設施農(nóng)業(yè)噴霧機器人路徑規(guī)劃與作業(yè)安全性探析 任生蘭 石建業(yè) 張小泉等（169）

任生蘭 石建業(yè) 張小泉 石磊 李向偉

摘要? ? 針對現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)病蟲害防治和根外追肥需求，研發(fā)了基于Raspberry Pi的智能噴霧機器人，填補了國內設施農(nóng)業(yè)高效噴霧技術研究空白。本文主要對智能噴霧機器人的作業(yè)路徑規(guī)劃進行了介紹，對其可靠性和安全性進行了測試，并分析了其發(fā)展前景，以期為我國設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考。

關鍵詞? ? 設施農(nóng)業(yè);噴霧機器人;作業(yè)路徑;測試;前景

中圖分類號? ? TP242? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2019）17-0169-03? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract? ? Aiming at the modern demand for agricultural pest control and root dressing，the intelligent spraying robot based on Raspberry Pi was developed，which filled the blank of efficient spray technology research in facility agriculture in China.This paper mainly introduced the operation path planning of intelligent spraying robot，tested its reliability and safety，and analyzed the development prospects，in order to provide references for the development of facility agriculture in China.

Key words? ? facility agriculture;spraying robot;operation path;test;prospect

設施農(nóng)業(yè)是將農(nóng)業(yè)工程技術、農(nóng)業(yè)機械化、農(nóng)藝標準化與信息管理技術、環(huán)境控制技術有機結合的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，是“互聯(lián)網(wǎng)+現(xiàn)代農(nóng)業(yè)”的最重要方式，具有生產(chǎn)集約化和管理信息化的特點，可顯著提高勞動生產(chǎn)率和土地產(chǎn)出率，有效增強現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和抗風險能力，增強農(nóng)業(yè)企業(yè)的市場競爭力。大力發(fā)展設施農(nóng)業(yè)，可保障農(nóng)產(chǎn)品有效供給和促進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，從而促進農(nóng)民增收致富、擺脫貧困。推進我國設施農(nóng)業(yè)發(fā)展要以強化科技創(chuàng)新為核心，以設施裝備、環(huán)境智能控制技術、信息技術為重點，完善設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，加強對先進適用的設施農(nóng)業(yè)機械裝備的研發(fā)以及強化設施農(nóng)業(yè)智能化管理，增強設施農(nóng)業(yè)有效供給的能力。

設施農(nóng)業(yè)在為作物營造優(yōu)良生長環(huán)境的同時，其高溫、高濕的生產(chǎn)環(huán)境也導致大量害蟲和植物病菌的繁殖，因而設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有高投入、高風險、高產(chǎn)出的特點。設施農(nóng)業(yè)會導致植物病蟲害風險增大，降低農(nóng)產(chǎn)品的品質和產(chǎn)量，造成設施栽培的經(jīng)濟效益下降。因此，我國要加強對設施農(nóng)業(yè)的研究，盡快提高我國設施農(nóng)業(yè)裝備水平、設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全性、設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，從而降低單位成本，滿足人們對農(nóng)產(chǎn)品質量越來越高的要求，增強我國設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綜合競爭力。

1? ? 設施農(nóng)業(yè)專用噴霧機器人研究的主要歷程

為了滿足設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中根外追肥和病蟲害防治要求、減少勞動力成本、提高病蟲害防治效率，現(xiàn)以自主研發(fā)的智能遙控噴霧器產(chǎn)業(yè)開發(fā)為平臺，研究出基于Raspberry Pi的智能噴霧機器人，以填補國內設施農(nóng)業(yè)高效噴霧技術空白[1-2]。經(jīng)過2年多的研究和探索，智能噴霧機器人關鍵技術取得了重要進展，甘肅省科技廳及時立項支持噴霧機器人研發(fā)計劃，對研發(fā)人員給予大力鼓舞和支持，噴霧機器人的研究也取得了較大進展[3]。Ros機器人操作系統(tǒng)是基于Linux的機器人開源平臺，利用Raspberry Pi搭載Ros操作系統(tǒng)實現(xiàn)對機器人的運動控制[4]，包含機械臂控制、靜態(tài)路徑控制和動態(tài)路徑控制以及相關繼電器中斷的控制，同時利用攝像機、激光雷達、聲吶傳感器等外設進行數(shù)據(jù)集中處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨平臺運用，利用多數(shù)據(jù)的交叉計算優(yōu)化機器人的運動精確度[5-7]。

