基于競賽的智能除草機器人

郭映江 陳毅豪

(西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

0 引言

通過實驗設計了一種基于Openmv和機械臂的智能除草機器人系統，該系統主要包含3個模塊，視覺識別模塊、姿態解算模塊、機械拔草結構模塊。視覺模塊通過openmv識別雜草并將獲得的雜草反饋至姿態解算系統，姿態解算系統將解算出的電機轉角反饋至并聯機械結構的控制系統，然后機器人將機械爪平穩地移動至雜草的根部，機械爪將雜草拔離壟背，實現對雜草的清除。通過各個模塊的相互協作，可準確、高效地清除，通過雙目視覺識別和機械爪機器人運動學分析，提高了拔草作業的成功率。

1 研制背景及意義

圖1

農田中的雜草是農業生產中的天敵，它們會與莊稼搶奪養分、水分、陽光等等，從而使莊稼的生長受限，無法獲得更多、更好質量的莊稼。而現有的人工除草、化學除草、機械除草等都或多或少地有它們的缺點，勞動強度大，效率低，滿足不了需求，對環境會造成污染，導致資源浪費嚴重。除草機器人應運而生，可以代替人們進行苦力勞動，減輕勞作強度，提高了生產能力和生產效率。

目前世界上最先進的除草機器人是由來自澳大利亞的昆士蘭大學的學生研發的，機器人名字叫Agbot ll，它的除草效率是人工的5倍，一臺機器人就可以輕松完成上百畝地的除草工作。機器人內部加入了世界先進的AI智能人工系統，可以通過先進的傳感器設備準確分辨雜草和作物，做到不傷害作物。

德國農業專家研制出的除草機器人BoniRob，可以在農場的各種地塊間極速穿行，準確找到雜草并清除，每分鐘可以除掉120根雜草，比人工和藥物除草都要快得多。

目前我國在除草機器人方面也有比較大的成就，但由于我國農業機器人起步較晚，所以未來的發展還需要我們共同努力。

2 競賽規則簡介

2.1 場地介紹

如圖1所示。比賽場地為390×300cm的區域，共有5條田壟。場地四周用高12cm的圍欄圍住，只留有一個寬40cm的出入口，圍欄與田壟之間留有寬40cm的通道(壟溝)，壟長220cm、壟寬30cm、壟高12cm，相鄰田壟之間也留有寬40cm的通道(壟溝)。出入口外側緊鄰比賽場地的40×100cm的區域為比賽啟動區。

圖2

如圖2所示。圍欄和田壟都采用鋼質材料制作，地面采用爬行墊鋪設。田壟、壟溝地面為灰色，圍欄為黑色。比賽時會從6條壟溝中隨機抽取2條壟溝，在其中放置寬40cm、長300cm(即與壟溝等長)的土棕色毛毯，以模擬松軟路面。毛毯的軟毛長度約為1.2～1.6cm。模擬蔬菜為生菜，高度約17cm，寬度約10cm。每條田壟的壟背上放置4～6棵模擬生菜，生菜距離壟端不少于10cm，起始位置隨機，生菜間距為40±8cm。生菜底部使用泡沫膠黏貼在田壟上，并可采取適當固定措施進行加固。各條田壟上生菜的數量，在比賽前由不同的大賽評委抽簽確定，具體放置位置由不同的評委隨機放置確定。雜草使用5cm仿真足球草制成，裁剪為3×3cm小塊，居中粘貼于圖2所示基座上。

2.2 作業要求

比賽過程中，參賽機器人從比賽啟動區出發進入比賽場地，沿壟溝(壟間作業模式)或騎著田壟(跨壟作業模式)行進，去除田壟上的雜草，遍歷6條壟溝(或5個壟背)后，并停在比賽啟動區。對參賽機器人的作業路徑規劃、雜草識別方法和具體除草方式沒有限定，綜合考慮作業速度和作業效果進行成績評判。

3 除草機器人系統

3.1 系統簡介

本項目主要包含3個系統，即機械抓拔草結構、視覺系統和姿態解算系統。工作過程中，視覺系統首先建立絕對坐標系，然后識別在坐標系中的雜草，將已識別出的雜草絕對坐標傳送至姿態解算系統；姿態解算系統將坐標值解算為相對應的機械臂所轉動的角度；機械抓拔草結構根據解算出的角度和規劃出的電機轉速最優變化規律進行運動，將機械爪移動至雜草的根部；機械抓除草系統將雜草拔離壟背至合理位置，傳送至收集箱，完成整個除草過程。

除上述3個部分以外，本系統還包含另外2個重要的部分，分別為自動控制部分、電路和電器開關部分。前者整個系統可自動除草；后者為系統的總電路和分電路設置相應開關，增加急停開關，大大增加本系統的安全性。

3.2 機械結構及原理

圖3

機械結構簡圖如圖3所示。主要由stm32主板、地盤、頂板、支柱、橡膠輪、萬向輪、直流電機、機械臂、舵機和光電傳感器等組成。

比賽時，從出發區開始，機器人依靠光電傳感器和主板溝通，使其不撞到田壟的前提下遍歷2條田壟(6個壟道)。上方2組4個傳感器，再加上Openmv用于識別作物與雜草，控制機器人暫時停車，再經過姿態解算系統計算電機轉角反饋至機械臂，進行除草作業。

3.3 創新點

(1)多種傳感器結合，保證田間行走順暢，適應不同地面情況，不漏壟錯壟。

(2)采用漸進式橫向旋轉刀片，避免觸及作物根系，還能將雜草斬斷。

(3)利用光電傳感器實現對作物和雜草的辨別，除草過程中避免傷及作物。

4 結束語

在農業機器人領域，還沒有一個完善的田壟間除草機器人面世，本次智能農機大賽也是為了加強公眾對該領域的關注，集思廣益，發揮廣大參賽者智慧。本文介紹的一種智能除草機器人，提供了一種新的解決方案，本身具有一定優勢，同時也具有除草準確度不高，實戰經驗少等不足。