一種新型溫室噴藥機器人的研制*

張沛文，楊秀芳，吳忠林，王平泉

（揚州工業職業技術學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著全球人口的不斷增長以及對農產品的需求不斷增加，農業生產的現代化和高效化已成為當前和未來的發展方向。在農業現代化的進程中，溫室種植以其優質、高產、高效、節水等優點，逐漸成為重要的種植模式之一。然而，傳統的溫室噴藥手段存在著許多問題，如人工噴灑農藥，藥液噴灑浪費并存在工人中毒風險；鋪設管道噴藥，噴灑不均勻，污染環境，無法滿足立體農業的施藥需求。

近年來，隨著機器學習、導航技術、圖像識別技術等先進技術的快速發展，機器人在農業生產中發揮著越來越重要的作用。溫室噴藥機器人作為其中的一項重要應用，以其高效、精準的特點，受到了市場的矚目和迫切的需求。因此，研發一種新型的溫室噴藥機器人，不僅可以提升我國農業生產的效率和質量，還可以減少資源浪費、保護環境，對于促進農業現代化發展具有積極的意義。

1 溫室噴藥機器人整體架構

本溫室噴藥機器人由聯合式底盤、視覺系統、磁道航系統和噴藥機構等組成，可以實現自動導航、植物監測、精準噴藥等功能[1]，整體3D造型如圖1所示。溫室噴藥機器人的底盤設計采用了聯合式結構，由兩個對稱的履帶式移動機構組成，可以適應不同地形和溫室環境。這種設計具有較高的越障能力和穩定性，能夠保證機器人在溫室內的移動和操作精度。視覺系統是溫室機器人的重要組成部分，它由兩個高清攝像頭和一套圖像處理系統組成。攝像頭安裝在機器人頂部，可以拍攝溫室內的全景圖像，并通過圖像處理系統進行實時分析和處理[2]。通過圖片數據處理可以對溫室內的植物生長情況、病蟲害情況進行監測和識別，為后續的精準施藥提供數據支持。磁道航系統是一種基于磁場導航的路徑規劃方法，它由一組磁道和磁傳感器組成。磁道預先設置在溫室內的指定位置，機器人通過磁傳感器讀取磁道的磁場信息，從而確定自身的位置和方向。該系統可以實現精確的路徑規劃和自主導航，確保機器人在溫室內的移動精度和效率。噴藥機構是溫室機器人的核心執行機構之一，它由藥液儲存裝置、泵送裝置和噴頭組成。藥液儲存裝置可以容納一定量的農藥，通過泵送裝置將藥液輸送到噴頭，最后將藥液噴灑到溫室內的植物上[3]。

圖1 智能噴藥機器人3D造型

2 聯合式底盤

為了適應溫室大棚復雜的工作環境，本噴藥機器人的底盤設計采用了與傳統履帶式“四輪一帶”結構不同的“五輪一帶”結構，即聯合式底盤[4]。這種設計包括行駛系、輪系、張緊裝置以及懸掛等組成部分。輪系是該底盤設計的主要組成部分，它主要由驅動輪、支撐輪、誘導輪、拖帶輪和鏈輪等組成，如圖2所示。驅動輪用于提供動力，支撐輪則起到保持履帶鏈條正確位置和張緊狀態的作用。拖帶輪的作用是防止履帶板側向擺動，而鏈輪則分布在履帶鏈條的底部，起到支撐和穩定的作用。這種底盤設計使得施藥機器人具備良好的穩定性和機動性，能夠適應溫室大棚復雜的工作環境。

圖2 聯合式底盤結構示意圖

為了滿足本文大棚地形需求，參考選擇使用履帶式底盤車Safari-880T，如圖3 所示。可承載100 kg 的設備無所不至。懸掛采用克里斯蒂+瑪蒂爾達四輪組平衡懸掛，可適應重載避震。全車安裝6 枚避震器組合獨特的撞擊吸能設計，可有效地減少地形沖擊。適用于溫室大棚復雜環境下的機器人移動解決方案。

