作物生長和環(huán)境信息多傳感檢測系統(tǒng)設計

李惠玲，張曉東，李 葦，李貴蓮，陳 昌，申婷婷

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3.廣東弘科農(nóng)業(yè)機械研究開發(fā)有限公司，廣東 廣州 510555）

0 引言

作物長勢和環(huán)境信息的獲取對提高溫室作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。傳統(tǒng)長勢信息的獲取主要依賴栽培經(jīng)驗，所以主觀性強[1]；而采用化學方法獲取作物養(yǎng)分信息費時費力，且難以實現(xiàn)水肥和環(huán)境優(yōu)化調(diào)控[2,3]。因此研發(fā)適用于溫室環(huán)境的作物生長信息檢測系統(tǒng)具有重要意義和應用價值。

國內(nèi)外學者對作物生長信息檢測系統(tǒng)進行了廣泛的研究。其中SALDANA 等[4]利用機器視覺和遙感衛(wèi)星圖像，對大田作物進行了實時的檢測和生長狀況的獲取。BAI 等[5]針對無線傳感網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)融合問題提出了分布式估計方案，提高了溫室環(huán)境信息檢測的準確性。EHRET 等[6]通過神經(jīng)網(wǎng)絡對自動檢測的模擬預測了溫室番茄產(chǎn)量和生長需求。劉茂成[7]用光電傳感器設計了一個手持式的葉片氮素診斷系統(tǒng)，但還未進行栽培試驗驗證。程坤[8]設計的葉綠素含量檢測系統(tǒng)在不損傷葉片的前提下實現(xiàn)葉綠素含量檢測以及葉片所處環(huán)境溫濕度的實時檢測。LIANG 等[9]提出了一種基于Wi-Fi 的溫室環(huán)境動態(tài)檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程檢測，為溫室中自動檢測提供寶貴經(jīng)驗。

綜上所述，當前非接觸式設施作物生長檢測系統(tǒng)多為分布式，常采用光電、視覺和紅外等單一類型傳感，難以全面檢測作物長勢和溫濕度光照等環(huán)境信息，且缺少先進適用的溫室檢測平臺，難以適應溫室非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的巡航檢測。本研究在NI 公司LabVIEW 平臺的基礎上，結(jié)合多傳感技術(shù)設計出一種用于檢測作物生長和環(huán)境信息的系統(tǒng)裝備，實現(xiàn)溫室栽培綜合信息的巡航檢測。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 總體設計

作物生長和環(huán)境信息多傳感檢測系統(tǒng)集成了AGV 控制、機械臂操控、圖像采集、環(huán)境信息采集、熱成像系統(tǒng)、光譜信息采集等功能，總體結(jié)構(gòu)設計如圖1 所示，主要由運動系統(tǒng)、多傳感器檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和導航系統(tǒng)組成。其中運動系統(tǒng)包括用于系統(tǒng)行走的軌道式移動底盤和控制底盤運動的無刷減速電機；多傳感檢測系統(tǒng)包括獲取作物形態(tài)特征的可見光相機、冠層溫度的紅外傳感器、檢測環(huán)境溫濕度的環(huán)境光照和溫濕度傳感器、檢測作物高度信息的激光測距傳感器以及用于完成檢測并搭載多傳感器的機械臂和末端云臺；控制系統(tǒng)包括工控機和運動控制器；動力系統(tǒng)包括48 V 鋰電池組和充電模組；導航系統(tǒng)通過電磁導航地標傳感探測，通過電磁導航的方式控制移動平臺的順序到達檢測位。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設計圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示，具體包括圖像采集單元、電控云臺、多傳感器、工控機、軌道式移動底盤、機械臂、車體外殼、上位機。

