遙操作農(nóng)田信息采集機器人控制系統(tǒng)研究

程玉柱，陳勇，王紅星，胡娜，沈旭

摘要：提出了一種基于遙操作機器人的農(nóng)田信息采集方法，設(shè)計了新型農(nóng)田信息采集機器人的控制系統(tǒng)并制造了移動機器人樣機。主控計算機與車載網(wǎng)絡(luò)攝像機構(gòu)成無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)視覺圖像傳輸。在遙操作模式下，操作人員通過計算機導(dǎo)航軟件控制機器人的動作，實現(xiàn)遙控導(dǎo)航和信號采集，可為精確農(nóng)業(yè)提供原始數(shù)據(jù)。試驗結(jié)果表明，機器人工作可靠性高、穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田信息采集；機器人；遙操作；控制系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：Ｓ１２７文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）14－3080-04

Ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａ Ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ Ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｆｉｅｌｄｓ

ＣＨＥＮＧ Ｙｕ－ｚｈｕ，ＣＨＥＮ Ｙｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｘｉｎｇ，ＨＵ Ｎａ，ＳＨＥＮ Ｘｕ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｎａｎｊｉｎｇ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３７，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． A ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ ｒｏｂｏｔ was presented； a ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ was designed； ａｎｄ ａ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ was developed． Ｈｏｓｔ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ａ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃａｍｅｒａ ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅd ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｉｄｅｏ ｉｍａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ． Ｉｎ ｔｅｌｅ－ｏｐｒａｔｅｄ ｍｏｄｅ， ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｏｒ ｔｏ realize ｔｈｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ which could ｐｒｏｖｉｄｅ ｒａｗ ｄａｔａ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗed ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃould ｗｏｒｋ with ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｆｉｅｌｄｓ； ｒｏｂｏｔ； ｔｅｌｅ－ｏｐｅｒａｔｅｄ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ

“精確農(nóng)業(yè)”技術(shù)是２１世紀實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化的重要內(nèi)涵和目標，農(nóng)田信息的采集是實現(xiàn)“精確農(nóng)業(yè)”的前提［１，２］。因此，研究和設(shè)計一種全面、實時的農(nóng)田信息采集方法和裝備具有重要意義。

農(nóng)田信息包括氣象、土壤、水肥等環(huán)境信息和農(nóng)作物生長信息，根據(jù)農(nóng)田信息來控制農(nóng)藥、水肥等的投入水平，可以有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率［３］。國外農(nóng)田信息采集主要研究有：Iida等［４］開發(fā)了六足昆蟲機器人，利用風(fēng)速儀和氣體傳感器，探測農(nóng)田風(fēng)速、定位ＣＯ２氣體；Ｍｕｒａｋａｍｉa等［５］開發(fā)了遙控農(nóng)業(yè)機器車，利用谷歌地圖進行導(dǎo)航，實現(xiàn)多種農(nóng)田操作；Garcia等［６］利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分布式農(nóng)田視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。國內(nèi)信息采集方法主要有手持傳感器定點采集樣本、結(jié)合３Ｓ技術(shù)信息采集、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集。沈明霞等［７］開發(fā)了基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的農(nóng)田信息實時采集終端；蔡義華等［８］設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)田信息采集節(jié)點等。

本研究設(shè)計了一種基于無線局域網(wǎng)的遙操作農(nóng)田信息采集移動機器人控制系統(tǒng)，可在機器人行進的過程中流動地采集農(nóng)田數(shù)據(jù)信息，可靠性高，穩(wěn)定性好。

１信息采集機器人工作方式

農(nóng)田信息采集機器人在遙控操作模式下工作，操作人員在個人計算機前觀察由無線網(wǎng)絡(luò)攝像機傳回的農(nóng)田視頻圖像，通過導(dǎo)航軟件遠程控制機器人的動作，實現(xiàn)對機器人的遙控和農(nóng)田信息采集；農(nóng)田信息分析軟件嵌入Ｓｕｒｆｅｒ等值線繪圖軟件，生成并顯示農(nóng)田多維信息圖層，以便農(nóng)業(yè)科技人員科學(xué)地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