圖3 履帶式底盤車Safari-880T

3 視覺系統

噴藥機器人的視覺系統是現代農業生產中智能化技術的重要應用之一。它不僅綜合了高清圖像捕捉、實時數據處理、光譜分析等多項先進技術，還為農業生產提供了全面而精準的支持，實現了農業生產的自動化和智能化。該視覺系統采用了Pixy 相機，這是一種專門為機器人視覺應用設計的設備。Pixy相機不僅可以實時捕捉農作物的生長情況，還擁有強大的圖片處理能力，能夠為機器人提供清晰且準確的視野，從而能夠精準地觀察和識別植物。在噴藥機器人的視覺系統中，全卷積神經網絡（FCN）操作也是一項關鍵技術。FCN 是一種深度學習算法，可以自動學習圖像特征，并進行像素級別的語義分割。在噴藥機器人的視覺系統中，FCN 可以用于目標區域識別和噴藥區域的精準定位，從而提高了噴藥的準確性和效率。

3.1 基于全卷積神經網絡（FCN）的農作物病蟲害識別算法

全卷積神經網絡（Fully Convolutional Networks,FCN）是一種端到端的圖像分割方法，它由Shelhamer等在2014 年提出。這種網絡設計基于全卷積層替換了末尾的全連接層，使得網絡可以接受任意尺寸的輸入圖像，并產生相同尺寸的輸出。FCN 的主要優勢在于它能夠像素對像素地進行預測，直接生成與輸入圖像相同大小的分割圖。此外，FCN 還具有端到端的訓練、能夠處理任意大小的輸入圖像以及參數較少等優點。它也被廣泛用于語義分割、物體檢測和人臉識別等領域。

FCN 是一種特殊的卷積神經網絡，它的主要特點是將全連接層替換為卷積層，使得網絡輸出不再是類別，而是熱力圖或類別分布。這樣做的好處是，可以將圖像的語義信息編碼到網絡的最后一層，從而在輸出端得到一個像素級別的預測。在傳統的卷積神經網絡中，最后一個全連接層通常會輸出一個固定長度的向量，這個向量的長度通常與類別的數量相等。這個向量的每一個元素都代表了對應類別的概率，因此，可以認為這個向量的每一個元素都是一個像素的類別概率。然而，由于全連接層對輸入的尺寸有要求，因此在進行卷積和池化操作后，需要對圖像進行上采樣或下采樣來匹配全連接層的輸入尺寸。這樣做可能會導致圖像的分辨率降低，從而影響了輸出的精度。而FCN 通過將全連接層替換為卷積層，使得網絡可以接受任意尺寸的輸入圖像。在FCN 中，最后一個卷積層輸出的特征圖仍然包含每個像素的類別信息，但是這個特征圖的尺寸與輸入圖像的尺寸相同。因此，不需要對圖像進行上采樣或下采樣來匹配全連接層的輸入尺寸。這種方式不僅提高了網絡的性能，而且使得FCN可以廣泛應用于各種不同尺寸的圖像。在FCN中，為了解決因為卷積和池化對圖像尺寸的影響，確實提出了使用上采樣的方式來恢復圖像的原始尺寸。這種上采樣通常通過轉置卷積（也稱為反卷積）實現。在轉置卷積中，通過逆向地應用卷積操作來增加特征圖的尺寸，如圖4所示，具體來說，首先對特征圖進行逐點乘積累加操作（與正常的卷積操作相反），然后再使用一些像素點的值來填充剩余的位置，以恢復原始的圖像尺寸。這樣做的效果是，可以在保持圖像原始尺寸的同時，保留經過卷積和池化操作后的語義信息。

圖4 FCN實現end-to-end圖像語義分割

如圖4 所示，FCN 的輸入可以是任意尺寸的彩色圖像。它的輸出與輸入的尺寸相同，這意味著它會生成一個與輸入圖像大小相同的輸出圖像。而輸出圖像的深度為21，這是因為網絡被訓練來識別20 個類別的目標加上背景，所以總共有21 個類別。每個像素在輸出圖像中都有一個類別標簽，這通常表示該像素屬于哪個類別（目標或背景）。

