基于綠色農(nóng)業(yè)的智能噴藥機器人的設(shè)計與應(yīng)用

申賓德 崔玉萍 徐生龍

摘要：隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，傳統(tǒng)的噴藥方式存在著藥劑浪費、環(huán)境污染和作物質(zhì)量下降等諸多問題。通過智能噴藥機器人的應(yīng)用，提高農(nóng)業(yè)噴藥的效率、減少藥劑的使用量和環(huán)境污染，以推動綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，設(shè)計了一款由底盤、四輪驅(qū)動機構(gòu)、自動配藥裝置、噴藥裝置及智能控制器、傳感器等組成的噴藥智能機器人，能在不同路況下行走工作。通過圖像識別技術(shù)深度分析農(nóng)作物所受病蟲害情況，通過控制模塊獲取速度傳感器、壓力傳感器及流量傳感器瞬時數(shù)值動態(tài)調(diào)整藥液濃度、噴藥壓力，實現(xiàn)噴藥過程平穩(wěn)工作。該系統(tǒng)的設(shè)計為后續(xù)根據(jù)作物生長態(tài)勢精準靶向噴藥及遠距離噴藥等功能實現(xiàn)提供思路。

關(guān)鍵詞：綠色農(nóng)業(yè)；智能噴藥機器人；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；人工智能

中圖分類號：S224? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2097-2172（2023）09-0859-06

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2023.09.014

Design and Application of Intelligent Spraying Robots Based on

Green Agriculture

SHEN Binde， CUI Yupin， XU Shenglong

（Wuwei Vocational College， Wuwei Gansu 733000， China）

Abstract： With the development of agricultural production， traditional spraying methods are faced with many problems such as pesticide waste， environmental pollution， and decreased crop quality. Through the application of intelligent spraying robots， the efficiency of agricultural spraying could be improved， and the amount of chemicals used， and environmental pollution could be reducedso as to promote the development of green agriculture and improve the quality of agricultural products. By combining technologies such as the Internet of Things， big data， and artificial intelligence， an intelligent spraying robot is designed which consists of a chassis， four-wheel drive mechanism， automatic dispensing device， spraying device， intelligent controller， sensor， etc.， and could walk and work under different road conditions. By using image recognition technology to deeply analyze the situation of diseases and pests that crops suffer from， the instantaneous values of speed sensors， pressure sensors， and flow sensors are obtained through control modules to dynamically adjust the concentration and spraying pressure of the pesticide solution， which achieves smooth operation during the spraying process. The design of this system provides ideas for the subsequent implementation of precise and targeted and long-distance spraying functions based on crop growth.

Key words： Green agriculture; Intelligent spraying robot; Internet of Things; Big data; Artificial intelligence

收稿日期：2023 - 07 - 16

基金項目：2023年武威職業(yè)學(xué)院校級科研項目（ZYY2023002）。

作者簡介：申賓德（1982? — ），男，甘肅武威人，副教授，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備及控制工程的研究工作。Email： 119251219@qq.com。

通信作者：崔玉萍（1983? — ），女，甘肅武威人，副教授，碩士，主要從事物聯(lián)網(wǎng)及控制研究工作。Email： 119268827@qq.com。

綠色農(nóng)業(yè)是一種以生態(tài)環(huán)境保護為導(dǎo)向，注重可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)發(fā)展類型。其核心目標是實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、高質(zhì)、低耗、安全的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式［1 ］，同時最大限度地減少對自然資源的損害和環(huán)境污染［2 ］。我國為農(nóng)業(yè)大國，但農(nóng)用機械技術(shù)應(yīng)用相對落后，尤其果蔬噴藥類機械和技術(shù)應(yīng)用尚未成熟，傳統(tǒng)的果蔬噴藥作業(yè)大多采用人工背負沉重藥箱噴灑藥液的方式，而該作業(yè)方式因作業(yè)人員近距離接觸藥液，且缺乏一定的保護裝置，在噴藥過程中極易造成人體傷害甚至中毒死亡，而濫用或過量使用農(nóng)藥也給生態(tài)環(huán)境帶來很多危害。

近年來隨著科技發(fā)展，用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各種場景作業(yè)的農(nóng)業(yè)機器人應(yīng)運而生，如采摘機器人、移栽機器人、澆花機器人等智能機械。而智能噴藥機器人基于國外噴藥機器人通常以拖拉機牽引，大型機械為主，而國內(nèi)噴藥機械缺乏個性化智能控制，價格較高等原因尚未推廣應(yīng)用，因此目前我國大部分地區(qū)噴灑農(nóng)藥依然采用傳統(tǒng)手工作業(yè)的方式，人們通過自身的經(jīng)驗和感知，根據(jù)農(nóng)藥說明書手工配兌農(nóng)藥的比例和噴灑劑量，存在農(nóng)藥配比濃度、噴灑劑量不均衡的現(xiàn)象，且手工作業(yè)存在覆蓋范圍小、工作效率低下、造成人力物力浪費以及農(nóng)藥對噴灑作業(yè)人員的身體健康存在一定的危害等，各種農(nóng)藥、廢棄污染源等使農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境變差，操作人員在噴藥時容易中毒，導(dǎo)致工人不愿意給農(nóng)作物噴藥。

