農業播種機器人的設計及試驗研究

楊 震

（重慶科技學院，重慶 401331）

未來全球人口攀升，農業消費將會上漲，而農業勞動力卻在減少，農業機器人的應用可以緩解勞動力壓力，使枯燥且重復性播種任務轉為自動化與機械化模式，提高農業播種效率，滿足日益增長的農業消費需求。

1 農業播種機器人的設計與工作原理

1.1 零部件設計

農業工程領域現已成功研發出專門的水稻插秧機器人、采摘機器人以及除草機器人等[1]。農業播種機器人中涵蓋移動機構和播種機構，底座采用四輪設計方式，方便機器人在不平坦的地形上自由移動，并在曲柄滑塊的概念下完成高效播種。關于播種機器人的重要零部件設計，大致內容如下。

1）播種機構的設計。采用曲柄滑塊機構完成農作物的播種，在曲柄滑塊的作用下，種子被機器人播入土壤，并到達適當的土壤深度，提高種子發芽率。曲柄滑塊和種子存儲機構之間相互連接，由機器人上的存儲容器決定機構運行情況[2]。種子存儲容器當中，圓形板憑借著曲柄滑塊的運動，讓種子成功從容器內分發到軟管中，種子通過軟管完成播種，每次可播種1粒種子，種子發芽成功率顯著提升[3]。設備運行主要有自主和手動兩種模式，操作者手動將機器人移動，使其位于播種的最佳位置，再開啟自主播種模式，機器人可沿著直線朝前行進，并按照系統既定的行走距離停止，重復播種的操作[4]。

2）電池外殼設計。該部分主要采用鋁材料，并安裝于機器人的機架處，能夠容納主計算機和電池設備等零件，為各部分模塊的工作提供動力，模塊外安裝防雨觸摸屏，在連接器的作用下與車載計算機相關聯[5]。

3）驅動機構設計。機器人的驅動模塊分別帶有1個電機與傳動裝置，可與轉向模塊輸出軸相連，電機由電機控制器驅動[6]。

4）旋轉模塊設計。機器人運行時會有多個驅動模塊繞著垂直軸旋轉工作，以此控制機器人播種時的轉動方向，提升機器人機動性能。轉向模塊主要依靠驅動模塊完成機器人方向的調整，與機器人框架或懸掛模塊框架相連，旋轉模塊一般包含直流電機、傳輸以及電機控制器等部分，控制器可以同時驅動轉向電機與驅動模塊電機，使其360°旋轉工作，保持播種機器人的機動性[7]。

5）傳感器安裝模塊與接口模塊。其中安裝模塊需要固定于機器人的機架上，可承載傳感器，在鋁型材的作用下將模塊滑動到各個位置。不同播種機器人需要用到不同參數的傳感器，所以傳感器的使用與安裝至關重要，電腦連接USB集線器，接口模塊可以同時提供一個12 VDC與一個5 VDC的傳感器電源，此外還有CANopen設備和電機，設備運行通常不會受到外界因素的干擾[8]。

1.2 功能設計

播種機器人系統功能設計如下：1）自動播種功能，以自動駕駛技術為基礎，在GPS偽距差分原理作用下，采用精密播種器完成播種作業，利用PC端線路規劃，合理進行參數設置，實現機器人的自主作業。2）人工控制下的播種功能，以ATmega328 MCU作為控制器，在Wi-Fi信號下完成數據傳輸，可實現在手機App客戶端中短程操控。機器人的攝像頭可將畫面傳輸到手機端，方便操作人員對播種作業進行調整。3）漏播檢測補播功能，憑借著種子和土地可見光差異情況，檢測是否有漏播的情況，根據空種穴進行點播，避免誤差情況發生。4）作物大數據分析功能，在云數據平臺中，以人工控制為前提，依靠環境信息采集系統對播種間距與深度等信息進行自動采集與記錄，再經過匯總后為機器人的播種作業實施提供科學參考。