2? ? 設施農(nóng)業(yè)專用噴霧機器人作業(yè)路徑規(guī)劃

2.1? ? 靜態(tài)路徑規(guī)劃

靜態(tài)路徑規(guī)劃主要利用人機交互界面進行數(shù)據(jù)的輸入，通過處理器處理數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)輸出變量，對驅動電機進行動態(tài)控制，實現(xiàn)機器人的前進、后退、轉向動作[8]。該部分主要為數(shù)據(jù)簡單處理，已知數(shù)據(jù)為日光溫室長（a）、日光溫室寬（b）、植株行間距（h）。

2.2? ? 動態(tài)路徑規(guī)劃

在動態(tài)路徑規(guī)劃中，利用x-y柵格進行，如圖1所示。這個柵格有3個關鍵位置，具體解釋如下。

左下角的點是一個固定的參考位置，為第1個關鍵位置。X軸和Y軸的方向也是固定的，其他點的位置都可以根據(jù)該參考點和X軸、Y軸確定。在一個單元格內每個單元都會被測量在單位時間內的行進距離。第2個關鍵位置是機器人的起始位置。噴霧機器人將在X坐標和Y坐標上保持自身位置的跟蹤，而它識別自身位置依靠X坐標上相對目標位置的固定參考系，或者依靠Y坐標上相對于目標位置的某些固定參考系來確定，并使用指南針跟蹤這些方向。第3個關鍵位置是目標位置，目標位置也會用X軸和Y軸上相對于固定參照位置的坐標來表示。如果已知起點以及起點和參照位置之間的角度，就可以規(guī)劃到達目標位置的最優(yōu)的路線。可以根據(jù)目標位置、機器人的位置和一些簡單的數(shù)學公式來計算機器人和目標位置之間的距離和角度。圖2為計算的距離和角度示意圖。計算公式如下：

其中，d為機器人到達目標位置的距離，θ為機器人需要運動的角度，Xgoal、Ygoal分別表示為目標位置的X軸坐標和Y軸坐標，Xrobot、Yrobot分別表示機器人的X軸坐標和Y軸坐標。

計算出指定的角度和距離，就可以編程控制機器人運動，通過知道機器人一定時間內行進的距離，從而可以使機器人按照時間單位而不是距離單位來行進[9]。以下是編程步驟：計算機器人到達目標位置的距離，并將它轉換為達到此距離所需的步數(shù);計算機器人到達目標位置所要轉動的角度，需要使用指南針和轉動程序驅動機器人進行轉向到達目標位置;按照需要的時長調用前進程序，使機器人前進到目標位置。

利用Python代碼實現(xiàn)以上操作，讓機器人前進運動和轉向，在這個過程中建立一個名為robotLib.py的文件，它包括了所有伺服初始化設定的使機器人前進運動和轉向的程序。然后使用from robotLib import*命令將這些程序導入，并使Python程序可以調用這些程序，這樣可以使路徑規(guī)劃的Python程序更小、更便于管理。同樣，使用命令from compass import*導入指南針程序。在這個程序中，用戶輸入目標位置，機器人根據(jù)需要轉動角度和規(guī)劃到達目標位置的距離路線。為了使問題簡化，將機器人放置在網(wǎng)格上，初始行進方向與X軸正向相同。

2.3? ? 避障

如上所述，無障礙路徑規(guī)劃后，在機器人行進路線上遇到障礙物時需要繞過障礙物，假如一個障礙物位于之前所規(guī)劃的路徑之上，具體如圖3所示。仍然使用相同的計算方法，獲得初始行進角度，但需要使用聲吶傳感器去檢測障礙物。當聲吶傳感器檢測到障礙物時，機器人需要停下并重新計算避開障礙的路徑和到達目標位置的路徑。可以采用最簡單的方法：當機器人遇到障礙物時，向右轉動90°向前行進一段距離，然后計算最優(yōu)的路徑;當再次轉到向目標位置行進的方向后，如果沒有遇到障礙物，機器人將會沿著最優(yōu)路線前進。

為了檢測障礙物，需要調用傳感器的庫函數(shù)。可以使用指南針來更加精確地確定前進的角度，使用from compass import*命令可以導入指南針的庫函數(shù)來使用指南針;也可以使用時間（time）的庫函數(shù)，使整個命令組不會有一個固定的結束時間。

整個控制系統(tǒng)的程序主要分為2個部分。第1部分包括2個子程序：一是用指南針讓機器人向一定角度旋轉的程序;二是使計算距離和角度并控制機器人轉向該角度的程序。該程序的第2部分是主程序部分。用戶按X軸坐標和Y軸坐標輸入機器人的當前位置坐標和目標位置坐標。程序計算角度和距離，并控制機器人行進。如果遇到障礙物，則機器人旋轉90°，行進1個單位長度，然后再計算到目標位置的路徑。

