有機(jī)蔬菜大棚除草機(jī)器人研制

洪曉瑋，陳 勇，楊超淞，周衛(wèi)鵬

（1.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037；2.鎮(zhèn)江市臨泰農(nóng)業(yè)科技有限公司，鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

雜草不僅與作物爭奪水分和養(yǎng)料，而且促進(jìn)了病蟲鼠害的滋生。目前，雜草防除方法有人工除草、化學(xué)除草和生物除草等。人工除草勞動強(qiáng)度大且效率低?；瘜W(xué)除草見效快，但是容易造成環(huán)境污染。生物除草雖然環(huán)保，但是不適用于突發(fā)性的草害。國內(nèi)外研究人員從上世紀(jì)80年代起開始雜草識別和除草機(jī)器人研究以部分取代人工除草作業(yè)[1～3]。

美國加州大學(xué)研制了一種棉田除草機(jī)器人[4]，該機(jī)器人安裝有機(jī)器視覺系統(tǒng)和噴嘴，視覺系統(tǒng)識別出雜草后，噴嘴噴出藥劑進(jìn)行除草作業(yè)。日本北海道大學(xué)設(shè)計了一種葡萄園除草機(jī)器人[5]，該機(jī)器人在車頭安裝有一個兩自由度的機(jī)械臂并在機(jī)械臂下方安裝有圓鋸片，機(jī)械臂帶動圓鋸片移動從而切除雜草。江蘇大學(xué)研制了一種用于作物株間除草的機(jī)器人[6]，該機(jī)器人通過機(jī)身上的八爪式機(jī)械除草裝置進(jìn)行除草作業(yè)。華南理工大學(xué)設(shè)計了一種水田除草機(jī)器人[7]，該機(jī)器人利用兩個履帶行走機(jī)構(gòu)將雜草壓平，并通過水中的泥漿限制光合作用從而破壞雜草的生長環(huán)境。南京林業(yè)大學(xué)也對雜草識別和機(jī)器人除草技術(shù)進(jìn)行了深入研究[8～10]。目前，對用于玉米、甜菜等大田除草的雜草識別和機(jī)器人除草技術(shù)研究較多，而對用于有機(jī)蔬菜大棚內(nèi)除草作業(yè)的相關(guān)技術(shù)研究較少。

針對上述問題，本文研發(fā)了一種適用于有機(jī)蔬菜大棚的除草機(jī)器人。該機(jī)器人通過原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑的轉(zhuǎn)向，適用于溫室大棚狹小的空間；同時，該機(jī)器人通過智能識別雜草并沿著設(shè)定路徑行駛，從而全自主地進(jìn)行機(jī)械除草作業(yè)。

1 總體方案設(shè)計

圖1為有機(jī)蔬菜大棚內(nèi)部示意圖，大棚內(nèi)有4壟菜地。機(jī)器人先沿著一壟菜地行駛到一片農(nóng)作物區(qū)域上方，然后進(jìn)行雜草識別并挖除雜草，當(dāng)該區(qū)域的雜草挖除干凈后，機(jī)器人再次啟動行駛到下一區(qū)域進(jìn)行除草。如此往復(fù)，全自主地完成在整個大棚內(nèi)的除草作業(yè)。

圖1 大棚內(nèi)部示意圖

機(jī)器人基于磁導(dǎo)航沿著第1壟菜地從起始行駛至末端，然后從第1壟橫向行駛到第2壟，不需要轉(zhuǎn)彎半徑。機(jī)器人以同樣的方式行駛，直至完成整個過程，運動軌跡如圖2所示。磁導(dǎo)航所需的磁條安裝在大棚橫梁框架上，磁導(dǎo)航傳感器固定在機(jī)器人上面支架的頂部。利用模糊控制算法確保機(jī)器人沿著磁條行駛。