1.3 工作原理

農業播種機器人的整體框架采用了空心方形鋁管，各部分零件在螺栓的作用下固定，最終形成了矩形的底座，鋁管憑借螺栓穿過基座，此時鋁管有著支撐梁的作用，可以減少播種機器人運動時框架的過度擺動，保持機器人結構剛性與運行穩定性。鋁管需焊接于底座位置，可支撐直流電機工作，倒U型支架與梁體焊接，以此更好地固定曲柄滑塊及相關組件[9]。

使用有機玻璃制作機器人的種植貯藏容器，該材料有著強度高和輕量化的特性，容器底部會有1個洞，其中連接橡膠軟管，種子就是通過軟管分發到具體播種路徑中，完成種子的自動播種操作。貯藏容器右側位置會有圓形孔，用來安裝分苗機構的構件，曲柄滑塊及連桿由PLA長絲打印，使播種機構不會受到腐蝕性影響，與機器人的底座相連，電機被固定于支架處，L298N電機驅動器和單片機之間有效連接。機器人工作期間，直流電機對曲柄進行轉動，驅動注射桿插入地面，種子被播到土壤深處。旋轉曲柄滑塊，隨后圓形板旋轉，鏟斗挑起了種子，種子被送到播種路徑內，完成播種操作[10]。

2 農業播種機器人的系統設計與實現

2.1 系統設計

2.1.1 電路系統設計

機器人采用3 000 mAh可充電12 V鋰電池，這是一種可充電電池，能夠與Arduino Mega微控制器相連，為機器人的電子元件工作提供充足的動力。操作人員可以在電路系統中控制機器人播種作業開關，從而節約能耗，提高資源利用率。

2.1.2 控制系統設計

機器人的控制系統當中，直流電機擁有高扭矩特性，后期維修成本較低，控制系統包含4個變速直流電機，其額定電壓為5 V，電流為0.2 A，可驅動輪子前進，推動底座運動，使機器人在各種路面或粗糙土壤中前進。直流電機由L298N驅動器構成，可控制電機運行速度與方向，并從微控制器端接收信號，再將電流控制信號轉為高電流信號，以此達到驅動電機的目的。驅動器的工作功率較高，可驅動通道中額定電壓與電流分別為35 V與2 A的電機工作。單片機在數字信號作用下，將指令傳遞給驅動器，實現對旋轉方向和轉速的有效控制。

控制器能夠對機器人的田間運動軌跡加以操作，并采用無線Play Staion2控制器，直流電機由PWM進行速度調節，這是一種脈寬調制技術。智能控制系統經過Arduino IDE編程和Mega微控制器使用，使控制器和驅動器固定于機器人前端。機器人可以朝著前后左右4個方向移動，停止功能可以讓機器人在等待下一個命令期間保持靜止狀態。微控制器內包含自主模式，使機器人沿著直線自主移動，在系統設定的行程距離下進行播種。PS2控制器可以對機器人的運動進行控制，通過箭頭按鈕操控機器人運行方向。

2.1.3 機器人直線校準

采用增量式PID控制算法，即數字控制器輸出為控制量的增量ΔUk，關于PID控制器的理想化方程大致如下：

上述公式當中，e(t)和u(t)分別指的是控制器輸入與輸出信號；Kp指的是控制器的比例系數；Ti是積分時間常數；Td是微分時間常數。Ti較短的時候，可經過離散化將方程轉為差分方程，經過累加代替積分，以矩形積分代替連續積分近似值的方法，得出增量式PID控制算法。

采用數字指南針完成機器人直線校準，利用系統中的磁場檢測模塊，根據地球磁場的實際變化情況掌握機器人所在方位，再以0～360的數字表示方位信息，將檢測到的數據傳輸給終端。0與360表示的是正東方向；90和180分別代表正南與正西方向；270代表正北方向。如果將機器人設定為正東方向播種，隨后進行增量式PID控制器應用下的運行播種，延時時間為2 s，使用指南針對機器人行進方向做出調整。如果0＜θ≤180，需逆時針調速，讓機器人回歸正東方向；如果180＜θ≤360，需順時針調速。

