自動(dòng)避障除草機(jī)功能與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘超然

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，機(jī)械化作業(yè)逐漸替代了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，正向著高效、智能、無人化等方向轉(zhuǎn)型。除草作業(yè)是大田生產(chǎn)、果園生產(chǎn)和溫室栽培過程中田間管理及植保的一項(xiàng)重要工作，其與間苗、中耕、培土、灌溉、施肥、農(nóng)藥噴施等共同保證農(nóng)產(chǎn)品的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。從我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展和研究趨勢(shì)來看，拖拉機(jī)、耕種收機(jī)具等研究發(fā)展較快，機(jī)型和種類較多，自動(dòng)化和智能化發(fā)展較為領(lǐng)先，而中耕和除草類的機(jī)械設(shè)備研究發(fā)展相對(duì)較慢。一直以來，農(nóng)業(yè)除草大面積采用化學(xué)除草，人工除草和機(jī)械除草僅作為生產(chǎn)輔助，大量除草劑的使用破壞了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和農(nóng)田周邊生態(tài)，且田間藥劑噴施受天氣影響較大，降雨和大風(fēng)等天氣會(huì)導(dǎo)致除草質(zhì)量的降低。因此，探索和開發(fā)綠色、天然、無污染的智能除草機(jī)械設(shè)備成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)除草作業(yè)的未來首選。

1 自動(dòng)除草機(jī)研究情況

從世界范圍來看，自動(dòng)除草機(jī)械技術(shù)的研究起步于20世紀(jì)80年代，最早應(yīng)用于歐美等部分國(guó)家的果園和溫室大棚，經(jīng)過多年的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)用機(jī)器人智能導(dǎo)航、自主行駛、自動(dòng)除草作業(yè)等方面取得了較多的科研成果，且很多研究成果已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了較好的效果。意大利Rinieri公司生產(chǎn)制造了一款ELX140型除草機(jī)，其主要應(yīng)用于果園生產(chǎn)，能夠在自動(dòng)行駛、自動(dòng)除草的同時(shí)規(guī)避果園內(nèi)部的果樹等障礙物，且除草效率很高，可達(dá)4 km·h-1；美國(guó)邁阿密大學(xué)研究開發(fā)了一款基于GPS技術(shù)的自動(dòng)割草機(jī)，為該割草機(jī)設(shè)計(jì)了懸掛、控制、監(jiān)控、安全和割草等功能系統(tǒng)，結(jié)合控制算法、車輪編碼器傳感器、障礙探測(cè)等技術(shù)實(shí)時(shí)控制除草機(jī)行駛并規(guī)避田間障礙[1]。

我國(guó)對(duì)于自動(dòng)除草機(jī)的相關(guān)研究重點(diǎn)集中在21世紀(jì)以后，但整體發(fā)展速度較快，尤其是近年來理論沉積較快，經(jīng)過技術(shù)引進(jìn)和本土化技術(shù)研發(fā)，自主生產(chǎn)的除草機(jī)設(shè)備已經(jīng)與我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分匹配，但從自動(dòng)化與智能化程度來看，我國(guó)盡管相關(guān)研究較多，但實(shí)際應(yīng)用相對(duì)不足。徐麗明等[2]設(shè)計(jì)了一款能夠自動(dòng)識(shí)別并躲避葡萄藤的葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)，確定了系統(tǒng)控制的關(guān)鍵優(yōu)化變量，為葡萄株間自動(dòng)避障除草機(jī)的研究提供技術(shù)參考；陳凱[3]設(shè)計(jì)了一款株間自動(dòng)避障除草機(jī)，確定了三維方向的最大工作載荷，并以0.1，0.2，0.3 m·s-1分別進(jìn)行了株間主動(dòng)避障、緊急避障、正常避障試驗(yàn)，證實(shí)該除草機(jī)綜合避障率達(dá)到96.7%；朱站偉[4]設(shè)計(jì)的果園株間除草機(jī)利用電液控制技術(shù)優(yōu)化了機(jī)具避障過程，針對(duì)株間漏耕率影響較大的因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)，有效保證了在較低漏耕率的前提下，實(shí)現(xiàn)100%的避障試驗(yàn)通過率。