系統(tǒng)利用溫室加熱管作為軌道進行自主移動檢測巡航作業(yè)，利用機械臂搭載的多傳感檢測系統(tǒng)獲取作物的長勢信息。通過獲取作物冠層的熱紅外溫度結(jié)合環(huán)境溫度信息，獲取作物的冠氣溫差特征，并進一步提取水分脅迫信息；基于可見光相機獲取作物的多視場圖像并結(jié)合激光測距可得到作物的冠幅、株高、莖粗等形態(tài)特征[10]。結(jié)合環(huán)境溫濕度、光照等傳感探測可以實現(xiàn)對環(huán)境綜合信息的獲取，從而實現(xiàn)對作物生長和環(huán)境信息的綜合評價。樣機實物如圖3 所示。

1.2 移動平臺結(jié)構(gòu)設計

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 系統(tǒng)實物圖

系統(tǒng)搭載的多傳感器為適應不同株高和不同視場的信息采集，需要實現(xiàn)舉升機構(gòu)的升降和機械臂的水平移動以改變多傳感器的位姿；為保證巡航精度，避免行走過程因軌道不平和重心大幅變化導致顛簸，需要車體具有較好的適應性和穩(wěn)定性。因此，設計移動平臺結(jié)構(gòu)時，在零部件的布局上，將伺服電機、驅(qū)動器、蓄電池等較重的零部件布置在車體最下層，而將運動控制器、信號采集裝置等輕型部件安裝在車體上層。在材料的選取上，小車底盤采用實心結(jié)構(gòu)的鋼材，而舉升機構(gòu)和機械臂則采用高強度的鋁材進行加工制造，以提高系統(tǒng)高舉作業(yè)的穩(wěn)定性和載荷。同時采用大容量鋰電池，以保證長時間的自主巡航作業(yè)。

在設計小車底盤結(jié)構(gòu)時，為保持車身緊湊和底盤的穩(wěn)定性，車體長度設計為1 100 mm，底盤寬度設計為750 mm。為保證巡航的精度和穩(wěn)定性，底盤采用驅(qū)動輪、導向輪和支撐萬向輪等3 組輪系結(jié)構(gòu)，其中導向輪的作用是支撐車體并保證車體沿軌道行進，導向輪表面采用菱形網(wǎng)格微結(jié)構(gòu)以保證具有一定的摩擦導向力，外緣采用凸起結(jié)構(gòu)以保證小車在產(chǎn)生極限偏離時能夠適應軌道自動糾偏，確保不會脫軌。移動平臺中部的驅(qū)動輪的作用是行進的驅(qū)動控制，采用橡膠輪式結(jié)構(gòu)，導向輪和驅(qū)動輪上均安裝有避震彈簧，以提高行走的穩(wěn)定性。支撐萬向輪的作用是在非軌道的溫室鋪裝路面行走時，作為平臺行走的輔助支撐。平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 平臺結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 機械臂結(jié)構(gòu)設計

機械臂系統(tǒng)包括舉升機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機械臂，為了適應不同株型，尤其是番茄、黃瓜等大株型和連續(xù)生長型作物的檢測需求，機械臂系統(tǒng)采用了三級舉升機構(gòu)（如圖5），末端傳感器的最高舉升高度可達2.80 m。一級升降機構(gòu)固定在底座框架上，二級升降機構(gòu)與三級升降機構(gòu)利用內(nèi)置軌道與各升降機構(gòu)內(nèi)側(cè)的凹槽鑲嵌，并由同步帶牽引，采用具有伺服反饋的電動推桿進行舉升，完成三級機構(gòu)的順序舉升，實現(xiàn)對行程的精確控制。

圖5 舉升機構(gòu)示意圖

為實現(xiàn)多傳感器的高度、視場和位姿的調(diào)節(jié)，需要配合多自由度的機械臂，以及末端云臺機構(gòu)。機械臂和云臺機構(gòu)采用兩節(jié)機械臂，結(jié)合三級轉(zhuǎn)軸構(gòu)成水平回轉(zhuǎn)臂（如圖6），單節(jié)機械臂為500 mm，3節(jié)回轉(zhuǎn)臂結(jié)合云臺機構(gòu)可以完成水平方向200～1 000 mm的不同伸展和回轉(zhuǎn)半徑范圍的傳感器的視場和位姿調(diào)節(jié)。末端云臺機構(gòu)用來固定多傳感檢測系統(tǒng)，結(jié)合翻轉(zhuǎn)軸可以實現(xiàn)垂直方向的-90～ 90°視角的傳感器位姿調(diào)節(jié)。水平旋轉(zhuǎn)軸采用具有位置反饋伺服電機完成驅(qū)動控制，垂直翻轉(zhuǎn)軸采用帶有位置反饋的小型步進電機完成，系統(tǒng)探測時，基于期望的空間位姿坐標，通過多軸配合結(jié)合運動路徑軌跡的組合規(guī)劃，實現(xiàn)對多傳感探測器的物距、視場等位姿的精準控制。

