AI機器人農(nóng)作物播種機的設(shè)計

尹向東,王 政

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,內(nèi)蒙古 包頭 014030)

0 引言

傳統(tǒng)播種機一般都是采用燃油動力,需要農(nóng)民手持播種,需要具備一定的技巧和熟練度,且在播種的時候阻力較大,不容易操作。由于耕作收獲后一般不做翻耕,土壤表面會有很多摻雜混入,摻雜使輪子附著力減弱,打滑嚴(yán)重,播種質(zhì)量無法保證[1]。另外,自動化程度低,播種效率不高,在實際應(yīng)用中存在較多問題。因此,本文研究了基于AI機器人式的自動控制裝置,旨在提高播種質(zhì)量和效率。

本文采用視覺、觸覺傳感器AI技術(shù),在平原地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模、自動化式的播種,操作方法對專業(yè)技術(shù)要求不高,只需要根據(jù)播種農(nóng)作物類型和區(qū)域設(shè)置,就可以自動化進(jìn)行播種,不僅大大提升了工作效率,也減少了人工參與度,且精確率更高。

1 系統(tǒng)設(shè)計原理

本系統(tǒng)采用視覺傳感器監(jiān)測播種機作業(yè)過程地面平整和避障控制,觸覺傳感器是根據(jù)土質(zhì)軟硬度,便于播種機平衡進(jìn)行播種操作。系統(tǒng)采用直流電機驅(qū)動排種器,要求直流電機和排種器轉(zhuǎn)速一致[2]。行走采用類似坦克鏈?zhǔn)杰囕?對復(fù)雜地形有著良好的適應(yīng)性,受阻力較小,方便播種機的作業(yè)速度,保證了準(zhǔn)確反映播種機的真實作業(yè)速度。系統(tǒng)采用單片機作為主控制器,對路徑、區(qū)域、播種量等參數(shù)通過鍵盤進(jìn)行設(shè)置,輸入單片機系統(tǒng),再由單片機控制器根據(jù)設(shè)置的參數(shù)值,進(jìn)行計算,完成自動控制播種作業(yè)[3]。

系統(tǒng)硬件由視覺傳感器單元、觸覺傳感器單元、單片機智能控制單元、人機接口單元和執(zhí)行機構(gòu)、通信模塊等6部分組成。系統(tǒng)軟件由觸摸屏模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、智能控制模塊、電機驅(qū)動控制模塊等構(gòu)成。由軟件驅(qū)動硬件,協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的控制過程,系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲、輸入端口/輸出端口、定時功能及中斷系統(tǒng)設(shè)定、數(shù)據(jù)的處理、對執(zhí)行元件發(fā)出控制命令等功能。

本文仿真模擬系統(tǒng)以STM32F107工業(yè)級單片機為核心部件。配置兼容性良好的外部設(shè)備,如觸摸屏輸入/輸出模塊、視覺/觸覺傳感器驅(qū)動模塊、無線通信模塊、執(zhí)行機構(gòu)組成,如圖1所示。

圖1 播種機核心控制器組成及工作原理

當(dāng)系統(tǒng)開機后,單片機內(nèi)部進(jìn)行初始化,主要是對觸摸屏顯示進(jìn)行初始化、執(zhí)行機構(gòu)初始化、無線通信模塊的檢測,初始化后播種機處于待機狀態(tài),這是人機界面顯示系統(tǒng)設(shè)置界面,操作人員根據(jù)土地平整度、區(qū)域范圍以及適合速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,設(shè)置完成后,點擊“確定”,播種機開始工作。由于行動采用鏈?zhǔn)杰囕?根據(jù)視覺傳感器的監(jiān)測信號,匹配系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù),有序進(jìn)行播種,種子會放到播種機預(yù)設(shè)的種子槽內(nèi)。由于設(shè)置了區(qū)域范圍,所以播種機根據(jù)區(qū)域設(shè)定進(jìn)行工作,不會出現(xiàn)不可控的情況,當(dāng)出現(xiàn)障礙,視覺傳感器會回傳信息,智能控制器會根據(jù)情況,進(jìn)行避障控制或停車控制。

2 播種機整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 播種機整機設(shè)計原則

系統(tǒng)設(shè)計要避免現(xiàn)有播種機播種后出現(xiàn)苗的布局不均勻以及疙瘩苗現(xiàn)象,播種器采用紗網(wǎng)排種方式,不僅提高了播種均勻性,還降低了成本。該機器的各項技術(shù)指標(biāo)符合國家頒布的播種機標(biāo)準(zhǔn),保證整機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐用性[4]。

2.2 整機結(jié)構(gòu)

新型小麥播種機主要由開溝施肥機架總成、穴播器總成、鎮(zhèn)壓輪、覆土裝置等組成,其中開溝施肥機架總成、穴播器總成如圖2—3所示。

圖2 開溝施肥機架總成示意

整機工作時,通過單片機控制的伺服電機驅(qū)動鏈?zhǔn)杰囕嗊M(jìn)行前進(jìn)和后退。車輪采用大小兩個輪子轉(zhuǎn)動,通過機器內(nèi)部傳動裝置帶動肥料箱外的轉(zhuǎn)軸,通過螺旋式旋轉(zhuǎn)將肥料推到出料口,肥料自然導(dǎo)入開溝器,開溝器采用旋轉(zhuǎn)托盤進(jìn)行施肥。在托盤上設(shè)計了一套刮土裝置,以便于清除黏土。

圖3 穴播器總成示意

當(dāng)播種時,穴播器的托盤轉(zhuǎn)動、取種器將進(jìn)入種子管道,將種子甩到類似鴨嘴的容器中,鴨嘴通過破土定穴將種子排刀適合的土層。鎮(zhèn)壓器轉(zhuǎn)動時將圖層壓實,覆土板將土覆蓋均勻,完成播種工作[5]。

2.3 穴播器的結(jié)構(gòu)與工作原理

穴播器的結(jié)構(gòu)主要包含主軸、取種器、鴨嘴、錐形彈簧、刮種器、觀察室、導(dǎo)種管和壓盤,如圖4所示。

圖4 穴播器的結(jié)構(gòu)

穴播器通過鴨嘴導(dǎo)入取種器,再由主軸驅(qū)動錐形彈簧,同時視覺監(jiān)控器配合主軸工作,主軸將種子導(dǎo)入導(dǎo)種管,在種子播種過程中,刮種器進(jìn)行過濾,最后進(jìn)入壓盤。

3 結(jié)語

目前,基于AI功能的播種器還屬于研究階段,本文的設(shè)計思路和模擬器還需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化。但AI技術(shù)的應(yīng)用對現(xiàn)代新農(nóng)業(yè)的發(fā)展會起到非常重要的作用。