2 田間避障的關(guān)鍵因素

2.1 田間尋跡

田間尋跡是自動(dòng)行駛作業(yè)的除草設(shè)備需要具備的基礎(chǔ)功能，主要是通過導(dǎo)航和定位等技術(shù)實(shí)現(xiàn)除草設(shè)備在田間的自主行駛，明確作業(yè)所需的行駛路線[5]。實(shí)現(xiàn)田間尋跡功能的關(guān)鍵因素包括衛(wèi)星定位信號(hào)采集、傳感器信息采集、視覺分析，并通過上位機(jī)的串口編程和隨機(jī)對(duì)電腦接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成尋跡方案。

2.2 障礙物判斷

障礙物判斷的精確性是避障準(zhǔn)確率的重要影響因素，尤其對(duì)于農(nóng)田環(huán)境而言，障礙物的種類和復(fù)雜程度較高，要求除草設(shè)備在行駛過程能夠利用視覺設(shè)備、傳感器設(shè)備自主識(shí)別并確定障礙物目標(biāo)，結(jié)合控制算法明確障礙物具體位置[6]。障礙物的判斷主要依靠視覺技術(shù)結(jié)合雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.3 避障邏輯

避障邏輯是當(dāng)除草機(jī)控制系統(tǒng)確定障礙物各種信息后對(duì)除草機(jī)的行駛路線進(jìn)行的修正決策，主要標(biāo)準(zhǔn)是有效躲避障礙物并避免造成過大面積的除草遺漏，避障邏輯的準(zhǔn)確性主要依托于邏輯控制算法的精確性和硬件設(shè)備感知的精確性，避障邏輯包括自主避障和緊急避障兩種[7]。

2.4 工作原理

借鑒市場(chǎng)上已有行進(jìn)式除草機(jī)產(chǎn)品，以作物幼苗期的除草作業(yè)為研究重點(diǎn)，研究自動(dòng)避障的功能實(shí)現(xiàn)技術(shù)路徑。首先，株間除草機(jī)根據(jù)除草的壟距、行距等關(guān)鍵信息進(jìn)行作業(yè)參數(shù)調(diào)整，行駛導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)田間邊界定位數(shù)據(jù)建立作業(yè)范圍，根據(jù)視覺識(shí)別種植方向確定除草機(jī)行駛方向，形成初步的行駛路線方案，形成全局路徑規(guī)劃，并以此作為除草設(shè)備田間尋跡的基礎(chǔ)；其次，行駛過程利用衛(wèi)星定位和差分定位技術(shù)監(jiān)測(cè)行駛路線的準(zhǔn)確性，利用視覺攝像頭辨別行駛方向準(zhǔn)確性和分析視覺范圍內(nèi)是否存在障礙物，當(dāng)系統(tǒng)分析圖像中存在障礙物后，利用超聲波測(cè)距傳感器判斷障礙物距離，利用圖像識(shí)別分析障礙物外形尺寸；再次，結(jié)合對(duì)障礙物距離和外形參數(shù)的判斷數(shù)據(jù)，形成相應(yīng)的避障邏輯方案，調(diào)整行駛路徑，做出局部路徑規(guī)劃并調(diào)整行駛速度，調(diào)整除草刀具的工作狀態(tài)，分析是否需要升起刀具以免在避障過程破壞田間植株等；最后，在避開障礙物后，系統(tǒng)控制除草設(shè)備駛回全局規(guī)劃路徑，繼續(xù)沿最初方案的路徑行駛[8-9]。