基于以上因素分析，筆者研制了一款基于綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的智能噴藥機器人，該設(shè)備能夠通過系統(tǒng)識別植物病蟲害的種類，系統(tǒng)將根據(jù)事先設(shè)定好的比例進行混合，根據(jù)所規(guī)劃的路徑進行工作，且農(nóng)藥配比準確，噴灑均勻，也能夠避免對農(nóng)藥噴灑人員的健康產(chǎn)生危害，減輕了人工，提高了工作效率。

1? ?智能噴藥機器人機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

1.1? ?智能噴藥機器人總體結(jié)構(gòu)

智能噴藥機器人主要由供電模塊、藥罐模塊、計算分析模塊、圖像采集模塊、機架單元、控制系統(tǒng)單元、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和驅(qū)動單元組成（圖1）。

1.2? ?機械結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

智能噴藥機器人是綠色農(nóng)業(yè)中的重要裝備之一，其機械結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮機器人的移動性、穩(wěn)定性和可靠性。結(jié)合噴藥機器人的實際工作環(huán)境，智能噴藥機器人的機械結(jié)構(gòu)具備良好的移動和變向功能，并能夠適應(yīng)田間地形和地勢。

1.3? ?關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1? ? 行走機構(gòu)機器人? ? 行走機構(gòu)在工作中需在復(fù)雜的地面環(huán)境下能實現(xiàn)平穩(wěn)直行、轉(zhuǎn)彎靈活，不碰撞農(nóng)作物造成傷害。其底盤結(jié)構(gòu)具有一定的承重能力，能夠承受藥液箱、各種監(jiān)測傳感器及控制板等部件滿負荷狀態(tài)下的重量。行走驅(qū)動裝置能通過電池或電纜提供電力作為動力。目前機器人的行走方式主要有兩種，仿生機構(gòu)（仿人或動物）及輪式或履帶式機構(gòu)［3 ］。本設(shè)計采用了輪式驅(qū)動機構(gòu)，輪式因速度快、運轉(zhuǎn)靈活被普遍應(yīng)用，可實現(xiàn)在平穩(wěn)直行、轉(zhuǎn)彎等動作。噴藥機器人驅(qū)動裝置如圖2所示，在驅(qū)動方式的選擇上選用控制較為簡便、靈活的后輪驅(qū)動，動力源為電動機。而前輪為從動萬向輪，主要作用是輔助移動和平衡支撐。

噴藥機器人的運動環(huán)境是理想的平面，忽略地面與地形的影響；噴藥機器人的輪子始終與地面保持垂直，僅存在單點接觸，且沒有相對滑動。噴藥機器人運動分析參考坐標系的XOY為全局坐標系，XOY為輪式噴藥機器人自身坐標系［4 ］（圖3）。其中，A為驅(qū)動輪軸中心點，l為驅(qū)動輪間距，r為驅(qū)動輪直徑，v（t）為運動時機器人質(zhì)心的線速度，ω（t）為質(zhì)心的角速度，v1、v2為驅(qū)動輪速度［5 ］，1、2為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，運動學(xué)方式如公式所示。

另外，需要將全局坐標系下的運動情況映射到噴藥機器人自身的坐標系中來構(gòu)建噴藥機器人的運動學(xué)模型，即通過正交旋轉(zhuǎn)矩陣來實現(xiàn)相應(yīng)的映射，如以下公式所示。

式中，ξ1代表全局坐標系下的運動狀態(tài)， ξ2代表自身坐標系下的運動狀態(tài)。噴藥機器人的運動學(xué)模型為其運動控制分析提供了理論基礎(chǔ)，為后續(xù)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計提供必要的依據(jù)。

