水田小型除草機(jī)器人平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試

齊 龍，廖文強(qiáng)，馬 旭，林建衡，區(qū)志行，詹志勛

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642）

機(jī)械除草作為一種無化學(xué)藥劑投入的除草方式，具有污染少、甲烷排放低、利于秧苗生長等優(yōu)點(diǎn)［1］。目前，日本已相繼有一系列的除草機(jī)型在水稻生產(chǎn)中應(yīng)用［2－5］；我國在水田中耕除草機(jī)具的研制方面雖然相對落后，但是近年來也逐漸發(fā)展起來［6－8］。

水田中耕除草機(jī)通過水田拖拉機(jī)底盤帶動(dòng)除草部件運(yùn)動(dòng)進(jìn)而完成除草作業(yè)，然而，由于水稻行、株距較?。?biāo)準(zhǔn)行距為300mm、窄行距為250 mm；株距為100～140mm），并且機(jī)插秧時(shí)，一般在地頭都會(huì)橫插幾行稻苗，致使中耕除草機(jī)在水田作業(yè)或地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)，由于人為操作的不準(zhǔn)確致使傷苗、壓苗現(xiàn)象較為嚴(yán)重。因此，需要研制輕便、智能的除草機(jī)器人來提高除草精度，并減少傷、壓苗率。

國內(nèi)外的農(nóng)田除草機(jī)器人的研究主要集中在旱田上［9－12］，水田相對較少。在水田除草機(jī)器人研究方面，日本做了部分相關(guān)研究，其原理是通過無線通信技術(shù)把機(jī)器人平臺(tái)采集的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上處理，根據(jù)圖像處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航的功能［13］。目前，我國未見水田除草機(jī)器人的相關(guān)研究。本研究設(shè)計(jì)的水田小型除草機(jī)器人平臺(tái)控制系統(tǒng)能夠無線接收來自計(jì)算機(jī)的圖像處理信息，機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)圖像處理結(jié)果改變行走路線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航功能；同時(shí)，為了解決因意外致使自動(dòng)導(dǎo)航失效或地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)無作物行參照的情況，本系統(tǒng)增加了手動(dòng)遙控功能，可以通過遙控手柄靈活控制機(jī)器人應(yīng)對各種圖像處理無法實(shí)現(xiàn)的狀況。

1 整體架構(gòu)及描述

水田小型除草機(jī)器人平臺(tái)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。整個(gè)控制系統(tǒng)主要由車載控制模塊、PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊、遙控端控制模塊3部分組成，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人平臺(tái)的2種控制方式:自動(dòng)導(dǎo)航控制和遙控手柄控制。車載控制模塊在同一時(shí)間只接受一種控制方式，自動(dòng)導(dǎo)航模式或手動(dòng)遙控模式。

當(dāng)控制系統(tǒng)處于自動(dòng)導(dǎo)航模式時(shí)，攝像機(jī)攝取的稻田影像通過無線影音傳輸器和圖像采集卡傳送到PC機(jī)中進(jìn)行處理（該導(dǎo)航算法部分本文未涉及），車載控制模塊的單片機(jī)不斷接收由PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊轉(zhuǎn)譯的圖像處理結(jié)果，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走的2臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平臺(tái)的位姿調(diào)整和自律行走。當(dāng)因意外狀況或地頭轉(zhuǎn)彎導(dǎo)致自動(dòng)導(dǎo)航失效時(shí)，可采用手動(dòng)遙控功能，即通過遙控手柄控制機(jī)器人的行走。

圖1 水田小型除草機(jī)器人平臺(tái)控制系統(tǒng)原理Fig.1 Working principle of control system of miniweeding－robot platform in paddy field

2 車載控制模塊

2.1 硬件設(shè)計(jì)

車載控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，安裝在水田小型除草機(jī)器人平臺(tái)上。主要由nRF905無線收發(fā)器、C8051F340單片機(jī)、H橋大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L9958SB以及電源電路組成，如圖2所示。