3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 軟硬件選型

3.1.1 硬件選型

田間作業(yè)的環(huán)境要求自動(dòng)避障除草設(shè)備具備良好的田間適應(yīng)性和可靠性，尤其對(duì)于大田生產(chǎn)的環(huán)境，上空的遮擋物較少，適宜采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)作為行駛導(dǎo)航的主要技術(shù)，本次選用北斗衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS，Global Navigation Satellite System)作為定位系統(tǒng)，選擇的定位模塊為SinoGNSS K283芯片，支持B1I、B2I、B3I、B2b定位模式，可配備50 Ω阻抗匹配天線，首次定位時(shí)間低于30 s，RTK定位精度可達(dá)厘米級(jí)，其中靜止定位誤差小于2 cm，移動(dòng)定位誤差小于10 cm，并配備GNSS RF、UART、EVENT、SPI、PPS等多種數(shù)據(jù)接口。12 VDC電源、220 V逆變器、24 V開關(guān)電源分別對(duì)相應(yīng)電控原件進(jìn)行供電，選用北斗定位天線2個(gè)，主控制器選用STM32F777，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的快速處理。選用ORBBEC3D雙目視覺攝像頭，深度測(cè)量最大可達(dá)10.00 m，圖像清晰度達(dá)1080P；選用KS109超聲波傳感器用于探測(cè)正前方障礙物距離，其探測(cè)距離最高可達(dá)11.00 m，測(cè)量精度±1 mm；選用KS102作為左右兩側(cè)輔助探測(cè)傳感器，最大探測(cè)距離8.00 m，測(cè)量精度±10 mm。硬件布局位置如圖1所示。

圖1 硬件布局位置

3.1.2 軟件選型

系統(tǒng)主體控制選用國(guó)際通用的C++語(yǔ)言進(jìn)行編程，C++語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)在于能更好地實(shí)現(xiàn)基于過程的程序設(shè)計(jì)，適用于多態(tài)特點(diǎn)的程序?qū)ο笤O(shè)計(jì)，程序編制與模糊控制理論相結(jié)合，利用串口接收定位系統(tǒng)、傳感器等傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將位置信息、環(huán)境信息、位姿信息等引入控制算法，通過程序運(yùn)算獲取實(shí)時(shí)除草設(shè)備的行駛路徑偏差與位姿偏差修正方案，并針對(duì)已探知的障礙物生成避障路徑與位姿調(diào)整方案。軟件視圖及控制方案依據(jù)Windows系統(tǒng)開發(fā)，兼容電腦端與無線設(shè)備端，功能包括地圖控制、作業(yè)參數(shù)、數(shù)據(jù)傳輸、程序修正、遠(yuǎn)程控制、故障警報(bào)等。軟件系統(tǒng)運(yùn)行邏輯如圖2所示，衛(wèi)星定位芯片和超聲波測(cè)距傳感器將獲取的數(shù)據(jù)信息傳輸給主控制器，由主控制器生成控制方案，并控制轉(zhuǎn)向電機(jī)和液壓缸執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，傳感器監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向電機(jī)和液壓缸工作，并將數(shù)據(jù)以PWM波的形式傳輸給主控制器，控制實(shí)施除草設(shè)備的轉(zhuǎn)向和除草鏟、旋轉(zhuǎn)刀具的升降。

圖2 軟件系統(tǒng)運(yùn)行邏輯

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

避障系統(tǒng)的主體功能包括3個(gè)主要組成，分別為常規(guī)路徑行駛、環(huán)境監(jiān)測(cè)、避障繞行，如圖3所示。常規(guī)路徑行駛主要是除草設(shè)備按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)或自動(dòng)生成的路線正常除草作業(yè)，此過程依靠衛(wèi)星導(dǎo)航行駛，依靠視覺識(shí)別設(shè)備修正行駛方向；環(huán)境監(jiān)測(cè)主要是感知農(nóng)田環(huán)境的障礙物信息，利用視覺設(shè)備和超聲波測(cè)距傳感器分析田間障礙物情況，明確行駛路徑上是否存在障礙物，并獲取存在障礙物的位置和外形尺寸信息；避障繞行主要是檢測(cè)控制是否有效避開障礙物，除草設(shè)備是否避障后回到預(yù)設(shè)路徑行駛。

圖3 控制系統(tǒng)功能圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過程對(duì)于農(nóng)機(jī)自動(dòng)化與智能化的要求持續(xù)提升，化學(xué)藥劑的田間除草方式因環(huán)境污染問題一直以來備受爭(zhēng)議，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展理念，設(shè)計(jì)了智能除草機(jī)的行駛避障系統(tǒng)，有利于保障除草機(jī)行駛過程有效躲避障礙物，并快速回歸常規(guī)預(yù)設(shè)作業(yè)路徑，實(shí)現(xiàn)高效率田間自主行駛，并完成高質(zhì)量除草作業(yè)。本系統(tǒng)未來將進(jìn)一步與大田除草和溫室除草設(shè)備相結(jié)合，持續(xù)擴(kuò)展避障系統(tǒng)的適用性。