基于Solidworks的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)設(shè)計

郭志越 王偉 莊煜 張剛 盧振 孫躍志 梁玉亮

摘要：農(nóng)田信息采集系統(tǒng)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息化的一個熱點研究領(lǐng)域。如何為農(nóng)業(yè)科技研究人員、農(nóng)田業(yè)主提供更為精確的參考數(shù)據(jù)，如何通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)不同系統(tǒng)與監(jiān)測點間的信息共享，為解決這一問題，設(shè)計農(nóng)田信息采集系統(tǒng)。首先對國內(nèi)外農(nóng)田信息采集現(xiàn)狀進行分析，提出農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，應用solidworks三維建模與仿真技術(shù)建立系統(tǒng)的虛擬模型，并進行仿真研究。對solidworks虛擬模型進行實物模擬車型的加工、裝配和實驗，通過對實驗結(jié)果進行分析、對比，證明農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)可以在大棚內(nèi)進行信息采集，并將信息傳送至附近的接收點，解決以往農(nóng)業(yè)大棚信息節(jié)點采集繁瑣和困難的問題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；農(nóng)田信息；信息采集；輪式機器

中圖分類號：S776

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0092-06

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的推廣應用，利用小型移動設(shè)備作為載體，進行農(nóng)田信息的采集，亦已成為我國農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)研究和發(fā)展的必然趨勢。目前國內(nèi)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)主要用于耕種、采摘、除草等工作，但農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還需要大量的、實時的各種農(nóng)田信息作為人工調(diào)控和管理決策的依據(jù)，比如土壤信息、作物生長信息等。針對農(nóng)業(yè)信息采集的特點，設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可搭載用于農(nóng)田作物信息采集的多種傳感器如：土壤pH值、土壤含水量、濕度等傳感器，以實時地獲取農(nóng)作物生長環(huán)境和生長情況信息，并通過物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)不同系統(tǒng)與監(jiān)測點間的信息共享，實現(xiàn)農(nóng)田作物生長環(huán)境和生長情況的動態(tài)、實時監(jiān)測及農(nóng)田信息化管理。系統(tǒng)作為信息采集的平臺，移動靈活，可靠性高，機構(gòu)質(zhì)量盡可能小。設(shè)計的好壞是整個系統(tǒng)性能優(yōu)劣的重要指標，在農(nóng)田表面地形復雜、未知的環(huán)境中，系統(tǒng)必須具有性能優(yōu)越、自適應能力強的特點，才能有效完成任務。

1 系統(tǒng)運動方式與電機的選擇

1.1 系統(tǒng)運動方式選擇

目前，農(nóng)田信息采集機器的移動機構(gòu)主要分為：履帶式、腿式和輪式3種，且還有其中的結(jié)合形式，如輪一履式等。

（1）履帶式。履帶最早出現(xiàn)于坦克和裝甲車上，后來用于某些地面行走機器人上，履帶行走機構(gòu)由于其接觸面積大，附著能力強，能夠減少對土壤的碾壓，具有良好的地面適應性和良好的穩(wěn)定性，能夠通過配合各種農(nóng)具，則能在泥濘土地可以進行良好的作業(yè)。但履帶式機器人轉(zhuǎn)彎半徑過大，轉(zhuǎn)向方式不夠靈活，且當?shù)孛姝h(huán)境惡劣時，履帶很快會被磨損而失效，而復雜的履帶和數(shù)量過多驅(qū)動輪使得機器人笨重不堪。而且履帶式機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，且運動學分析及控制設(shè)計計算十分困難，而在行走空間受到限制的場合里，難以發(fā)揮其履帶式的性能。

（2）腿式。腿式的行走機構(gòu)，無論是對地面的適應性和翻越障礙的能力都是輪式和履帶式無法比較的，腿式機器人在平移時，質(zhì)心會發(fā)生很大的變化，如果運動的不協(xié)調(diào)，就會發(fā)生翻倒現(xiàn)象，所以在設(shè)計腿式結(jié)構(gòu)機器人時，要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，且設(shè)計出一大系列的運動控制算法，且運動學的分析也比較困難，所以在一定程度上對于自主設(shè)計具有很大的難度。