２信息采集機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

２．１控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)田信息采集系統(tǒng)主要由移動機器人和個人計算機兩大部分組成，如圖１所示。移動機器人車體上搭載無線網(wǎng)絡(luò)攝像機、導(dǎo)航控制器、射頻通信單元、農(nóng)田信息采集單元等；個人計算機通過軟件實現(xiàn)多種功能，包括農(nóng)田信息采集、遙操作導(dǎo)航、無線視頻圖像傳輸、農(nóng)田信息分析等。

無線網(wǎng)絡(luò)攝像機、無線路由器和個人計算機構(gòu)成無線局域網(wǎng)，實現(xiàn)機器人和個人計算機之間的視頻圖像傳輸。操作人員根據(jù)農(nóng)田視頻圖像，通過射頻發(fā)射裝置向移動機器人發(fā)送遙操作導(dǎo)航指令和農(nóng)田信息采集等指令，實現(xiàn)機器人運動和信息采集。

２．２無線局域網(wǎng)（ＷＬＡＮ）

個人計算機與無線網(wǎng)絡(luò)攝像機構(gòu)成的局域網(wǎng)采用ＩＥＥＥ ８０２．１１協(xié)議標準，２．４ ＧＨｚ頻段，ＯＦＤＭ調(diào)制技術(shù)，能夠與Ｗｉ－Ｆｉ互聯(lián)互通；本研究選用Lｉｎｋｓｙｓ公司的ＷＶＣ２００無線網(wǎng)絡(luò)攝像機，具有ＭＰＥＧ－４高壓縮率的視頻解壓縮技術(shù)，傳輸圖像通過ＷＲＴ５４Ｇ路由器實現(xiàn)信號傳輸和轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)傳輸速率可達５４ Ｍｂｐｓ，１２８位ＷＥＰ加密，ＰＣ機通過無線網(wǎng)卡接收圖像。

２．３機器人車體主控制器

機器人車體主控制器包括導(dǎo)航運動控制器與射頻通信單元。

導(dǎo)航運動控制器包括：微控制器（圖２－ａ）、直流電機驅(qū)動電路（圖２－ｂ）、步進電機驅(qū)動電路（圖２－ｃ）；射頻通信單元包括射頻信號接口電路（圖２－ｄ）和射頻收發(fā)器。

硬件原理圖采用Pｒｏｔｅｌ ９９ＳＥ設(shè)計，軟件由Ｋｅｉｌ Ｃ編寫。微控制器選用速度快、實時性好、端口多的單片機Ｃ８０５１Ｆ３４０。單片機通過射頻信號接口電路Ｊ７與射頻收發(fā)器Ｃｙ３１９８ＴＲ相連收發(fā)無線信號；單片機根據(jù)指令并采用基于ＰＷＭ的ＰＩＤ［９］控制算法，通過Ｌ２９８驅(qū)動兩路直流電機實現(xiàn)機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)彎、越障等閉環(huán)控制；地面崎嶇造成機器人平臺有較大傾斜時，Ｌ２９７、Ｌ２９８等驅(qū)動兩路步進電機，由絲杠等機構(gòu)控制車體平衡，保持攝像機穩(wěn)定。

其中，ＴＬＰ５２１－４切斷單片機與步進電機驅(qū)動電路之間強弱電的直接聯(lián)系；Ｌ２９７可產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，控制步進電機；Ｌ２９８是能夠承受高電壓、高電流、內(nèi)部封裝的雙Ｈ橋的集成電路，驅(qū)動步進電機。

２．４ＰＣ機軟件設(shè)計

個人計算機端的軟件主要包括機器人控制軟件和農(nóng)田信息分析軟件兩大部分。

機器人控制軟件用ＶＣ＋＋６．０開發(fā)，功能包括網(wǎng)絡(luò)攝像機云臺控制與圖像顯示、機器人運動控制、農(nóng)田信息采集控制等。

農(nóng)田信息分析軟件用ＶＢ開發(fā)，功能包括農(nóng)田信息的檢索與更新、農(nóng)田多維信息圖層的生成與顯示、Ａｃｃｅｓｓ本地存儲小批量數(shù)據(jù)、ＭＳ ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ網(wǎng)絡(luò)存儲大批量數(shù)據(jù)等。

３結(jié)果

機器人外形尺寸為８００ ｍｍ×６００ ｍｍ×５５０ ｍｍ［１０，１１］，機器人由網(wǎng)絡(luò)攝像機、主控制器、直流電機、步進電機等構(gòu)成，如圖３所示。

