觸須仿形檢測(cè)的高桿作物智能對(duì)行自行走作業(yè)平臺(tái)

孫春陽++郭清乾++孫海峰++王宇皓

摘 要：針對(duì)我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化程度過低、農(nóng)村勞動(dòng)力人口銳減的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了觸須仿形檢測(cè)的高桿作物智能對(duì)行自行走作業(yè)平臺(tái)。該平臺(tái)由觸須傳感裝置、信號(hào)采集模塊、中央IAP單片機(jī)等組成，能滿足自行走、自對(duì)行、低功耗的技術(shù)要求，且體積小、重量輕、功能強(qiáng)大，將對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞：觸須仿形；自行走；作業(yè)平臺(tái)

1 作品簡(jiǎn)介

針對(duì)我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化程度過低、農(nóng)村勞動(dòng)力人口銳減的現(xiàn)狀，以及高桿作物田間作業(yè)小型化的需求，我們研制了基于觸須仿形檢測(cè)的新型智能田間自行走作業(yè)平臺(tái)。通過觸須感應(yīng)作物方位，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向及行進(jìn)，使其能夠在高稈作物間作業(yè)而不致碰傷作物。這款新型的節(jié)省人力的高效智能田間作業(yè)平臺(tái)滿足了自行走、自對(duì)行、低功耗的技術(shù)要求，對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重大意義。觸須仿形檢測(cè)的高桿作物智能對(duì)行自行走作業(yè)平臺(tái)模型如圖1所示。

圖1觸須仿形檢測(cè)的高桿作物智能對(duì)行自行走作業(yè)平臺(tái)模型

整個(gè)作品的實(shí)現(xiàn)分兩大部分：

（1）觸須仿形檢測(cè)模塊由兩個(gè)相同的彎曲傳感器交叉位于小車前段，傳感器觸碰小車前方及側(cè)前方作物并將信號(hào)經(jīng)24位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片傳遞給IAP單片機(jī)控制中心，快速調(diào)整小車行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向。

（2）利用光柵對(duì)車速進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，通過反饋調(diào)節(jié)電機(jī)的PWM脈寬比來緩沖因地面不平整而影響車速的外界因素造成的影響，保證小車在各種環(huán)境下能夠正常行進(jìn)和作業(yè)。我國的農(nóng)業(yè)耕作一般都是拖拉機(jī)下地工作、人力操控，并忍受殘酷的環(huán)境（灰塵、毒辣的陽光、有害的農(nóng)藥和化學(xué)物質(zhì)等），費(fèi)時(shí)，費(fèi)力，費(fèi)資源，我們發(fā)明的這款自行走高桿作物作業(yè)平臺(tái)能改善這種現(xiàn)狀。智能田間作業(yè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了無人操控下的高精度、自對(duì)行、自行走目標(biāo)，同時(shí)重量小，可避免壓緊土壤，影響農(nóng)作物根部生長(zhǎng)。

2 設(shè)計(jì)方案

基于觸須檢測(cè)的智能對(duì)行自行走平臺(tái)包括觸須傳感裝置和信號(hào)采集部分、中央IAP單片機(jī)控制模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電機(jī)控制模塊、光柵反饋模塊以及電源模塊。觸須傳感裝置由左右兩個(gè)帶有鋼絲的彎曲傳感器并聯(lián)組成，可根據(jù)不同作物選用不同硬度的柔性鋼絲用于排開非障礙物，觸須傳感器裝置的信號(hào)傳送到采集模塊，進(jìn)而輸出到單片機(jī)。

操作中，彎曲傳感器通過鋼絲帶動(dòng)彎曲排開非障礙物，減小誤差，進(jìn)而對(duì)障礙物與作業(yè)平臺(tái)的距離方位進(jìn)行記錄檢測(cè)，轉(zhuǎn)化為彎曲傳感器的阻值信號(hào)，通電后轉(zhuǎn)化為連續(xù)的模擬電信號(hào)，再利用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片傳遞給單片機(jī)數(shù)字信號(hào)，進(jìn)一步操控舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，然后再次通過光柵的負(fù)反饋調(diào)節(jié)誤差。平臺(tái)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

首先建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫及關(guān)系模型，即通過對(duì)常見高桿農(nóng)作物的葉子、枝條和幾種常用鋼絲的硬件分析數(shù)據(jù)庫，利用觸須傳感裝置對(duì)平臺(tái)與作物的方位進(jìn)行分析，通過定量分析的方法建立小車和作物在不同距離和方位下，小車的轉(zhuǎn)角和速度對(duì)應(yīng)關(guān)系模型。然后在實(shí)踐應(yīng)用中將實(shí)際檢測(cè)到的方位信息進(jìn)行分析，利用單片機(jī)與事先設(shè)定的關(guān)系模型進(jìn)行比較，按照使用者需要的速度和走向進(jìn)行調(diào)節(jié)和負(fù)反饋處理，極大地節(jié)省了人力和體力，實(shí)現(xiàn)高精度無損作物自行走控制。

