化肥農藥智能噴灑機器人系統的研究

胡寧峪，莫名韶，黃宇婧，韋雅曼，莫 莉，鄒穎豐

（1.南寧職業技術學院，廣西 南寧 530008；2.廣西廣播電視技術中心，廣西 南寧 530022）

0 引言

在現代農業的領域中，傳統的農田農藥化肥噴灑作業方式多為固定式噴灑，不僅效率低、功能簡單，且勞動成本高，無法高效推動農業現代化發展。隨著科學技術的不斷發展，控制技術、導航技術及檢測技術等方面的進步，通過提高農業生產裝備的智能化水平已經成為當前農業工程的發展趨勢[1]。將智能控制技術應用到農業生產，通過深入研究移動機器人及噴灑裝備相關技術，幫助農民找到高效而可持續的辦法。

在農業生產過程中，勞動者通常使用無人機對農田進行農藥、化肥或除草劑的噴灑，以避免直接接觸農藥，不僅安全還能降低勞動強度；同時，通過對噴灑機器人噴藥量的精確控制，還能提升效率及作業質量，減輕對環境的污染，實現精準施肥施藥。雖然目前應用無人機進行農藥化肥噴灑技術應用越來越廣泛，但無人機進行施肥施藥具有購買成本高、維護成本高、危險系數高、操作人員需要有很強的專業知識和較高的飛行器控制技能以及無法應用大棚種植領域等缺點。

針對上述無人機噴灑缺點進行農藥化肥智能噴灑機器人系統研究。通過設計出以蓄電池作為電源，使用電動機為動力的農業智能噴灑機器人模型，深入研究并設計機器人行走系統、導航系統及噴灑系統等模塊，將計算機技術、傳感器技術、GPS 技術、數據通訊技術等集成在該噴灑機器人上，實現可在無人干預的情況下根據規劃的路徑，自主完成農作物農藥和化肥的噴灑作業。

1 系統設計思路

農藥化肥智能噴灑機器人主要由RTK 定位系統、導航控制系統、噴灑控制系統、行走機構系統、傳感器系統、可旋轉噴灑系統、農藥儲料箱及電源等模塊組成。噴灑機器人可在田間通過RTK 定位系統實現對預設路徑的自動定位和導航，通過行走機構自行在田間行走。通過傳感器系統實現對農藥儲料箱的液位進行監測，可旋轉噴灑系統可在噴灑控制器系統的控制下實現360°旋轉噴灑農藥。電源部分通過可蓄電池，實現對噴灑機器人各個用電模塊的供電。

1.1 定位系統

對于定位系統，目前常用的定位系統為GPS，但普通GPS 的定位精度大于1 m，信號誤差有50%的概率會達到2 m 以上。另外，GPS 的定高不夠精確，誤差可能高達十幾米。為了提高智能噴灑機器人的定位精度，本設計采用目前在無人駕駛車輛中被廣泛應用的RTK 定位技術，即載波相位差分技術。RTK 定位技術能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，對位置的測量能夠實現實時動態檢測，達到厘米級精度[2]。通過這種方法將GPS 定位精度由原來的米級提高到厘米級。圖1 所示為RTK 技術原理圖。

圖1 RTK 技術原理

通過將RTK 技術應用到噴灑機器人的定位系統中，可以實現對噴灑作業位置的準確監控，只有這樣，才能讓噴灑小車精確行走于田間，提高噴灑的準確性和有效性。

1.2 導航控制系統

作為噴灑機器人中樞部分的導航控制系統，主要負責引導噴灑機器人的移動、控制和協調各個子系統工作。研究內容為根據需求確定一個高精度、低成本的導航系統方案，使噴灑機器人能實現根據規劃的路徑自主完成噴灑作業，并能根據環境及自身狀態自主修正工作狀態，保障作業的順利進行。另外還需要根據上訴需求確定一個性能滿足要求、穩定可靠的硬件平臺。其主要功能為：

（1）實現多種控制功能，可人工操作、智能控制、遠程控制。

（2）實現路徑規劃功能，可以將數據調用。

根據上訴設計思路，導航控制系統的設計以APM 開源飛行控制軟件為基礎，結合設計需求進行二次開發，以Pixhawk 飛控作為導航控制系統，搭載STM32F427 作為控制核心。整個導航控制系統包含Pixhawk 控制模塊、基于RTK 技術的導航模塊、數據傳輸模塊及遙控器模塊等。其軟件為APM 開源飛行控制軟件。

