用于智能生物能源農業(yè)的機器人小坦克

近年來，隨著氣候變化的影響和世界人口的增長，機器人在農業(yè)中的使用越來越多。這主要是由于對生產力、精確度和效率的高要求。與傳統農業(yè)不同，甘蔗農場通常位于植被茂密、面積巨大，并且遭受極端高溫、潮濕和降雨等天氣條件的地區(qū)。來自挪威生命科學大學科學技術學院和巴西里約熱內盧天主教大學電氣工程系的學者，研究出用于智能生物能源農業(yè)的小坦克TIBA。本文概述了該機器人的機械設計、嵌入式電子和軟件架構，以及第一個樣機的構建。他們在現場測試中獲得的初步結果驗證了所提出的概念設計，為機器人自主導航帶來了一些挑戰(zhàn)和潛在的應用方向，并且構建出一個具有附加功能的新樣機。

TIBA——用于智能生物能源農業(yè)的小坦克，是本研發(fā)項目的第一個成果，該項目致力于開發(fā)一個自主移動機器人系統，用于在甘蔗田執(zhí)行多項農業(yè)任務。其提出的概念包括一種半自主、低成本的防塵、防水小坦克式車輛，能夠潛入種植園隧道中的茂密植被并攜帶多個傳感系統，以便對難以進入的區(qū)域進行測繪并采集樣本。

背景

近年來，由于對氣候變化及其對環(huán)境的影響所帶來的對生產率和精確度的高要求，機器人在農業(yè)中的使用顯著增長（Billingsley等人，于2008年提出）。此外，世界人口的增長促使農民追求糧食生產效率的提高，例如，以盡可能低的成本減少投入的浪費以及提高小耕地的生產力（Edan等人，于2009年提出）。目前，世界上有50多種不同類型的移動機器人被用于農業(yè)用途。一般而言，這些機器人擁有專門的配件、工具和手臂，可以執(zhí)行各種農業(yè)任務（Bechar和Vigneault，于2017年提出;Grimstad和From，于2017年提出）。這個數字讓我們了解到機器人技術的潛力是如何嵌入到農業(yè)系統中的。隨著這一趨勢的發(fā)展，人們可以在美國找到從樹上真空吸下蘋果的裝置，在西班牙找到用于采集草莓的章魚型的機器人，以及在英國找到喂養(yǎng)奶牛和擠奶的機器。這些只是機器人在世界各地接管田地的幾個例子。這些對糧食生產的關切并不僅限于歐洲，在中美洲和南美洲的許多國家，特別是在巴西，也可以考慮。雖然巴西農業(yè)在對谷物和甘蔗進行大面積的種植和收獲方面具有較高的自動化程度，但是農民仍然沒有使用自動機器人系統在小區(qū)域（例如蔬菜園和果園）內執(zhí)行基礎、復雜的農業(yè)任務。一些基礎的農業(yè)任務包括播種、施肥和灌溉，而一些復雜的農業(yè)任務包括收獲果實、殺死雜草和植物表型（Bac等人，于2014年提出; Midtiby等人，于2016年提出;Li等人，于2014年提出）。

甘蔗已經成為化石燃料的重要替代品。除了生產糖之外，它還可以被用作清潔、可再生的能源，減少石油的使用，從而減少溫室氣體排放并產生如生物電和生物塑料等其他有用的產品（Davis等人，于2009年提出）。甘蔗農場通常需要巨大的面積進行種植，這就需要大量的員工和機器，維護和物流的成本也很高。此外，大多數甘蔗種植任務都是艱苦且乏味的，容易受到人為錯誤的影響，并且在惡劣的環(huán)境（面對惡劣的天氣條件、茂密的植被和野生動物）中進行。一些相關的任務包括：植物編目、雜草/害蟲識別和錯誤種植（空斑）、土壤類型分類以及植物健康評估。

基于這一動機，在本方案中，我們的目標是將這個概念設計進一步開發(fā)，并構建一個移動機器人的樣機，以在甘蔗農場難以進入的區(qū)域中進行測繪和土壤樣本收集的自主任務。TIBA——用于智能生物能源農業(yè)的小坦克，是一種替代解決方案，可以以基于群體的方式部署多個機器人單元，覆蓋廣泛的區(qū)域，從而減少或消除在不健康環(huán)境下的人力使用，并且增強農場物流。據我們所知，TIBA是第一個開發(fā)出的用于在甘蔗種植園中執(zhí)行精確農業(yè)任務的四輪移動機器人樣機。在美國的葡萄園、果園和玉米生產中已經測試了類似的系統（例如Rowbot）。

甘蔗田的機器人

我們將從機械結構、運動系統、嵌入式電子和軟件架構等角度描述所提出的TIBA機器人概念設計的主要方面。該設計是基于甘蔗田所面臨的主要挑戰(zhàn)，例如植株行列緊密且密集，土壤主要由砂土（66.7%）和粘土/泥漿（33.3%）組成，以及植物葉片可能被機器人部件卡住。