圖2 機(jī)器人運動軌跡圖

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 整體設(shè)計

除草機(jī)器人由車架、末端執(zhí)行器、行走機(jī)構(gòu)、原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、組合式線性模組、磁導(dǎo)航傳感器和攝像頭等組成，如圖3所示。該機(jī)器人采用四輪式行走機(jī)構(gòu)，以輪轂電機(jī)為驅(qū)動裝置，使得機(jī)器人能夠沿著田壟并橫跨于農(nóng)作物行駛；通過控制原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中電機(jī)的轉(zhuǎn)向，使得機(jī)器人能夠完成壟與壟之間的橫向行駛；組合式線性模組能夠帶動末端執(zhí)行器在一定空間區(qū)域內(nèi)移動；末端執(zhí)行器采用三爪式結(jié)構(gòu)，能夠伸入土壤，實現(xiàn)挖除雜草的動作；磁導(dǎo)航傳感器使得機(jī)器人能夠沿設(shè)定路徑行駛。機(jī)器人使用左右兩個攝像頭識別雜草，兩個攝像頭固定安裝在Y軸線性模組底板的左右兩側(cè)。在開始除草作業(yè)前，Y軸線性模組移動到農(nóng)作物區(qū)域中央，攝像頭拍攝照片，獲得雜草圖像。

圖3 除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖4 原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)圖

2.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.2.1 結(jié)構(gòu)原理

大棚地面平坦，因此該機(jī)器人采用簡單靈活的四輪式行走機(jī)構(gòu)。因為輪轂電機(jī)將車輪與電機(jī)結(jié)合在一起，結(jié)構(gòu)緊湊，所以使用四個輪轂電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人行駛。

2.2.2 輪轂電機(jī)的選型

機(jī)器人啟動時需要克服輪胎與地面間的滾動摩阻力偶矩，滾動摩阻力偶矩計算公式如下：

式(1)中：Mf為滾動摩阻力偶矩，N·mm；δ為滾動摩阻系數(shù)；Fn為地面對車輪產(chǎn)生的支持力，N。

根據(jù)大棚內(nèi)部結(jié)構(gòu)初步設(shè)定機(jī)器人長寬高尺寸為：1810mm×1310mm×1690mm，質(zhì)量為140kg。輪胎與地面的滾動摩阻系數(shù)δ=5，單個車輪支撐機(jī)器人1/4的質(zhì)量，所以單個車輪所受支持力為：

將上述參數(shù)代入式(1)，求得單個車輪滾動摩擦力偶矩為：

本文選用10吋輪轂電機(jī)，額定電壓為DC 36V，額定功率為180W，轉(zhuǎn)速為100r/min，輪胎外徑為直徑275mm。輪轂電機(jī)扭矩計算公式如下：

式(2)中：T為輪轂電機(jī)扭矩，N·m；P為輪轂電機(jī)輸入功率，kW；N為輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

輪轂電機(jī)輸入功率P=0.18kW，轉(zhuǎn)速n=100r/min。

將上述參數(shù)代入式(2)，求得輪轂電機(jī)扭矩為：

因此，該輪轂電機(jī)滿足使用需求。

2.3 原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計

2.3.1 結(jié)構(gòu)原理

考慮到除草機(jī)器人在菜田壟與壟之間橫向行駛時需進(jìn)行直角轉(zhuǎn)彎，即車輪需要繞著垂直軸線旋轉(zhuǎn)90°，本文創(chuàng)新性地設(shè)計了一種原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由減速步進(jìn)電機(jī)、車架、外支撐筒、內(nèi)軸、軸端法蘭蓋等組成，如圖4所示。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)由最上端的減速步進(jìn)電機(jī)提供動力。電機(jī)機(jī)身固定在車架上，電機(jī)輸出軸將扭矩傳遞給內(nèi)軸，內(nèi)軸將扭矩傳遞給軸端法蘭蓋，軸端法蘭蓋與輪轂電機(jī)支架固定在一起，從而控制車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

2.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選型

機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時需要克服車輪與地面間的阻力矩，原地轉(zhuǎn)向阻力矩計算公式[11]如下：

式(3)中：Mr為原地阻力矩，N·m；f為車輪與地面的摩擦系數(shù)；G1為機(jī)器人單根內(nèi)軸軸向負(fù)荷，N；p為汽車輪胎氣壓，MPa。

取f=0.7，p=0.25MPa，單根轉(zhuǎn)向軸負(fù)載為G1=343N。

將上述參數(shù)代入式(3)，求得原地轉(zhuǎn)向阻力矩為：

本文選用減速步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，電機(jī)額定電壓為DC24V，額定扭矩20N·m，滿載效率為95%。因為Mr