圖6 回轉(zhuǎn)機械臂結(jié)構(gòu)

1.4 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)硬件以PC 工控主機為上位機，兩套STM32F407 嵌入式主板作為下位機系統(tǒng)，上下位機采用485 總線通訊，實現(xiàn)檢測平臺的行走和機械臂的運動控制，以及多傳感信息的采集。

軌道式多傳感檢測平臺的動力系統(tǒng)采用 48 V/60 Ah的鋰電池為整個移動平臺提供動力，1次充電可以滿足整個移動平臺12 h的續(xù)航能力。

運動控制系統(tǒng)采用STM32F407 嵌入式主板實現(xiàn)平臺的運動控制，移動平臺使用兩個步進電機分別驅(qū)動移動平臺的左右驅(qū)動輪，其中，每一個電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、啟動、停止由運動控制器來控制。運動控制系統(tǒng)下位通過接收上位機發(fā)送的指令和控制輸出，驅(qū)動電機驅(qū)動器控制移動平臺中牽引電機的旋轉(zhuǎn)。移動平臺的轉(zhuǎn)向則由差速實現(xiàn)。移動平臺的前后導向輪是從動輪，起到導向和支撐小車沿軌道運動的作用。萬向支撐輪是平臺的路面支撐，即作為鋪裝路面行走和進行整體搬運時的車體支撐。

運動控制器作為移動平臺和機械臂系統(tǒng)的運動中樞，使其能根據(jù)遙控或者上位機的指令，完成平臺的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本運動功能，以及機械臂系統(tǒng)的升降、旋轉(zhuǎn)和位姿控制。電機驅(qū)動的控制流程如圖7 所示。

以平臺移動控制為例說明控制流程。啟動之后首先對整個系統(tǒng)進行自檢與初始化，判斷各電機與驅(qū)動器是否通訊正常、各傳感器數(shù)據(jù)是否正常輸出、工控機與運動控制器是否通訊正常。自檢完成之后，通過上位機對傳感器及控制器控制參數(shù)初始化，包括對增量編碼器原點設置，軌道式底盤各電機控制參數(shù)、初始運行速度等參數(shù)設置。當系統(tǒng)檢測未發(fā)生任何異常報警并完成初始化，則進行復位并等待接收上位機的運動控制指令或遙控指令；當系統(tǒng)有任何警告或錯誤信號時，則移動平臺停車報警，并等待人工處理。底層的運動控制器是基于用戶定義事件的配置文件來進行順序安排，協(xié)調(diào)并進行相對應的運動規(guī)劃并決定合適的扭矩命令，然后將其發(fā)送至電機放大器，產(chǎn)生運動，所有控制代碼均在ARM 開發(fā)板上完成，并通過RS-485 接口與上位機連接，在上位機的LabVIEW 軟件中通過VISA 控件對串口波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位等參數(shù)進行配置，數(shù)通訊協(xié)議符合MODBUS 規(guī)范，從而在LabVIEW 的前面板中完成交互操作。

圖7 運動控制程序設計流程圖

2 多傳感檢測系統(tǒng)設計

多傳感檢測系統(tǒng)由工控機進行控制。工控機通過485 總線采用MODBUS 協(xié)議解析獲取溫度、濕度、光照、紅外溫度等傳感器數(shù)據(jù)，采用千兆路由器網(wǎng)絡端口獲取視覺傳感器、激光測距和光纖傳感器的光譜信息。