3? ? 噴霧機器人使用的可靠性和安全性測試

JRY-PW-2智能噴霧機器人定型研發(fā)后，制作了第1臺測試版本用于測試設備越野能力和運動控制。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，智能噴霧機器人底盤運動平穩(wěn)，其具有的履帶式驅動方式利于機器轉彎。此外，智能噴霧機器人采用的是2個功率為8 W的直流電機，轉速50 r/min，采用低速電機不僅可以提供充足的動力，同時也具有較強的安全性。

4? ? 噴霧機器人發(fā)展前景分析

噴霧機器人研發(fā)基于Raspberry Pi智能噴霧機器人具有智能化程度高、設備成本低廉、社會效益明顯等優(yōu)點，且我國日光溫室保有量基數(shù)大、智能化程度低，勞動強度大，因而該機器人市場前景廣闊。

4.1? ? 研發(fā)平臺和基礎

噴霧機器人研究以恒豐半自動農(nóng)業(yè)噴霧機為開發(fā)平臺，恒豐公司半自動遙控噴霧器獲得相關的項目鑒定，用戶反饋良好。研發(fā)團隊結合了已有的智能控制內核及機器人底盤等成熟技術，在此基礎上開發(fā)新型噴霧機器人，因而該新型機器人具有良好的技術可靠性[10-11]。

噴霧機器人采用金瑞園公司開發(fā)的JRY-2型履帶式農(nóng)業(yè)機器人底盤，目前能夠自主工作及自主運動，現(xiàn)階段主要針對機器人如何與工作人員進行相關數(shù)據(jù)交流以及對工作環(huán)境數(shù)據(jù)處理進行研究。數(shù)據(jù)交流技術使用的是在“日光溫室智能化控制器”中采用的成熟穩(wěn)定技術，該款控制器已經(jīng)運用于多家農(nóng)業(yè)設施基地，因而具有較強的技術依托，能夠比較完整地移植于機器人數(shù)據(jù)交互。

4.2? ? 噴霧機器人生產(chǎn)試驗情況

JRY-PW-2智能噴霧機器人從提案研發(fā)開始以比例縮小的方式進行模型定制，同步實現(xiàn)實際工作要求，用于獲得控制程序及配件的可靠性論證，試驗階段模型具有良好的可靠性，各項功能完備。實地模擬試驗中設備能夠保證基本的使用功能，特別是JRY-2型機器人底盤具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，使用過程平穩(wěn)可靠。

4.3? ? 項目產(chǎn)品技術檢測狀況

Raspberry Pi智能噴霧機器人的噴頭導軌、機器人底盤及控制內核通過本了公司內部技術鑒定，其電動噴霧設備亦獲得了技術鑒定成果，具有控制平穩(wěn)、精準、使用壽命長等特點。

5? ? 參考文獻

[1] 趙棟杰，張賓，王學雷，等.基于圖像矩的室內噴霧機器人自動對靶研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47（12）：22-29.

[2] 劉雪美，李揚，李明，等.噴桿噴霧機精確對靶施藥系統(tǒng)設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47（3）：37-44.

[3] 譚民，王碩.機器人技術研究進展[J].自動化學報，2013，39（7）：963-972.

[4] 曹崢勇，張俊雄，耿長興，等.溫室對靶噴霧機器人控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（增刊2）：228-233.

[5] 李猛，孫維連，趙樹朋，等.農(nóng)業(yè)噴霧機器人的機械結構創(chuàng)新設計[J].農(nóng)機化研究，2018（1）：102-105.

[6] 崔軍，邱白晶，趙軍.噴霧機器人重噴漏噴問題研究[J].農(nóng)機化研究，2006（12）：63-65.

[7] 沈明霞，姬長英.農(nóng)業(yè)機器人視覺導航技術發(fā)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2001，32（1）：109-110.

[8] 朱大奇，顏明重.移動機器人路徑規(guī)劃技術綜述[J].控制與決策，2010，25（7）：961-967.

[9] 劉洞波，劉國榮，胡慧，等.基于激光測距的溫室移動機器人全局定位方法[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2010（5）：158-163.

[10] 杜利超，錢樺，肖愛平.大棚噴霧作業(yè)機器人底盤的設計與研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2010，37（5）：196-197.

[11] 郭麗君.基于LabVIEW的溫室移動機器人導航系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2011，33（3）：182-185.