2.4 組合式線性模組的設(shè)計

根據(jù)大棚及菜地尺寸，本文設(shè)計了如圖5所示的組合式線性模組。兩X軸線性模組的有效行程為500mm，驅(qū)動電機(jī)額定扭矩為4.5N·m；Y軸線性模組的有效行程為1400mm，驅(qū)動電機(jī)額定扭矩為4.5N·m；Z軸線性模組的有效行程為600mm，驅(qū)動電機(jī)額定扭矩為0.64N·m。這些線性模組滑塊的移動速度范圍均為0～300mm/s。

圖5 組合式線性模組

該機(jī)構(gòu)的兩X軸線性模組固定在車架上，由一臺步進(jìn)電機(jī)通過傳動軸進(jìn)行同步驅(qū)動。Y軸線性模組機(jī)身固定在X軸線性模組的滑塊上，并能夠隨著滑塊作直線運動。Z軸線性模組的滑塊與Y軸線性模組的滑塊固定在一起，使得Z軸線性模組能夠隨著Y軸線性模組左右移動，同時Z軸線性模組機(jī)身能夠上下移動。

2.5 末端執(zhí)行器設(shè)計

末端執(zhí)行器由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、外圓筒、連桿、抓桿、鏟子、梯形絲桿和螺母等組成，如圖6所示。末端執(zhí)行器安裝于Z軸線性模組底端，能夠隨著組合式線性模組在一定空間區(qū)域內(nèi)快速移動。該執(zhí)行器采用三爪式機(jī)構(gòu)，三個鏟子伸入土壤并挖除雜草。步進(jìn)電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器與絲桿配合在一起，將步進(jìn)電機(jī)的扭矩傳遞給絲桿。絲桿上安裝有螺母，當(dāng)絲桿旋轉(zhuǎn)時，螺母能沿著絲桿上下移動。螺母圓周上等間距鉸接有3個連桿，外圓筒圓周上等間距鉸接有3個抓桿，抓桿與連桿間為鉸接。抓桿下端與鏟子固定在一起，使得抓桿能夠繞著鉸鏈架作圓周運動而鏟子則作向下并向中心軸收緊的運動，從而實現(xiàn)對雜草的抓取動作。

圖6 末端執(zhí)行器

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)由攝像頭、FPGA開發(fā)板、DSP主板、磁導(dǎo)航傳感器、電機(jī)驅(qū)動器等組成，如圖7所示。FPGA開發(fā)板通過攝像頭采集圖像并從中識別出雜草，再將雜草的坐標(biāo)位置發(fā)送給DSP主板，DSP再通過驅(qū)動器控制相應(yīng)電機(jī)工作，使得機(jī)器人完成除草及行駛等動作。行駛中，磁傳感器實時檢測機(jī)器人與理想路徑偏差量，基于模糊控制算法確保機(jī)器人沿著設(shè)定路徑行駛。

圖7 機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

4 機(jī)器人制作及實驗

本文根據(jù)上述設(shè)計制作了如圖8所示的除草機(jī)器人，該機(jī)器人的長寬高為：1820mm×1310mm×1690mm，實際質(zhì)量為155kg。

圖8 除草機(jī)器人實物圖

表1為磁導(dǎo)航實驗的20組數(shù)據(jù)，偏移量為磁導(dǎo)航傳感器相對于磁條中心線的距離，機(jī)器人每行駛5m記錄一次數(shù)據(jù)。從表中可以看出，機(jī)器人的偏移誤差小于4cm，滿足田間使用需求。在該實驗中，機(jī)器人能夠以0m/s～1.5m/s的速度平穩(wěn)地前進(jìn)后退，并且能夠可靠地完成原地轉(zhuǎn)向動作，說明機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理正確且控制方案可行。

表1 磁導(dǎo)航實驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文研制的除草機(jī)器人適用于有機(jī)蔬菜大棚內(nèi)的除草作業(yè)，該機(jī)器人通過原地轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠在狹小的空間內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎半徑為零，提高了大棚內(nèi)部空間的利用率；機(jī)器人通過機(jī)器視覺和磁導(dǎo)航傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)智能雜草識別和全自主行駛。實驗結(jié)果顯示，機(jī)器人沿著設(shè)定路徑行駛的偏差量小于4cm/500cm，滿足大棚應(yīng)用需求。