多傳感器的采集與處理系統(tǒng)利用LabVIEW 界面編輯功能以及能夠調(diào)用Windows32 動態(tài)連接庫的特性，并針對LabVIEW 調(diào)用DLL 的特點和傳感器控制的復雜性，確定可見光相機、紅外熱成像、光譜儀和溫濕壓三合一傳感器可調(diào)用的功能函數(shù)，每個可調(diào)用函數(shù)都對應著某一具體的功能任務。包括初始化函數(shù)、運行條件初始化函數(shù)、運行狀態(tài)函數(shù)、脈沖發(fā)送函數(shù)、軸伸長計算函數(shù)、停止運行函數(shù)、歸零函數(shù)以及結(jié)束運行函數(shù)等。整個LabVIEW 傳感器部分的框圖程序的結(jié)構(gòu)采用循環(huán)結(jié)構(gòu)和順序結(jié)構(gòu)（Sequence Structure）堆疊而成，每一順序框?qū)哪稠椆潭ㄈ蝿斩及谡麄€固定頻率的循環(huán)結(jié)構(gòu)當中。圖8 為溫度濕度、光照信息讀取程序框圖，包括初始化事件和運行過程事件。

圖8 溫濕度和光照傳感器讀取程序框圖

本系統(tǒng)通過LabVIEW.創(chuàng)建人機交互界面，以實現(xiàn)溫室作物和環(huán)境多傳感信息的采集和運動控制過程。如圖9 所示，生長信息和環(huán)境信息的交互界面布置在視圖左側(cè)以便于直觀讀取，運動控制的人機交互操作界面放在視圖右側(cè)以便于控制操作。信息采集界面包括圖像信息的顯示控件、波形顯示控件。運動控制操作界面主要為移動平臺、機械臂及云臺的運動控制，同時包括執(zhí)行腳本文件的輸入模塊用于整個檢測系統(tǒng)在固定工況下的自動運行。

圖9 控制面板設計

3 檢測平臺的功能測試

對軌道式移動檢測平臺的運動功能進行了驗證。首先對移動平臺的運動精度進行驗證。在軌道方向上以1 m 間隔等間距選擇5 個平移試驗點，每個點進行5 次測量再取平均值，并將其算作實際的測量位置值，將實際位置值與標準位置值進行數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果如表1 所示?？梢缘弥^對誤差的最大值為3.7 mm，相對誤差為0.72%。該數(shù)據(jù)表明，在存在自然誤差的情況下，測量裝置移動的精度較高，對實際的測量影響可以忽略。

表1 平臺移動精度誤差表

取5 個升降機構(gòu)的實驗點，起始點為800 mm，之后取等間距500 mm 為測試點，同理每個點進行5次測量并平均，將測量出來的實際測量高度位置值與標準的高度位置值進行數(shù)據(jù)對比分析，結(jié)果如表2所示。實際測量的高度位置與標準高度位置的絕對誤差最大值為6.5 mm，相對誤差為0.28%。考慮到摩擦和自然誤差等，高度方面的誤差帶來的影響可以忽略。

表2 空間定位精度誤差表

4 結(jié)語

設計了一種適用于溫室非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，基于軌道式平臺的溫室綜合信息移動檢測系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)行走的穩(wěn)定性，采用溫室的加熱管道作為行走軌道，采用低重心設計理念，開發(fā)了車體結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)對不同生長期作物的檢測，采用了3 級舉升機構(gòu)結(jié)合機械臂系統(tǒng)，完成了不同作物、不同生長期的信息采集。移動平臺搭載作物生長和環(huán)境信息多傳感檢測裝置，可實現(xiàn)對高架植物的莖、果、葉長勢和冠氣溫差等生長信息，以及環(huán)境溫濕度、光照強度等氣象環(huán)境因子進行檢測。移動平臺移動的絕對誤差最大值為3.65 mm，相對誤差為0.53%，升降的絕對誤差最大值為6.5 mm，相對誤差為0.28%，具有較高的運動控制精度。