地空兩用信息采集機(jī)器人設(shè)計

王偉，李超藝，劉九慶，房銀杰

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化、智能化進(jìn)程中的不斷深入，精細(xì)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

本文提出了一種用于農(nóng)業(yè)信息采集的地空兩用機(jī)器人。該機(jī)器人可以搭載用于農(nóng)田信息采集的多種傳感器，可以從地面和空中兩個不同角度獲取智能溫室環(huán)境信息和作物生長狀況信息。該機(jī)移動靈活，可靠性高，能耗低，采集數(shù)據(jù)快速，且便于收集與匯總數(shù)據(jù)，能夠滿足智能溫室農(nóng)田信息采集的需求。

1 農(nóng)業(yè)信息采集地空兩用機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇

1.1 農(nóng)業(yè)信息采集地空兩用機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)信息采集地空兩用機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由：地面行走機(jī)構(gòu)，飛行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)及信息采集系統(tǒng)四部分組成。

圖 1 機(jī)器人三維模型

1.2 農(nóng)業(yè)信息采集地空兩用機(jī)器人主要性能指標(biāo)

為了滿足工作性能要求，機(jī)器人的主要性能指標(biāo)，如表1所示。

表1 機(jī)器人主要性能參數(shù)

2 地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人設(shè)計

2.1 地面行走機(jī)構(gòu)設(shè)計

本機(jī)的地面行走機(jī)構(gòu)，如圖2所示。地面行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件材料選擇鋁鎂合金，很大程度上減輕了機(jī)構(gòu)的重量，為后續(xù)實現(xiàn)整機(jī)的空中飛行提供了保障。機(jī)器人在農(nóng)田工作時，通常要克服很大的地面阻力，因此本機(jī)采用四個圓周舵機(jī)提供動力的四輪驅(qū)動方式，以此來達(dá)到輸出大扭矩的目的。為適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌，因此設(shè)計時采用了可以擺動靈活的四桿機(jī)構(gòu)，以減少在跨越溝壑時產(chǎn)生的震動對機(jī)構(gòu)的損害以及對信息采集結(jié)果的影響。

圖2 行走機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 飛行機(jī)構(gòu)設(shè)計

本機(jī)的飛行機(jī)構(gòu)是基于四旋翼飛行器原理設(shè)計的。飛行機(jī)構(gòu)簡圖，如圖3所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2 和電機(jī)4 順時針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)機(jī)器人平衡飛行時，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。由于各個旋翼對機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī)1 和電機(jī)3 逆時針旋轉(zhuǎn)的同時，電機(jī)2 和電機(jī)4 順時針旋轉(zhuǎn)，可以相互抵消旋翼對機(jī)身的反扭矩，從而可以使整機(jī)保持平衡。

圖3 飛行結(jié)構(gòu)簡圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，該系統(tǒng)采用以STM32F407為核心的計算機(jī)主控板。主控板共有8個PWM輸出口，其中4個PWM輸出口通過電子調(diào)速器和4個無刷直流馬達(dá)相連，另外4個PWM輸出口通過舵機(jī)控制模塊和4個圓周舵機(jī)相連，通過控制PWM輸出口輸出電平的高低來控制各個電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，由此實現(xiàn)機(jī)器人的行走、飛行、變速和姿態(tài)調(diào)整等功能。同時，主控板通過串口與信息采集模塊相連，可以實現(xiàn)對信息采集模塊的控制以及對采集信息的處理。

2.3.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

主程序流程，如圖5所示。首先接收機(jī)等待指令輸入，一旦有運(yùn)動指令輸入，判斷該指令是飛行還是行走，然后調(diào)用相應(yīng)指令的子程序，完成相應(yīng)的運(yùn)動。

若收到飛行指令，則調(diào)用飛行子程序，接收機(jī)繼續(xù)等待，一旦有信息采集指令輸入，判斷該指令是否是空中信息采集命令，若是則調(diào)用懸停子程序，停穩(wěn)后調(diào)用空中信息采集子程序進(jìn)行信息采集，采集完后接收機(jī)繼續(xù)等待若收到返航指令則調(diào)用返航子程序執(zhí)行返航，否則繼續(xù)飛行。

圖 4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

若收到行走指令，則調(diào)用行走子程序，接收機(jī)繼續(xù)等待，一旦有信息采集指令輸入，判斷該指令是否是地面信息采集指令，若是則調(diào)用地面信息采集子程序進(jìn)行信息采集，采集完后接收機(jī)繼續(xù)等待若收到返回指令則調(diào)用返回子程序執(zhí)行返回，否則繼續(xù)行走。

圖5 主程序流程圖

2.4 信息采集系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人的信息采集系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)信息采集模塊和飛行姿態(tài)檢測模塊組成。其中，農(nóng)業(yè)信息采集模塊主要包括DHT溫濕度傳感器，F(xiàn)PV攝像頭；飛行姿態(tài)檢測模塊主要包括三軸加速度計、三軸陀螺儀、三軸羅盤和高精度氣壓計。各傳感器的參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器參數(shù)表

主控板通過這些傳感器可以實時獲取當(dāng)前的農(nóng)業(yè)信息和飛行姿態(tài)信息，收集的農(nóng)業(yè)信息可以為接下來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考；收集的飛行姿態(tài)信息可以使機(jī)器人及時調(diào)整飛行速度以及姿態(tài)，從而使機(jī)器人在復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境中可以高效的工作。

3 溫、濕度檢測試驗

一天中，在同一溫室大棚內(nèi)進(jìn)行樣機(jī)溫濕度檢測試驗。首先，在大棚內(nèi)均勻的選取十個測量點(diǎn)并架設(shè)溫濕度傳感器，在固定的時間點(diǎn)回收采集的數(shù)據(jù)，并求得它們的平均值作為當(dāng)前大棚的溫、濕度參考值。用樣機(jī)在同一時間同一點(diǎn)在大棚中進(jìn)行溫、濕度檢測，得到實時數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 溫濕度采集數(shù)據(jù)表

通過比較兩組數(shù)據(jù)可以看出樣機(jī)測得的數(shù)據(jù)與參考值吻合，由此說明樣機(jī)可以準(zhǔn)確地檢測出大棚里的實時溫濕度，可以為后續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)。

4 結(jié)論

根據(jù)機(jī)器人的設(shè)計要求，設(shè)計了地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機(jī)器人的軟硬件系統(tǒng)。機(jī)器人可以全方位、實時地采集農(nóng)田中的信息，為后續(xù)的精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了更加可靠的依據(jù)。

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