠適用于農業實際作業的多功能農業機器人。在具有類似作業環境或工作條件下，該農業機器人易于操作切換以適應不同的農業生產作業，從而提高機器人的利用率與性價比，降低作業成本。

1 多功能農業機器人結構設計

農業機器人生產作業的多功能性，就是指農業機器人在進行一定范圍內的農業操作時易于從一個作業任務轉換至另一個作業任務。為此，需要機器人的硬件和軟件都具備開放性。當作業任務改變時，在不改變（或少改變）機體構架的前提下，只需增減傳感部件，更換執行部件及切換作業控制軟件就能實現。

本研究將農業機器人的作業任務選定為噴藥、噴水、機械除草、割草等，該機器人由移動平臺、傳感裝置、執行裝置與控制系統組成。機器人移動平臺采用輪式行走，機器人平臺通過直流減速電機經鏈傳動機構驅動車輪實現運動，每個車輪可獨立驅動，采用差速轉向，同一側直流減速電機共用一個驅動器；傳感裝置主要包含機器人導航裝置與作業對象識別與定位的感知裝置，分別進行機器人導航信息與作業對象信息的采集；執行裝置執行機器人控制系統的作業指令；控制系統完成傳感系統信息的處理與分析，并由此對機器人平臺進行運動控制，控制執行裝置的動作實現機器人的導航與生產作業。

所設計的多功能機器人工作原理如圖1所示。農業機器人控制系統根據機器視覺、GPS、激光雷達等傳感器信息或這些信息的融合，實現機器人導航、速度與方向的控制。同時，控制系統根據作業對象感知裝置對作業對象進行識別與定位，輸出升降與移動指令對執行裝置進行位置控制，然后輸出作業指令進行生產作業。

圖1 機器人工作原理

2 控制系統

所設計機器人的控制系統主要由各種感知裝置、上位機、下位機、機器人平臺電機驅動裝置、升降與平移機構驅動裝置、作業執行工具驅動裝置等組成，如圖2所示。其中上位機是控制系統的核心，主要進行導航與作業用的傳感器信息采集與數據處理，協調系統中各功能模塊完成相應的動作并輸出指令至下位機；下位機分別驅動直流電動機、步進電動機與作業執行器，實現機器人的自主導航、執行裝置的動作與自主作業。

整個控制系統采用模塊化的結構體系，只要改變部分硬件與軟件，就能進行不同任務的作業，而且便于系統日常的維護和后期的升級。

圖2 農業機器人控制系統

3 導航與作業算法

所設計的農業機器人可以實現機械除草、噴灑、割草等作業。下面以基于機器視覺導航的以行種植的莊稼田噴灑作業為例進行導航與作業算法設計。

3.1 導航算法

本文采用基于垂直投影法的作物行定位方法進行導航中心線的計算[1-4]，該算法流程如圖3所示。圖5為該算法的圖像處理過程。對原始莊稼圖像（圖4（a））進行過綠特征值處理（圖4（b））（能夠有效的將綠色作物從土壤背景中分離出來）后得到二值化圖像（圖4（c））。然后對二值化圖像進行圖像條劃分（圖4（d）），并對每個圖像條進行垂直投影找出峰值像素點，如圖4（e）所示。再根據各圖像條中峰值點位置坐標進行直線擬合，所得直線即為莊稼行線。最后根據兩側莊稼行線計算出導航中心線，如圖4（f）所示。

根據圖像中的作物行中心線和機器人中心線的位置關系與實際場景中兩者之間的關系，獲得機器人的側向誤差與方向角誤差，機器人控制系統對機器人進行差速轉向控制實現機器人的自主導航。

圖3 作物行中心線定位算法流程

（a）莊稼圖像 （b）過綠特征值處理 （c）二值圖像

（d）圖像條劃分 （e）圖像條處理 （f）作物行中心線

圖4 使用垂直投影法獲取作物行中心線過程

3.2 作業算法

本文設計的多功能自主農業機器人通過安裝在傳動部件上的機器視覺傳感器對作業對象進行目標識別，獲取作業對象的位置信息，根據圖像像素間距離與實際場景物理距離之間的關系判斷出作業對象的實際位置。然后由控制系統控制執行裝置與作業工具執行器動作而完成相關作業。以噴灑作業為例，其作業控制算法如圖5所示。

圖5 噴灑作業控制

4 結論

本文對多功能農業機器人進行總體結構設計，當其作業任務改變時，在不改變（或少改變）機體構架的前提下，只需增減傳感部件，更換執行部件及切換作業控制軟件就能實現。所設計的農業機器人可以用于機械除草、噴灑、割草等作業。

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Navigation and operation design of agricultural robot based on open mechanism

Wang Baoliang, Suo Minghe, Liu Dacheng, Zhang Yanming, Wen Jie

( Huaian College of Information Technology, Jiangsu Huaian 220003 )

Abstract: This paper has developed an autonomous agricultural robot that can carry out a number of operations for current widespread problems nowadays that the low efficiency，poor versatility and high cost of agricul-tural robot. The robot is mainly used for leafy vegetables' with line characteristics spraying and weeding. The agricultural robot system was designed with the open architecture ideas. In the paper, a mechanical platform was built，operational tools were developed and a navigation system was studied.

Keywords: precision agriculture; agricultural robot; autonomous navigation; operation

CLC NO.:TP242

Document Code: A

Article ID:1671-7988(2018)21-236-03

中圖分類號：TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2018)21-236-03

作者簡介：王寶梁，（1986.5-），就職于淮安信息職業技術學院，研究方向：車輛電子控制技術。

項目來源：江蘇省淮安市自然科學基金。

項目名稱：基于機器視覺的農業智能車輛導航關鍵技術研究。

項目編號：HABZ201711。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.081