（3）輪式。行走機構(gòu)中最簡單，應用最為廣泛，也是最常見的機構(gòu)。通常的行走機構(gòu)有四輪運動機構(gòu)，輪式移動機器人具有運動穩(wěn)定、操縱簡單、結(jié)構(gòu)輕巧、移動速度迅速和方向容易控制。而懸架結(jié)構(gòu)和車輪底盤的出現(xiàn)，使得輪式移動機器人能夠適應各種崎嶇不平的路面，并且能夠翻越一定程度的障礙物等。

通過以上3種分析：選用輪式移動結(jié)構(gòu)作為農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的運動方式。

1.2 系統(tǒng)驅(qū)動方案選擇

農(nóng)田信息采集系統(tǒng)必須具備驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向裝置，而電機是比較普遍使用的驅(qū)動器。通過電子控制技術(shù)對電機實現(xiàn)準確的控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)精確運動。驅(qū)動裝置主要有下面兩種方式布置：

（1）集中驅(qū)動方式，把驅(qū)動電機放置在車體上，在通過傳動機構(gòu)，能夠?qū)恿敵龅矫總€輪子上，使車輪運動。

（2）集中控制一分布驅(qū)動方式。在每個車輪上都安裝電機，驅(qū)動車輪運動或轉(zhuǎn)向，電機由安裝在車體上的控制系統(tǒng)控制其轉(zhuǎn)動速度，轉(zhuǎn)動或停止。這種結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)，且有利于運動機構(gòu)的性能的發(fā)揮。

農(nóng)田信息的采集，路面情況都比較差，需承載能力強，需攜帶各種各樣的傳感器，甚至需要攜帶機械手等，能夠有效的翻越陡坡等路面情況，故選用集中控制一分布驅(qū)動方式，并通過4個電機能夠提供更大的力和轉(zhuǎn)矩。

1.3 電機的選擇

直流電機雖然不比交流電動機結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維護方便，運行可靠。但長時間以來交流電動機的調(diào)速問題仍然未能得到較好的解決。所以在此之前，直流電動機具有交流電動機不能比擬的良好的啟動調(diào)速控制性能。

故計算過程如下。

（1）電動機轉(zhuǎn)矩的確定

機器人重量20kg，對其進行運行阻力和電機功率及轉(zhuǎn)矩的計算。

G=20kgx9.8N/kg。

μ=0.015，d=40mm，D=140mm.

①運行阻力的計算

車輪與軸承之間的摩擦力：

②車輪與地面間的摩擦力：

滾動阻力系數(shù)：

滑動摩擦系數(shù)：f=0.36，即

③慣性阻力：

④系統(tǒng)總驅(qū)動力為：

⑤地面與車輪的摩擦因數(shù)為f=0.36

電動機轉(zhuǎn)速為w=35.2rad/s。

驅(qū)動軸上驅(qū)動輪處的轉(zhuǎn)矩為：

電動機軸負載轉(zhuǎn)矩為：

T_L=2T。

（7）

T_L=2T=2 x1.2348 =2.4696N/m.

設(shè)電動機效率η=0.9則穩(wěn)定負載功率為：

加速度轉(zhuǎn)矩為：

加速度功率為：

電動機輸出功率額定容量為：

⑥電動機轉(zhuǎn)矩的確定：

電動機的減速比i=9：1。

（13）

則電動機轉(zhuǎn)矩為：

2 農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)選擇

2.1 農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由車身、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成。

2.2 主要性能指標

本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要性能指標（參數(shù)）要求如下：

行走速度：1～2m/min。

車的整體質(zhì)量：lOkg。

體積尺寸：500mm x200mm×300mm。

所需能源：蓄電池；驅(qū)動方式：四輪驅(qū)動。

2.3 工作原理及基于SolidWorks的虛擬仿真

2.3.1 工作原理

信息采集系統(tǒng)的工作原理：系統(tǒng)在農(nóng)田通過攝像頭和各種傳感器進行信息采集，通過無線通訊模塊將采集的信息反饋給控制臺?？刂婆_根據(jù)系統(tǒng)行走情況，進行信息的統(tǒng)計處理和進一步的分析，將有用信息存儲到農(nóng)田信息庫，并通過無線通訊發(fā)出指令到系統(tǒng)控制器，實現(xiàn)系統(tǒng)的下一步的工作指令。