機械設計

該機械結構設計提供了一個非常緊湊的解決方案，還能夠產生3個自由度，平移x、y和旋轉θ。 該機器人是一個四輪小坦克，由3毫米厚的鋼制底盤和1.5毫米的鋁制壁組成（見圖1）。它的頂部還有一個鋁制蓋子，用于覆蓋機器人內部，保護它免受水和灰塵。沿著蓋子周邊的橡膠膠帶也有這個作用。而且在頂蓋表面上裝有傳感器或激光掃描儀、太陽能電池板等其他設備。機器人的胎體也有定制的孔，以提供機械調節(jié)、傳感器和攝像頭的外部視圖。 機器人內部安裝了機械裝置（由兩個電機、兩個變速箱、皮帶/鏈條、滑輪/鏈輪、車輪軸承和適配器組成）以及電子系統的支撐（該電子系統是由鋁型材以不干擾機械部件的方式排列而成）。

該項目的主要動機是降低成本。因此，必須選擇一種以最少的電機和其他機械部件提供最佳移動性的驅動配置。如圖2（a）所示的滑動轉向配置被選為合適且低成本的解決方案，它僅需要使用兩個電動機，即可通過在每一側施加不同的速度來實現彎曲運動。此外，滑動轉向機器人的軌跡控制已經在文獻中建立起來，而且其實施可以基于最近的一些研究來完成，例如Tcho'n等人于2015年所做的研究。在TIBA中，指定一個電機來驅動同一側的兩個車輪，如圖2（b）所示。這些輪子通過皮帶連接，皮帶為它們提供相同的旋轉速度。最后，一個連接到每個電機的變速箱提供扭矩的增加和速度的降低。采用直角變速箱模型作為有限空間的解決方案。

嵌入式電子設計

機器人的嵌入式電子架構設計也符合成本和環(huán)境的要求，因此使用了機器人Thorvald II的一些電子部件，例如電機、電力驅動器、機械繼電器、計算機、堅固的電纜/ 連接器和DIN導軌（見圖3）。

電源由一個48VDC鎳氫電池組供電，并分配到48VDC和12VDC的兩個電源總線上。前者為電力控制器驅動器供電，后者為計算機、外圍傳感器和車輛支持系統（VSS，Vehicle Support System）供電——在第一版中由Arduino板表示。控制信號通過控制器區(qū)域網絡（CAN，Controller Area Network）從PC傳送到驅動器。CAN是一個具有魯棒性的用于傳感器和執(zhí)行器通信的網絡，具有嚴格的誤差檢測功能。

該VSS具有激活繼電器、讀取電壓和電流測量值的作用，并通過CAN與PC進行通信。該VSS還集成了用于電子系統自我監(jiān)控的傳感器，例如對內部溫度和濕度的監(jiān)控。該系統還包括安裝在機器人背面的觸摸屏面板，以及用于手動模式控制的XBox無線操縱桿。面板和操縱桿天線都通過USB直接連接到PC，成為通過防水連接器布線到機器人外部的電纜。所有電子設備都安裝在具有魯棒性的堅固鋁結構上。DIN導軌是一種具有魯棒性的布線解決方案，可在振動和沖擊條件下保持連接牢固。

軟件架構

機器人軟件是在模塊化多線程控制框架ROS（Quigley等人，于2009年提出）上進行開發(fā)的，它提供了一個大型社區(qū)，不斷擴展軟件模塊（見圖4）。樣機使用Xbox One無線操縱桿進行遠程操作。Teleop_box節(jié)點負責將操縱桿軸和按鈕映射到所需的速度和增益。速度可以用xy軸上的速度增量建模。然后，在主題上發(fā)布一條扭曲信息（twist message）。該扭曲轉換器（twist converter）節(jié)點訂閱了“扭曲”（Twist）主題并計算實際速度值。然后，它將這些發(fā)布在saga基本驅動鏈（saga_base_drive_chain）節(jié)點被訂閱的主題上。最后，后者負責通過CANopen協議與驅動程序進行通信。

第一個機器人樣機

第一個樣機，如圖5和圖6所示，是為了驗證所有提出的機械概念、實施的滑動操縱配置的可行性、在預期地形中的機器人行為，以及嵌入式電子系統對振動和環(huán)境條件的魯棒性而構建的。機器人底盤和胎體基本上是由切割和彎曲金屬板的焊接裝配而成。僅對于這第一版本而言，由于成本降低，實施了一些修改和簡化，延遲了設備和裝配件的交付以及進度的完成。

在最重要的簡化中，除了頂蓋之外，機器人機械結構完全由鋼制成，因此可以更快地完成部件的焊接。由于無法及時找到所需的車輪軸承模型，所以使用了沃爾沃（Volvo）的一種車輪軸承模型作為替代，然而它很重，并且需要幾個機械適配器來固定。皮帶和滑輪被鏈條和鏈輪取代，因為皮帶對給定的扭矩/電力要求非常大的寬度，也因此需要重新設計電子支撐結構。最后，由于缺乏可用的編碼器，電機控制和測距法僅能通過使用電機霍爾效應傳感器來實現。這種情況限制并阻礙了電機位置的控制和測距模型的高精度，但是對于第一次測試而言，它算是令人滿意的。