3 工作原理

3.1 硬件工作原理

這款基于觸須仿形彎曲的快速精確裝置的特征在于：在作業(yè)車前端裝有交叉朝向的帶有適宜硬度金屬絲的具有嚴(yán)格數(shù)據(jù)控制的彎曲傳感器，構(gòu)成了作品的觸須仿形檢測(cè)裝置；信號(hào)采集模塊由高精度的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成；中央IAP單片機(jī)連接的1602芯片用來監(jiān)測(cè)和觀察作物方位以及小車速度。小車作業(yè)時(shí)，前端的鋼絲觸碰感應(yīng)作物方位并帶動(dòng)彎曲傳感器運(yùn)動(dòng)，觸須仿形監(jiān)測(cè)裝置的信號(hào)輸出端將此信息經(jīng)4位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后交由單片機(jī)處理，然后快速精確地調(diào)整舵機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。光柵實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車速，通過反饋調(diào)節(jié)電機(jī)動(dòng)作的PWM脈寬比，以緩沖外界因素對(duì)小車速度的影響。

3.2 軟件工作原理

應(yīng)用于田間自走機(jī)械的自動(dòng)對(duì)行裝置的控制分為以下幾步：

（1）對(duì)不同作物的葉子、枝條以及常見幾種柔性材料進(jìn)行硬度分析，建立硬度數(shù)據(jù)庫。

（2）用合適硬度的柔性觸須排開莖稈，通過柔性彎曲傳感器阻值的變化對(duì)作物與車的距離和方位進(jìn)行精準(zhǔn)快速分析，并將彎曲傳感器阻值的變化信息轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號(hào)，并將此信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行誤差分析。

（3）對(duì)前輪所能實(shí)現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角問題進(jìn)行分析，通過實(shí)際調(diào)試選擇車與作物在不同距離和方位下合適的轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出阻值與轉(zhuǎn)角關(guān)系表。

（4） 對(duì)幾種最適宜田間耕作的作業(yè)速度進(jìn)行分析，通過實(shí)際調(diào)試選擇車與作物在不同距離和方位下合適的速度，得出阻值與速度關(guān)系圖。

（5） 排除單片機(jī)的誤差因素，如排除因長(zhǎng)期不使用造成的傳感器不靈敏問題；排除兩個(gè)傳感器感應(yīng)相同時(shí)阻值不完全相同的問題；利用正態(tài)分布法設(shè)定合適的數(shù)值區(qū)間。

（6）根據(jù)單片機(jī)的誤差排除結(jié)果，通過定量分析法建立不同距離和方位下彎曲傳感器阻值信號(hào)與車轉(zhuǎn)舵角度和速度調(diào)控的關(guān)系模型，按照距離越近，彎曲程度越大，轉(zhuǎn)角越大，速度越慢的邏輯關(guān)系，設(shè)立不同情況下的標(biāo)準(zhǔn)速度。

（7）按照步驟（4）所述的關(guān)系模型，對(duì)舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

（8）用光柵對(duì)小車行進(jìn)的速度進(jìn)行監(jiān)控，將相應(yīng)的結(jié)果反饋給單片機(jī)。

如果此時(shí)的速度與步驟（4）中設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)速度有偏差（因田間土地不平或泥濘，車輪上纏繞葉子、枝條、泥土等雜物等），可通過反饋對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)以盡量滿足標(biāo)準(zhǔn)速度。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）觸須仿形檢測(cè)是我們的靈感之一，仿照田間蟲子的觸須，我們選擇了柔性鋼絲帶動(dòng)彎曲傳感器工作，在不損壞作物的前提下能準(zhǔn)確檢測(cè)到作物的方位信息，進(jìn)而通過一系列控制模塊實(shí)現(xiàn)根據(jù)作物與小車的距離和方位調(diào)節(jié)小車轉(zhuǎn)向和速度，利用光柵反饋來緩沖地面不平、坡度等因素對(duì)小車行進(jìn)速度產(chǎn)生的影響，以保證小車的正常行進(jìn)。

（2）利用單片機(jī)的多維外設(shè)，可以集施肥、撒藥、除草、摘心、收割、播種等功能于一體。

（3）自動(dòng)化作業(yè)，可以大幅度減少人力資源，避免農(nóng)藥等對(duì)人體的危害。

（4）體積小，適于對(duì)作物進(jìn)行維護(hù)。

（5）重量輕，避免在作業(yè)時(shí)壓緊土壤。

5 市場(chǎng)前景

本作品實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化及智能化，只需要將機(jī)器人放在苗壟上，按下啟動(dòng)開關(guān)，機(jī)器人便會(huì)沿高桿作物之間的空地行走，自動(dòng)規(guī)避作物，合理控制轉(zhuǎn)向角度。運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法對(duì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，提高了機(jī)構(gòu)的工作性能與效率。

該機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值，適用于高桿作物，如高粱，甘蔗等。能在無人管理的條件下，對(duì)大面積苗田進(jìn)行精細(xì)看管，機(jī)器人以平均0.5 m/s速度作業(yè)時(shí)每天能對(duì)約1公頃的作物進(jìn)行管理，大大減少人力、物力消耗，極具商業(yè)開發(fā)以及生產(chǎn)價(jià)值。

與現(xiàn)有技術(shù)對(duì)比，我們的自行走平臺(tái)更加具有節(jié)能減排的實(shí)質(zhì)性效果。國外很早就有田間自走農(nóng)業(yè)機(jī)器，但是其巨大的體積顯然不適合對(duì)作物進(jìn)行維護(hù)，只適用于種和收，適用面過于狹窄。

本文所設(shè)計(jì)作品成本低，功能強(qiáng)大，使用方法簡(jiǎn)單，若能批量生產(chǎn)投放相應(yīng)市場(chǎng)，在未來幾年乃至幾十年內(nèi)必能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。endprint