2.3.2 基于SolidWorks的虛擬仿真

Solidworks的虛擬仿真，盡可能簡化機構(gòu)模型，降低硬件要求，加快系統(tǒng)的運行速度，具體操作過程如下：

（1）建立模型。建立采摘轉(zhuǎn)軸和支撐架簡化模型，如圖3所示。由轉(zhuǎn)軸和支撐架組成的系統(tǒng)中，剛度相當大，變形小，可以認為是剛體。因此，在由轉(zhuǎn)軸和支撐架組成的系統(tǒng)中，除減震墊等墊圈當做柔性體以外，其余主要部件可以認為是剛體，建立轉(zhuǎn)軸和支撐架的剛性體。

（2）添加載荷。軸、軸承和支撐架之間組成轉(zhuǎn)動副；支撐架與車身為螺栓連接。

（3）運行仿真。經(jīng)過多次試驗仿真結(jié)果。

仿真結(jié)果：轉(zhuǎn)軸在以10r/min左右的速度旋轉(zhuǎn)時，對與其接觸的軸承和車輪的作用力介于0.13～3.26N之間，該作用力介于轉(zhuǎn)軸和支撐架的結(jié)合力之間，同時該作用力也遠小于轉(zhuǎn)軸的許用應力。因此，理論上轉(zhuǎn)軸滿足要求，能夠正常工作。支撐架與其接觸的軸承和車身的作用力介于0.25～2.5N之間，該作用力介于轉(zhuǎn)軸和支撐架的結(jié)合力之間。因此，理論上支撐架滿足要求。

3 農(nóng)業(yè)信息采集機器人主要部分設(shè)計

3.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動系統(tǒng)車體采用合金鋁框架式多層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。車身一層，主要安裝云臺、直流電源及CCD攝像頭等CCD攝像頭安裝在云臺上，均可在水平面上旋轉(zhuǎn)和上下俯仰，從而提高了系統(tǒng)對環(huán)境的探測能力。車身二層，主要安裝控制板卡、溫度傳感器、濕度傳感器，根據(jù)需要安裝其它設(shè)備或傳感器。車身結(jié)構(gòu)緊湊，易于維護，提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。云臺的設(shè)計主要是為了實現(xiàn)車載攝像頭在水平方向的旋轉(zhuǎn)運動和軸向的俯仰運動，從而帶動安裝其上的攝像頭可多角度拍攝農(nóng)作物生長狀況。通過機械手可以很方便地將土壤pH值傳感器插入到土壤中，完成測量。機械手的前后移動是通過滾珠絲杠來實現(xiàn)的，機械手的手臂部分能實現(xiàn)3個自由度，即在關(guān)節(jié)處安有3個角度舵機。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

主控制器部分是整個系統(tǒng)的核心，它主要將從傳感器獲得環(huán)境信息然后進行決策運算與發(fā)出控制信號，并進行人機交互等，它承擔了系統(tǒng)運動的大量實時計算工作，所以其性能將直接影響系統(tǒng)的實時性能。

本設(shè)計采用直插式STC89C52RC芯片作為移動系統(tǒng)小車的控制芯片，它的主要功能是通過控制其輸出引腳的電平高低，讓電機驅(qū)動芯片驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)系統(tǒng)的前進、后退、轉(zhuǎn)向以及溫度、濕度信息的采集。電機驅(qū)動模塊集成有6～9V電壓轉(zhuǎn)換電路，可以對小車輸入6～9V電壓，并自帶多路SV拓展輸出。選擇集成性能更強的帶電機剎車功能的L293D作為電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動直流電機工作?；趩纹瑱C的行走機構(gòu)控制系統(tǒng)硬件電路如圖4所示。由51單片機、電源供電系統(tǒng)、電機驅(qū)動模塊、紅外接收模塊等組成。實現(xiàn)了行走機構(gòu)路徑識別，軌跡跟蹤等功能。

驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計思路：采用四輪驅(qū)動的方式控制機器人的運動，在四個輪子對應的相應位置安裝四個直流減速電機。選用AT89C2051作為從CPU控制電機的轉(zhuǎn)速。該設(shè)計系統(tǒng)中采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)PWM實現(xiàn)對直流電動機的準確與靈活調(diào)速。

3.3 數(shù)據(jù)采集一傳感器系統(tǒng)設(shè)計

傳感系統(tǒng)包括溫度、濕度傳感器、CCD攝像頭、紅外避障模塊等，選擇進口紅外探頭，該探頭具有不怕光的特點，帶有可調(diào)式電位器，探測距離可調(diào)，精度高，有效實現(xiàn)系統(tǒng)避障功能。視頻采集CCD攝像頭選擇HD720P高清攝像頭。該攝像頭即插即用免驅(qū)，支持實地視頻拍攝，1280 x720（默認），拍照像素尺寸為1200萬像素（軟件增強），適應接口為USB3.0，顯示幀率為最快60幀/s，成像距離為7CM（支持微距），并內(nèi)置降噪功能的智能數(shù)字麥克風，可完成對智能大棚作物生長情況拍照，錄像任務。選擇溫濕度檢測傳感器DHT11檢測智能大棚溫度、濕度。SHTlx單片數(shù)字溫濕度集成傳感器的濕度范圍0～100%RH、溫度范圍-40～128.8℃，測濕精度±4.5%RH、測溫精度±0.5℃（25℃）。

3.4 模擬車型的搭建

圖5為系統(tǒng)的配置情況。因需保護電機輸出軸，避免連接驅(qū)動輪帶來的負荷直接作用在電機軸上扭矩的有效傳遞。根據(jù)要求設(shè)計圖示裝配結(jié)構(gòu)，如圖6所示。該裝配結(jié)構(gòu)緊湊，輪軸的受力好，受到?jīng)_擊不易彎曲。圖示的輪子可在市場上購買，且兩側(cè)支撐的結(jié)構(gòu)使輪軸的受力良好；支撐處內(nèi)有軸承，使運動靈活。

操作人員在控制點通過射頻接收裝置，接收由機器人射頻發(fā)射裝置發(fā)送的信息，在信息接收端界面可以顯示測得的農(nóng)作物生長信息，如溫度、濕度、pH值等，也可以通過攝像頭顯示農(nóng)作物生長情況。試驗分兩部分：一是先在大棚中實現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎；二是采集農(nóng)作物信息并傳輸?shù)娇刂泣c。

3.5 試驗結(jié)果分析

農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)在采集信息的過程中，通過五點法在大棚中選取了十個位置，在不同的時間段進行信息采集，見表1，并通過通信系統(tǒng)發(fā)送到接收點。綜上所述，針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚信息監(jiān)測系統(tǒng)的不足，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于solidworks的農(nóng)業(yè)大棚信息采集，試驗表明農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)采集的信息數(shù)據(jù)精度高，符合農(nóng)業(yè)大棚信息無線監(jiān)測的要求，具有操作簡便、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，能穩(wěn)定可靠地監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚信息。

4 結(jié)束語

本文通過對農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的設(shè)計和分析，主要完成工作如下：

（1）通過對國內(nèi)外移動系統(tǒng)行走機構(gòu)的研究分析，提出了可以滿足具有采集農(nóng)田信息功能的系統(tǒng)的總體設(shè)計要求和設(shè)計指標要求。

（2）完成了農(nóng)田信息采集系統(tǒng)行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用solidworks軟件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行建模，建立了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的虛擬樣機模型。

（3）建立了系統(tǒng)的樣機，并對其進行了分析，最終試驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)行走機構(gòu)能夠達到所設(shè)計的要求和目標。 本課題通過對農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)車身、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分設(shè)計，利用計算機輔助設(shè)計方法，建立了系統(tǒng)虛擬模型，對系統(tǒng)進行優(yōu)化分析，得到了性能優(yōu)越的參數(shù)組合，據(jù)此設(shè)計制造了系統(tǒng)物理樣機，并進行了行走試驗、信息采集試驗。使機器人具備了在大棚中自動避障，檢測溫、濕度等數(shù)據(jù)和觀察作物生長狀況的能力。