下一個版本機器人的發(fā)展方向

所設計的這種機器人是一種有效的、低成本的解決方案，可用于在大面積的甘蔗田中進行部署，具有以基于群體的方式運作的良好動機。機器人設計的概念測試階段已經結束，并且已經對所收集的數據進行了分析，因此應該提出一些未來的發(fā)展方向。

機械的修改

雖然機械概念表現出了良好的性能，但是機器人底盤的車輪固定很僵硬，而底盤本身則很靈活，這很令人擔憂。對于下一個機器人版本的修改建議是：利用沿著車輪軸線的轉向軸阻尼器和穿過底盤內部的鋼筋腹板來增強結構的剛度。第一個樣機選定的車輪軸承模型需要使用幾個專用的機械適配器，這增加了機器人的重量、成本和復雜性。

下一個版本將使用新的車輪軸承模型。直角變速箱是一個很好的機械裝置選擇，或者可以使用嵌入在車輪中的平角變速箱——這是一種更緊湊的解決方案。下一個版本應該選擇更合適、更經濟的電源/電機，因為電力需求情況仍然是未知的，這個對于第一個樣機來說太大了。機器人的寬度應該減小，使機器人能夠在更高的植物場景中適應甘蔗隧道，例如3米高的隧道。最后，應該恢復一些原始的設計特征，例如為了減輕重量和電力需求所使用的鋁制胎體壁，以及為了減少噪音而用皮帶/滑輪代替鏈條和鏈輪。

嵌入式電子的改進

嵌入式電子系統表現出對振動和沖擊的魯棒性。然而，它的主要部件在電力和處理能力方面對于第一個樣機而言過于龐大。為了降低下一個機器人版本的成本，應該用更便宜的解決方案替代計算機，例如Raspberry Pi 3。該VSS系統將由基于ATMEL AVR微控制器的定制印刷電路板（PCB，printed circuit board）組成，它將取代Arduino這一當前設備的電源連接和許多布線。這將更好地組織配電并擴大通信、新傳感器集成和編程的可能性。最初，研究者對將太陽能光伏（PV，photovoltaic）板作為電源來使用的想法進行了研究。然而，就當前的設計而言，如果考慮到技術效率的限制和機器人尺寸設計的約束，這些都是不現實的。

在接近可商用版本的未來發(fā)展中，機器人可以有明顯的重量減輕和更有效的電力驅動。隨著太陽能光伏技術的進步，這可以帶來在機器人設計中重新包括這一點并為其提供預期的電力自治（power autonomy）的可能性。

軟件、控制和導航

軟件架構應該經過多次實踐來為下一個機器人版本提供預期的功能，例如：軌跡控制、導航、具有VSS /自我監(jiān)控的計算機通信以及自治。軌跡控制是實現機器人自治的第一步，因為機器人應該能夠沿著甘蔗隧道的預定路徑行進。對于通過隧道的導航，正在研究基于可用傳感器的不同技術，例如：跟隨通過激光掃描儀映射生成點的廊道，跟隨熱映射定義的路徑，以及使用GPS / IMU跟隨由UMOE生物能源給出的具有預定義GPS地理坐標的已知點的路徑。這些方法與機器人測繪技術的結合可能會發(fā)展機器人導航有效、低成本的解決方案的定義。

新功能

在農場參觀期間，研究者對一些新功能的需求進行了調查，其中甘蔗樣品的采集和害蟲的防治最為顯著。該抽樣是UMOE生物能源田地中的一個常見程序，旨在檢測甘蔗中的有害生物。這是一個會遭受極端天氣的繁瑣程序，因為公司工作人員可能需要長途跋涉到農場區(qū)域內的所需采樣點，潛入甘蔗隧道并且縱向或橫向切下一塊甘蔗切片（見圖7a）。

對于下一個機器人版本，這個問題一個可能的解決方案是在機器人底盤上附加一個低成本的輕型機械臂。這是一個簡單且低負載的任務，因此不需要具有多個自由度的復雜結構。可研究的一個有趣的解決方案是由多個可存儲管狀可伸展構件（STEM?，Storable Tubular Extendible Members，美國專利3，144，215和3，434，674）組成的串行機械手。這些可存儲管狀可伸展構件是一種測量帶，在緊湊的解決方案中以棱柱狀關節(jié)伸展和收縮回其腔室內，如圖7b所示。在文獻中很少有例如（Seriani和Gallina，于2015年提出）這種關于該結構的研究。最后，害蟲的防治是克服害蟲頻發(fā)問題的必要功能。目前正在研究一些害蟲檢測的方法，例如應用于捕獲歸一化植被指數（NDVI，Normalized Difference Vegetation Index）航拍圖像的無人機。在UMOE生物能源農場采集的相同甘蔗田的圖像有望檢測害蟲的位置，并直接將機器人送到這些點以精確施用害蟲控制物質。