1.3 行走機構系統

作為整個系統的基礎部分，行走機構系統部分主要研究的是選用何種形式的行走機構，以達到在田間能夠平穩、靈活和高效的移動且對作物影響最小這一目的[3]。其主要功能如下：

（1）機械結構滿足行走、轉彎、后退，越障后所需要的動力。

（2）機械結構滿足受力強度。

（3）機械結構實現適應不同的田間壟的間距。

對于行走機構，在研究各種行走機構的優缺點后，本設計采用四輪輪轂搭載機架作為行走機構，通過兩輪轂差速進行轉向，該方案的優點在于車輪在田地里通過性更強。同時，差速轉向可實現零半徑轉向，且控制簡單。

1.4 傳感器系統

傳感器系統用于獲取機器人自身及周圍環境的狀態，主要功能是確定機器人系統正常作業需要收集的自身及環境狀態，以及采集這些狀態需要使用何種傳感器。具體功能如下：

（1）地形檢測，能夠測量作業區域的路徑并記錄。

（2）運行狀態檢測，能夠檢測出機器人的運行速度和加速度。

（3）檢測電量的功能。

1.5 噴灑系統

噴灑系統的研究內容為分析大多數作物的形態，以增加噴灑作業的高效與經濟性為目標，確定噴灑系統的機械結構、藥物的噴灑密度和覆蓋范圍。具體功能如下：

（1）自動實現噴灑，噴頭可進行360°旋轉。

（2）操作簡單方便，成本低。

（3）性能穩定，結構作業穩定。

針對各系統模塊進行設計，如圖2 所示為最終智能農藥化肥噴灑機器人總體設計架構。

圖2 系統總體設計架構

2 硬件電路實現方案

2.1 硬件平臺

智能農藥化肥噴灑機器人Pixhawk 飛控是由蘇黎世理工大學推出來的高性能飛控硬件板，板上搭載了STM32F4 系列高性能32 位單片機以及陀螺儀和電子羅盤等傳感器，同時有豐富的外部接口，可用于連接GPS 模塊、通用遙控器、舵機和電機等豐富的外部設備，配合APM 飛控程序實現噴灑小車的手動控制和自動導航控制。

2.2 RTK 導航

采用赫星Here3 RTK 導航定位模組，該模組由移動站和基準站組成。如圖3 所示為模組采用高可靠載波相位差分技術，可消除星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差、星間鐘差等多種測量誤差等。基準站的模組，差分接口輸出RTCM2.x/3.x 標準數據流。同時提供網絡RTK 的參考設計，可通過網絡向全部移動站分發差分數據流。模組靜態相對定位精度小于1 cm，中等動態相對定位精度小于2 cm，輸出速率1～10 Hz，完全滿足智能農藥化肥噴灑機器人應用場景的需求。

圖3 赫星Here3 RTK 導航定位模組

2.3 傳感器

智能農藥化肥噴灑機器人采用以激光雷達傳感器為主的傳感器設計方案。激光雷達傳感器采用YDLIDAR X3 型旋轉式激光雷達傳感器。該型傳感器可以0.6°的角分辨率，8 m 的探測距離，360°的掃描周圍環境中的物體，并反饋回與其的距離，最終形成周圍環境的點圖供控制器進行判斷。激光雷達傳感器相較于超聲波傳感器，具有探測距離遠探測范圍，物體定位精度高等特點，結合本文智能農藥化肥噴灑機器人的實際使用工況，激光雷達傳感器能更好地反饋農田復雜的環境信息，有利于智能農藥化肥噴灑機器人合理規劃前進路線。

2.4 數據通信

為使噴灑機器人能實時的與上位機通信，保證上位機對其狀態的監控，本項目采用了藍牙數傳模塊HC-05 作為噴灑機器人的數據傳輸模塊，藍牙無線通信應用廣泛，大多數筆記本電腦都支持藍牙通信。這樣在上位機端就無需另外配備接收設備即可與噴灑機器人進行通信。同時，HC-05 模塊支持藍牙串口協議SPP，可直接將其與Phxhawk 上的TELEM 數據口連接，無需附加其他轉換設備。上位機方面當PC 與HC-05 配對后，會自動生成一個虛擬的COM 口，Mission-Planner 可直接選擇該COM 口與Phxhawk 進行通信。