使用FCN 深度學習網絡識別籬架型植物病蟲害的好處在于，它可以對植物圖像進行像素級別的分類和識別，從而精確地檢測出病蟲害的位置和程度。相比傳統的人工識別方法，FCN 網絡可以更快速、更準確地完成識別任務，大大提高了識別效率和精度。此外，FCN 網絡具有較強的泛化能力，可以適應不同類型、不同生長環境的籬架型植物，為農業生產提供更全面、更有效的支持[5]。

3.2 Pixy深度相機

噴藥機器人執行任務時，常利用高清攝像頭，即Pixy 相機，如圖5 所示，進行農作物情況的捕捉，具體相機參數如表1 所示。這款相機具備實時圖像捕捉的能力，還擁有強大的圖片處理能力，為機器人提供了清晰且準確的視野，從而能夠精準地觀察和識別植物[6]。此外，機器人的光譜分析功能使得它能夠對植物的生長狀態和葉片健康狀況進行全面評估，同時，也能敏銳地檢測到可能出現的害蟲或病害，進一步提升了噴藥機器人的工作效率和準確性。

表1 Pixy 深度相機參數

圖5 Pixy深度相機

整套視覺系統通過實時數據處理技術，使機器人能夠快速分析圖像信息，作出實時決策，調整噴藥策略，保證了高效的噴藥執行。智能化的視覺系統支持溫室噴藥機器人能夠在不同的環境條件下，以高度自適應的方式完成施藥任務，為農業生產提供了可靠的技術支持。

Pixy 模塊內置一顆恩智浦雙核架構數字處理器，主頻為204 MHz。NXP LPC4330 處理器，可處理分辨率1 280*800 50幀的圖像，可對低像素圖像中的區域進行實時識別與定位；支持UART、SPI、IIC 通信；能夠識別多種不同顏色的目標區域，也可使用Pixy Mon 軟件對任一區域進行標記學習，并獲取目標圖像[7]。

4 樹莓派控制器

樹莓派是一款開源的微型電腦，其系統基于Linux。它具有強大的計算能力和靈活的編程環境，可以用于執行各種自動化和智能化的任務。在病蟲害檢測方面，樹莓派可以通過數據采集、數據存儲、程序遷移等步驟實現。通過攝像頭采集農作物圖像信息，由樹莓派微型計算機執行算法，進行圖像處理。樹莓派微型計算機通過數據存儲器存儲溫室籬架型農作物病蟲害圖像識別處理過程中的各種數據，隨后將樹莓派微型計算機程序存儲器中的農作物病蟲害圖像識別基本程序遷移到微型計算機中的程序存儲器進行圖像識別[8]。最終分析出植株的健康狀況及染病類別。做到上述操作需用到樹莓派4B，產品如圖6 所示，其具有更快的處理速度、更多的內存和更豐富的I/O 接口。同時，樹莓派4B 還支持Wi-Fi和藍牙連接，方便用戶進行無線連接和數據傳輸。

圖6 樹莓派4B處理器

樹莓派4B 體積小巧，安裝所需空間較小，可適用于本文的智能噴藥機器人。同時系統操作簡單，易于上手，對于用戶群體來說較為友好，對于版本更迭升級靈活，可擴展性能強。采用深度學習等先進技術，提高了病蟲害檢測的準確率。對于智能噴藥，起到了很大的提升作用，從而提升其防治效果。

5 磁導航系統

相較于傳統的導航方法，如激光雷達或視覺識別，磁導航具有更強的抗干擾性和定位精度，能夠穩定準確地運行于復雜環境中。本文設計的噴藥機器人通過預先在溫室大棚鋪設的磁條軌道來預設行進路程。其工作原理基于磁場感應定律，利用傳感器感知周圍環境的磁場強度和方向。磁導航傳感器通常包括磁場感應元件和信號處理電路兩部分，如圖7 所示。磁場感應元件可以是磁阻傳感器、霍爾傳感器等，它們的特性在受到外部磁場影響時會產生相應的電信號變化。這些變化反映了周圍環境的磁場狀態。信號處理電路負責將傳感器采集到的電信號進行放大、濾波和轉換，以便得到準確的磁場信息。通過合理設計的算法和電路，傳感器可以將這些信息轉化為具體的導航、定位數據。磁導航傳感器的工作原理使得它們在缺乏GPS 信號或者需要高精度導航的場景下得到了應用[9]。在溫室大棚中，環境復雜多變，磁導航傳感器可以穩定準確地引導車輛進行自主導航，為自動化提供了可靠的技術支持。