農(nóng)田信息采集移動機器人控制界面［１２］如圖４所示，界面包括攝像機控制（控制攝像機啟動、停止、暫停等）和機器人運動控制部分（控制機器人停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等）。試驗表明，機器人懸架結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)地面起伏，減少機器人的抖動與傾斜。機器人能夠?qū)崿F(xiàn)遙控導(dǎo)航，圖像傳輸流暢，穩(wěn)定可靠，能夠滿足農(nóng)田信息采集的需要。

４結(jié)語

綜合考慮了可靠性、可操作性、成本等因素，探索為農(nóng)業(yè)技術(shù)人員提供一種基于無線局域網(wǎng)的新型農(nóng)田信息采集機器人，該機器人體積小，移動敏捷。本研究重點介紹了機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與制作。在此基礎(chǔ)上，后期將完善機器人功能，在機器人車體上配備ＧＰＳ，根據(jù)需要安裝多種農(nóng)田信息傳感器等，將農(nóng)田中各點具備的多重屬性（位置信息、土壤含水率、土壤肥力、田間氣象信息等）可視化，由農(nóng)田信息管理分析軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和整合，為田間管理和數(shù)字農(nóng)業(yè)提供信息來源。

參考文獻：

［１］ 袁燕利，邢娟，李汝莘，等． 農(nóng)業(yè)機械智能化與實施精確農(nóng)業(yè)［Ｊ］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，２００１，３２（４）：１２７－１２８．

［２］ ＢＬＡＣＫＭＯＲＥ Ｂ Ｓ． Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒｅｎｄｓ ｆｒｏｍ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｙｉｅｌｄ ｍａｐｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０００，２６（１）：３７－５１．

［３］ ＺＡＮＧ Ｙ，ＬＵＯ Ｘ Ｗ，ＺＨＯＵ Ｚ Ｙ． Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｆａｒｍｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［A］． ASABE：２００７ ＡＳＡＢＥ Ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｅｔｉｎｇ［C］． Minneqpolis：ASHEB.2007.

［４］ ＩＩＤＡ M， ＫＡＮＧ D， ＴＡＮＩＷＡＫＩ M，ｅｔ ａｌ． Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯ２ ｓｏｕｒｃｅ ｂｙ ａ ｈｅｘａｐｏｄ ｒｏｂｏｔ ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｗｉｔｈ ａｎ ａｎｅｍｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ａ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Eｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Aｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ， ２００８， ６３（1）：７３－８０．

［５］ ＭＵＲＡＫＡＭＩＡ Ｎ， ＩＴＯ Ａ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｖｅｈｉｃｌｅｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Eｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Aｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２００８，６３（1）：８１－８８．

［６］ GARCIA-SANCHES A J，ＧＡＲＣＩＡ－ＳＡＮＣＨＥＺ F， GARCIC-HARO J． Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｖｉｄｅｏ－ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ａｎｄ ｄａｔａ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ ｏｖｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｒｏｐｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，２０１１，７５（２）：２８８－３０３．

［７］ 沈明霞，叢靜華，張祥甫，等．基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的農(nóng)田信息實時采集終端設(shè)計［Ｊ］．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，２０１０，４１（６）：１４７－１５１．

［８］ 蔡義華，劉剛，李莉，等． 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息采集節(jié)點設(shè)計與試驗［Ｊ］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，２００９，２５（４）：１７６－１７８．

［９］ ＣＨＥＯＮＧ J， ＬＥＥ S． Ｌｉｎｅａｒ ＰＩＤ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｉｔｓ ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｌｉｎｋ ｒｏｂｏｔｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００８，３（１４）：２９１－３１８．

［１０］ 胡娜，陳勇，王紅星．農(nóng)田信息采集機器人機構(gòu)設(shè)計與奇異性分析［Ｊ］． 機器人，２０１０，３２（３）：３６３－３６８．

［１１］ 胡娜．農(nóng)田信息采集機器人本體研制［Ｄ］．南京：南京林業(yè)大學(xué)，２００９．

［１２］ 王紅星．農(nóng)田信息采集機器人控制系統(tǒng)研究［Ｄ］．南京：南京林業(yè)大學(xué)，２００８．