2.5 遙控系統

智能農藥化肥噴灑機器人遙控系統由富斯FSI6 6 通道遙控器及FS-IA6B 接收機組成。如圖4 所示為富斯FS-I6 6 通道遙控器，它除基本的油門及3個方向的搖桿外，還包含4 個撥動開關及兩個旋鈕，支持輸出通道自由映射。FS-IA6B 接收機支持6 通道PWM/PPM 輸出及電池電壓回傳等功能。通過該套遙控設備，可以高效的對智能農藥化肥噴灑機器人進行手動控制、工作模式切換及緊急工況人為干預等操作。

圖4 FS-I6 遙控器及FS-IA6B 接收機

3 軟件實現方案

3.1 主控軟件

噴灑機器人主控軟件采用APM 開源飛行控制軟件進行機器人操作系統，該軟件支持多旋翼、固定翼、直升機和無人駕駛車等無人設備，支持多傳感器數據融合，支持GPS 定位和航線規劃等多種功能，上位機上APM 開源飛行控制軟件支持MissionPlanner 軟件的MAVLINK 通訊協議，可以通過MissionPlanner 對噴灑機器人的各個設備進行監控和配置[4]。APM 飛行控制軟件包含大量的可配置參數，可根據被控對象和使用場景靈活設置。

同時由于其是開源程序，可以很方便根據項目需要自行對APM 源代碼進行二次開發。本文在APM 原有航點巡航功能基礎上，添加了結合激光雷達傳感器反饋信息的路徑規劃功能及農藥噴灑控制功能，使智能農藥化肥噴灑機器人達到使用要求。

3.2 MissionPlanner

MissionPlanner 是一個功能十分強大的通用無人載具上位機監控軟件，支持無人車輛、固定翼無人機、多旋翼無人機等設備。如圖5 所示為MissionPlanner軟件界面。

圖5 MissionPlanner 軟件

MissionPlanner 軟件可實現對無人車輛、固定翼無人機、多旋翼無人機等設備的固件更新、狀態監控以及參數配置等基本功能。此外，MissionPlanner 還具有可視化路徑規劃功能，可以高效的對所要途徑的航點精選標記并下載到設備中。如圖6 所示為Mission-Planner 軟件航點規劃功能。

圖6 MissionPlanner 軟件航點規劃功能

4 機械結構設計

噴灑機器人設計過程中不僅需要對設計思路逐個進行理論可行性分析，對于硬件系統還需要進行組裝和調試[5，6]。硬件設計是智能保證噴灑機器人能夠在田間對作物進行藥物噴灑的重要基礎，其設計包括機架、輪轂和噴頭等部分。其結構設計如圖7 所示。

圖7 噴灑機器人硬件設計

智能農藥化肥噴灑機器人機械結構使用弓形板及機架作為機器人的底部機架支撐部分。為了方便行走于凹凸不平的田間，在機架的兩側分別設置四個輪轂，在機架前端的兩個輪轂與驅動電機傳動連接，其中驅動電機位于機架的前端的左右兩側，且驅動電機驅動連接減速機，同時驅動電機的殼體海域減速機固定連接；減速機固定安裝在兩塊弓形板之間，減速機的輸出軸驅動連接輪轂；機架的頂部固定安裝有一個安裝架，將噴頭設置在安裝架的前端，且噴頭固定安裝在旋轉裝置上，方便進行范圍更廣的噴灑。

智能噴灑機器人為前輪驅動，通過驅動電機可以驅動輪轂轉動從而帶動機器人行走田間，通過舵機驅動噴頭的轉向，可以在田間對作物進行藥物的噴灑。

5 結語

本文選用一塊約100 m2的實驗苗圃進行測試。測試前先在田間隨機位置放置藥量測試卡，用于檢測噴灑機器人的噴灑覆蓋效果。在將該田地測量所得到的相關坐標及路徑規劃參數導入噴灑機器人后，機器人成功按照預設路徑進行了噴灑作業。藥量測試卡測試結果顯示，噴灑覆蓋率達到90%以上，這一結果驗證了RTK 定位技術用于農田定位導航的可行性，以及輪式行走機構在田間的通過性。

后續，農藥化肥智能噴灑機器人還計劃在易用性和通用性相關方向上深入研究，優化人界見面，簡化路徑規劃設置操作，縮短整備時間。同時，將噴灑結構進行模塊化改造，設計適配不同種類不同高度的農作物的噴頭及相關結構，使其能更加符合現代農業噴灑作業的需求。