圖7 磁導航傳感器

本文設計的履帶式智能施藥機器人使用廣州聯網科技有限公司生產的D-MNSV6-X16 型磁導航傳感器，D-MNSV6-X16 是專為AGV 磁條導航設計的一款工業級磁導航傳感器。傳感器具體參數如表2 所示，傳感器布置于噴藥機器人前端底部，為防止與貼地磁條間距離過大而導致磁感應過弱，設置為距離地面約5 cm。

表2 磁導航傳感器參數

6 立式噴藥機構設計

噴桿組件位于底盤上方，由于黃瓜為籬架型作物，噴桿以立式結構安裝。該噴藥機構由兩個型材件構成，分別是垂直型材和水平型材。垂直型材用于支撐整個噴藥機構，并使噴管及噴嘴固定在立柱上。水平型材則與垂直型材相連接，用鋁合金角碼固定，形成一個穩定的框架結構。噴桿為兩根1.8 m 的鋁合金管，兩個噴桿相距40 cm，下部以兩根鋁合金橫桿連接，可用套筒固定使噴桿完全直立，結構設計簡單，易于操作。

在測試過程中，噴桿結構穩定，不易晃動，在不平路面行駛時，噴桿直立穩定，但產生晃動影響噴灑工作[10]，如圖8 所示。

圖8 立式噴桿

本噴藥機器人采用銳晨生產的05152 型號泵，如圖9 所示，對比于市場上的其他泵，它可以高效、可靠地汲取藥液。參數如表3 所示，它具有多種優點，例如能夠處理各種黏度的液體，輸送精度高且流量穩定，密封性好且維護方便等。這種泵適用于各種應用場景，例如噴藥、灌溉、施肥等。通過使用這種泵，溫室機器人可以更精確地控制農藥的噴灑量，提高種植效率和質量，同時減少農藥的使用量和浪費。

表3 05152泵參數表

圖9 05152型號泵

如圖10 所示的噴藥機構管路，利用三通管路，將藥液分流，通過兩路噴嘴管。三通管路的設計還需要考慮流體動力學性能。在設計時，需要確保流體在通過三通管路時不會出現渦流、流速不均等現象。為了實現這一目標，可以采用計算機流體動力學（CFD）分析等技術進行模擬和優化[11]。三通管路對于提高灌溉效率、減少資源浪費具有重要意義，可滿足實際應用中籬架型植物噴灑需求。

圖10 噴藥機構管路設計圖

7 結論

智能噴藥機器人通過先進的圖像識別技術，能夠準確地識別出病蟲害。通過對大量圖像的學習和分析，機器人能夠識別出不同種類、不同程度、不同部位的病蟲害，甚至能夠預測出病蟲害的發展趨勢。這種精準識別能力不僅提高了防治效果，也大大減少了藥液的浪費和環境污染。除了精準識別病蟲害外，智能噴藥機器人還具備靶向噴藥的能力。通過高精度的噴頭和精確的控制程序，機器人能夠將藥液精確地噴灑到目標區域，既保證了防治效果，又避免了藥液對其他區域的污染。此外，機器人還能夠根據病蟲害的情況和作物的生長階段，自動調整噴藥的量和頻率，實現了真正的精準噴藥。智能噴藥機器人的應用將帶來許多其他好處。首先，它提高了防治效率，減少了人工噴藥的勞動強度和時間成本。其次，通過精準噴藥，機器人降低了藥液的使用量，減少了農藥對環境的負面影響。最后，智能噴藥機器人的應用也提高了農作物的產量和品質，為農民帶來了實實在在的收益。