圖2 車載控制模塊實(shí)物Fig.2 Control system on platform

根據(jù)復(fù)雜的水田環(huán)境，選擇大功率、大扭矩帶編碼器的空心杯直流減速電機(jī)（JCF765344，F(xiàn)aul haber）作為機(jī)器人平臺(tái)行走的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其額定電壓為24V、功率為150W、輸出轉(zhuǎn)速為60r／min、扭矩為120kg·cm。在電源設(shè)計(jì)上，車載系統(tǒng)電池采用2塊膠體電池（12V－12Ah）串接成24V電源，通過電源芯片LM2596－5.0 及AMS1117－3.3將24V的電池電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5VDC以及3.3VDC，分別供給外圍電路及單片機(jī)處理電路。

作為邏輯控制中心的C8051F340單片機(jī)通過讀取nRF905無線收發(fā)器接收到的自動(dòng)導(dǎo)航信息或者手動(dòng)遙控命令，將其解碼并轉(zhuǎn)譯成電機(jī)控制命令，通過DI、EN引腳完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L9958SB的使能，同時(shí)通過PWM、DIR引腳來實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)脈沖的輸入，進(jìn)而完成對機(jī)器人平臺(tái)行走及轉(zhuǎn)向的控制和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新，車載控制模塊電源及電機(jī)控制電路如圖3所示，其中 U1為5VDC－DC芯片 LM2596，U2為REG1117－3.3V穩(wěn)壓芯片，U3 為單片機(jī)C8051F340，U4為 H橋驅(qū)動(dòng)芯片L9958SB，D1、D7為肖特基二極管，F(xiàn)1為10A保險(xiǎn)絲，M為直流減速電機(jī)。

圖3 車載控制模塊電源及電機(jī)控制電路Fig.3 Circuit diagram of control system on platform

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)上，采用狀態(tài)機(jī)的思想，詳細(xì)明確地劃分邏輯功能模塊，提供統(tǒng)一控制參數(shù)；在源代碼的可讀性及軟件容錯(cuò)性上提供了很好的支持。

車載控制模塊的軟件設(shè)計(jì)劃分為4個(gè)部分（見圖4），分別為系統(tǒng)啟動(dòng)的初始化、狀態(tài)管理、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序以及數(shù)據(jù)反饋程序。

圖4 車載控制系統(tǒng)狀態(tài)流程圖Fig.4 State flow chart of control system on platform

程序初始化后，狀態(tài)管理程序主要完成根據(jù)回讀數(shù)組的首字節(jié)實(shí)現(xiàn)各個(gè)狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序主要功能是在判別空中接口的指令為電機(jī)控制命令后，轉(zhuǎn)入電機(jī)狀態(tài)更新函數(shù)，根據(jù)回讀數(shù)組的第2字節(jié)和電機(jī)狀態(tài)命令表的對比更新電機(jī)狀態(tài)；數(shù)據(jù)反饋程序主要用于擴(kuò)展，該程序根據(jù)上位機(jī)讀取車體各傳感器參數(shù)重置系統(tǒng)，車載控制模塊狀態(tài)流程如圖5所示。

圖5 PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊實(shí)物Fig.5 Information translation and sending module on PC

機(jī)器人平臺(tái)動(dòng)作的控制是通過固定長度的脈沖信號，使左右電機(jī)各自轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度以實(shí)現(xiàn)循跡運(yùn)動(dòng)，其脈沖寬度取決于硬件系統(tǒng)的最高響應(yīng)精度。平臺(tái)轉(zhuǎn)角控制計(jì)算公式如下:

式中:ψ為轉(zhuǎn)動(dòng)角度（rad）；T為脈沖寬度（ms）；V 為履帶線速度（m／s）；NL、NR為輸入左、右電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖數(shù)。

3 PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊

3.1 硬件設(shè)計(jì)

PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊主要由RS232串口通信電路、nRF905無線收發(fā)器、單片機(jī)C8051F340、電源電路、LED指示燈、USB供電及擴(kuò)展接口組成（見圖5），其主要作用是完成PC機(jī)與車載控制模塊間的通信連接。系統(tǒng)中與電腦通信的接口是RS232串口，亦可在模塊中加載USB驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與電腦的USB通信。

PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊的核心是串口對無線接口的轉(zhuǎn)換處理，模塊通過串口電路RS232與PC機(jī)進(jìn)行有線的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)通過C8051F340單片機(jī)內(nèi)置對碼表實(shí)現(xiàn)有線到無線的轉(zhuǎn)換，從而把對應(yīng)的命令無線發(fā)送到車載控制模塊上并實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊電路如圖6所示，其中U1為nRF905無線收發(fā)器，U2為單片機(jī)C8051F340，U3為 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片，U4為 REG1117－3.3V穩(wěn)壓芯片。

圖6 PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊電路Fig.6 Circuit diagram of information translation and sending module on PC

3.2 軟件設(shè)計(jì)

PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊上的單片機(jī)C8051F340芯片除了處理啟動(dòng)各硬件電路之外，主要完成從電腦讀取串口數(shù)據(jù)，并解析出其準(zhǔn)確含義，從而執(zhí)行相應(yīng)的功能。程序結(jié)構(gòu)主要由4部分組成:程序初始化、狀態(tài)管理、參數(shù)管理及控制管理。

程序初始化后，狀態(tài)管理程序主要根據(jù)程序執(zhí)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)前臺(tái)執(zhí)行狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的功能；控制管理程序主要管理PC端自身通信的主從性，根據(jù)電腦上位機(jī)發(fā)送的參數(shù)判斷控制命令的需要，實(shí)現(xiàn)參數(shù)回讀的射頻接收狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，或者小車運(yùn)動(dòng)控制的射頻發(fā)送狀態(tài)跳轉(zhuǎn)；參數(shù)管理程序的功能是當(dāng)上位機(jī)發(fā)送“r”命令，先向機(jī)器人平臺(tái)發(fā)送參數(shù)回讀命令，接著自身設(shè)置射頻模塊為接收等待狀態(tài)，等待機(jī)器人平臺(tái)的參數(shù)回傳，PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊狀態(tài)流程如圖7所示。

PC機(jī)通過一個(gè)字節(jié)8位的字符數(shù)據(jù)（單次發(fā)送的最大信息量）發(fā)送控制命令，共定義了9個(gè)有效命令，其他數(shù)據(jù)定義為“空命令”，不執(zhí)行功能。表1為PC機(jī)對轉(zhuǎn)譯發(fā)送模塊的命令接口。

圖7 PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊狀態(tài)流程圖Fig.7 State flow chart of information translation and sending module on PC

表1 串口命令接口Table 1 Serial command interface

4 遙控端控制模塊

4.1 硬件設(shè)計(jì)

本研究采用了標(biāo)準(zhǔn)航空模型的遙控器，該遙控模塊采用搖桿式方位控制，提供了8個(gè)不同的方位信息輸出，即前、后、左、右、左前、左后、右前、右后。遙控端控制模塊主要由標(biāo)準(zhǔn)航空模型遙控器的部分電路、改裝接口、C8051F340單片機(jī)、nRF905無線收發(fā)器及電池倉組成，如圖8所示。

圖8 遙控端控制模塊Fig.8 Control module of remote device

在本研究中，由于航模遙控器的無線輸出接口并不能兼容nRF905無線通信數(shù)傳方式，而硬件上屏蔽了器件提供的8方位遙控輸出，因此，設(shè)計(jì)時(shí)僅保留了9VDC轉(zhuǎn)5VDC的供電電路，將搖桿輸出接口改為接入基于C8051F340單片機(jī)的信號轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊中。

轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊實(shí)現(xiàn)的功能比較簡單，向航空模型遙控器提供搖桿的掃描接口，向除草機(jī)器人平臺(tái)提供nRF905無線通信接口。遙控器采用6節(jié)5號干電池供電，通過內(nèi)部的7805穩(wěn)壓電路供給系統(tǒng)工作，圖9為遙控端控制模塊電路，其中U1為單片機(jī)C8051F340，U2為REG1117－3.3V穩(wěn)壓芯片，U3為nRF905無線收發(fā)器，U4為78X05穩(wěn)壓芯片，U5為遙控器上的8向搖桿模塊。

圖9 遙控端控制模塊電路Fig.9 Control module of remote device

4.2 軟件設(shè)計(jì)

遙控端控制模塊的程序執(zhí)行流程較為簡單。遙控器的功能是隨時(shí)掃描搖桿接口的狀態(tài)，并將其轉(zhuǎn)換為nRF905數(shù)據(jù)傳輸接口統(tǒng)一的下位機(jī)控制命令，并執(zhí)行nRF905無線收發(fā)器的驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒚畎l(fā)送于下位機(jī)，如圖10所示。

圖10 遙控端控制模塊狀態(tài)流程圖Fig.10 State flow chart of remote－device control module

5 機(jī)器人行走平臺(tái)控制系統(tǒng)測試

本研究設(shè)計(jì)的水田小型除草機(jī)器人平臺(tái)總體尺寸為400mm×240mm×500mm（長×寬×高），整機(jī)重量為15kg。在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)躍進(jìn)區(qū)機(jī)插秧試驗(yàn)田（泥腳深度約300mm，秧苗高度約350mm；雜草主要以水田稗、千金子、丁香蓼和酸模葉蓼等雜草為主，平均高度約為40mm）對機(jī)器人行走平臺(tái)控制系統(tǒng)和除草性能（除草部件采用課題組設(shè)計(jì)的機(jī)械彈性觸覺除草器，除草率和傷苗率的測試方法同文獻(xiàn)［9］）進(jìn)行了水田環(huán)境下測試。測試時(shí)，分別使用PC機(jī)和遙控手柄發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，測試參數(shù)如下:車速為0.2m／s；單個(gè)電機(jī)電流為2.5A；單個(gè)電機(jī)輸出功率為60W；控制靈敏度為30ms；控制距離（最遠(yuǎn)）為100m；除草率為81.3%；傷苗率為3.6%。

測試結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的水田小型除草機(jī)器人行走平臺(tái)控制系統(tǒng)可控制機(jī)器人在水田環(huán)境下穩(wěn)定行走，PC機(jī)和遙控手柄控制都具有良好的控制靈敏度，遙控距離、平臺(tái)行走速度及除草性能均滿足田間作業(yè)要求。

6 結(jié) 論

（1）基于C8051F340單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種包括車載控制模塊、PC端轉(zhuǎn)譯發(fā)射模塊和遙控端控制模塊的水田小型除草機(jī)器人行走平臺(tái)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航及手動(dòng)遙控兩種控制方式，達(dá)到了水田復(fù)雜環(huán)境下控制系統(tǒng)穩(wěn)定性及靈敏性要求。田間測試結(jié)果表明:平臺(tái)行走速度為0.2m／s，控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為30ms，控制距離最遠(yuǎn)可達(dá)到100m；配置機(jī)械彈性觸覺除草部件時(shí)除草率為81.3%，傷苗率為3.6%，滿足田間智能除草作業(yè)要求。

（2）控制系統(tǒng)在硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，提供易于平臺(tái)升級的控制接口及多種傳感器的擴(kuò)展接口；在軟件上采用狀態(tài)機(jī)機(jī)制，具有良好的可擴(kuò)展性和可讀性，為機(jī)器人的功能擴(kuò)展奠定基礎(chǔ)。

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