2.2 程序測試分析

農業播種機器人的測試會有專門的試驗地點，共兩條長度為20 m的播種路徑，機器人在起始點，朝著紅色箭頭的方向移動并進行播種作業。將系統設定成自主模式，播種機構會按照5 km/h的速度直線行走20 m，植株間的間隔保持在0.2 m。完成第一個播種路徑后，機器人操作停止，人員手動操作，將機器人帶到第二個路徑繼續自動播種作業。

2.3 系統實現

通過對播種機器人的優化設計，最終系統實現如下：

1）運動系統，播種機器人多為車式或者輪形，后橋兩輪屬于驅動輪，前橋屬于轉向輪，12 V直流電機是系統的驅動設備，通過與減速箱的銜接可增加扭矩，從而提升機器人對于高負載作業條件的適應性，應用雙H橋電路進行運動系統的控制，采用鋰電池，在機器人上部安裝太陽能板，實現對太陽能資源的高效利用，盡可能地降低對電池的消耗。

2）播種系統，如今的播種機器人正朝著精密化與智能化的方向發展，可實現單粒種穴播種，采用單粒穴播種器，每個種穴內放置1粒種子，避免出苗之后進行間苗作業，使作物營養面積更加均勻。機器人的中耕作物行距偏寬，需根據實際情況做出調整，所以穴播機會應用單體形式，多個單體按照行距要求安裝于同一橫梁處，最終形成了行數與幅寬各不相同的穴播機。

3）漏播檢測補播系統，以三原色原理為基礎，在TCS3200D傳感器的作用下檢測種穴內的顏色，再將檢測到的信號返回給控制系統，系統經過色彩信號處理后確定是否存在漏播的情況。如果種穴屬于空穴，那么控制系統將會向機器人發出指令信號，驅動點播機進行補播。點播機械包含播種嘴、種斗以及舵機開關三部分，播種嘴位于地面上方位置，可對種穴播種；種斗能存儲種子；舵機開關可控制播種嘴。

4）環境交互系統，以采集環境信息為目的，對信息展開信號處理，從而規避障礙，實時返回工作畫面，將播種信息及時上傳到云數據庫中。機器人自主播種時采用時間差距法檢測前方是否有障礙物，以便在慣性導航系統的作用下躲避障礙物，躲避動作后再次回到RRT算法，繼續完成系統設定的播種作業。

3 農業播種機器人試驗研究

3.1 播種性能測試

為更好地驗證機器人在田間的播種作業效率，將設備5 min之內的播種數量同人工播種的數量進行對比。采用玉米種子進行試驗，按照機器人運動速度與播種機構運行速度，每分鐘可以播種30粒，5 min可播種150粒。因機器人在操作期間存在著一定的不確定性或精度誤差，所以實際播種數量會有差異。試驗期間，播種機器人可以將138粒種子播到土壤內，成功率可以達到92%，與人工播種相比，作業效率提升35%，具體試驗情況如表1所示。

表1 農業播種機器人播種操作試驗 單位：粒

3.2 電池壽命測試

對機器人展開電池壽命測試分析，確保電池可以長時間工作。自主模式中，機器人連續運行，到達測試路徑的終點時，試驗操作人員手動操控機器人，將其放置在第二條路徑繼續播種作業，重復上述操作，最后得知機器人從滿電量一直到耗盡所有電量需要4 h，這一數值可以滿足機器人基本播種作業需要。

4 總結

總而言之，本研究以農業播種機器人為研究對象，采用四輪設計模式，使機器人在各種土壤環境中移動。播種機構應用曲柄滑塊使種子種植在土壤內，經過田間試驗，得知機器人5 min可播種138粒，成功率可達到92%，省時省力，可提升播種效率。