1.3.2? ? 藥液箱的設(shè)計與材質(zhì)? ? 選用由于田間地勢平整度不高，噴藥機器人行走路況較為復(fù)雜，行走過程中會造成藥液箱大幅晃動或傾倒等問題，為防止藥箱內(nèi)液體流通受限，在藥液箱內(nèi)采用等距離三格隔板對內(nèi)部空間進行分離。藥箱材料和隔板應(yīng)選用重量輕且耐腐蝕性好的塑料箱體，降低噴藥機器人的自身負荷。本設(shè)計的藥液箱和隔板的材料均采用PE材料，常溫下耐酸堿腐蝕。藥液箱規(guī)格為500.0 mm×400.0 mm×300.0 mm，三格隔板后的規(guī)格為389.0 mm×161.9 mm×285.5 mm，體積約18 L。整體藥液箱包括進藥口、儲液箱體、水箱、隔板、出藥管等裝置。水箱安裝在儲液箱體的底部。分隔板豎直設(shè)置在儲液箱體內(nèi)，上端與儲液箱體的頂部留有間隙，出水管的一端與水箱相連。出水管的另一端與三向閥相連，出水管上安裝有抽液泵，套筒環(huán)繞在儲液箱體的外側(cè)，通過第一進液支管與三向閥相連，管道設(shè)置在儲液箱體的出液室內(nèi)，管道的一端通過第二進液支管與三向閥相連。本藥液箱設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、便于制造和儲液。

2? ?智能噴藥機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1? ?智能噴藥機器人循跡控制系統(tǒng)設(shè)計

智能噴藥機器人的循跡控制系統(tǒng)包括機器人智能感應(yīng)控制系統(tǒng)，電腦、手機監(jiān)控機器人循跡及移位系統(tǒng)，遠程主控中央控制系統(tǒng)等三部分。為了進一步保證機器人噴藥的穩(wěn)定性，安全性和精準性，整個系統(tǒng)采用遠程手動和智能自動控制完成（圖4）。

2.1.1? ? 機器人智能感應(yīng)控制系統(tǒng)? ? 路徑規(guī)劃與導(dǎo)航循跡利用定位系統(tǒng)和環(huán)境感知裝置，機器人可以通過建立地圖和規(guī)劃路徑來實現(xiàn)自主導(dǎo)航。可以采用SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）算法來建立環(huán)境地圖并規(guī)劃路徑［6 ］，以實現(xiàn)機器人的自主避障和路徑規(guī)劃。為實現(xiàn)自動行走過程通過性高且按照較為簡單的運動路徑執(zhí)行，本設(shè)計的智能機器人主要依靠自身安裝的工業(yè)相機、速度傳感器及角度傳感器來實現(xiàn)自身姿態(tài)和外部路徑及環(huán)境信息的感知，對于采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過融合并運用已有的經(jīng)驗知識對環(huán)境空間的信息進行判斷從而尋找到高效或者近似于最優(yōu)的無碰撞的路徑，實現(xiàn)安全快速地通行［7 ］。在兩行農(nóng)作物間采用局部定位的方式，通過實時地收集處理傳感器采集機器人行走前方的圖像信息，進而獲得相對于兩側(cè)農(nóng)作物的局部定位信息，最終實現(xiàn)該機器人自主避障及最優(yōu)路徑自主導(dǎo)航行走。

2.1.2? ? 遠程主控中央控制系統(tǒng)? ? 通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)機器人可以與中央控制系統(tǒng)進行實時通信和數(shù)據(jù)交換。用戶可通過人機交互界面完成機器人的遠程控制。主控中央控制系統(tǒng)擁有較高權(quán)限，可以隨時調(diào)整噴藥機器人參數(shù)和目標要求，切換當前工作狀態(tài)等。該智能機器人接收到中央控制系統(tǒng)的相關(guān)指令后，比對數(shù)據(jù)執(zhí)行命令；同時中央控制系統(tǒng)具有對智能機器人統(tǒng)籌、管理、服務(wù)的功能。本設(shè)計的智能機器人也是遠程中央控制系統(tǒng)的終端設(shè)備，既可以智能控制實施噴藥，擁有一定的自主權(quán)，也需要由中央控制系統(tǒng)遠程監(jiān)控實施，防止智能機器人出現(xiàn)故障或者突發(fā)狀態(tài)及時由遠程中央控制系統(tǒng)接管處理。

2.1.3? ? 電腦、手機監(jiān)控機器人循跡及移位系統(tǒng)? ? 電腦、手機監(jiān)控機器人循跡及移位系統(tǒng)是農(nóng)戶或?qū)I(yè)技術(shù)人員通過手機應(yīng)用或電腦遠程監(jiān)控機器人的工作狀況，并進行必要的調(diào)整和控制。結(jié)合智能噴藥機器人的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計和運動分析可知噴藥機器人將支持機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)向以及調(diào)速。本設(shè)計的智能機器采用Blinker 自定義組件布局，按照當前的需要，可遠程操作機器人循跡及移位控制、變量噴藥控制等多個功能，其主機界面如圖5所示。當點擊手機或電腦界面上的不同按鈕時，即時調(diào)用程序中所對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)，不同的回調(diào)函數(shù)對應(yīng)著智能噴藥機器人不同的執(zhí)行動作，從而實現(xiàn)對智能噴藥機器人的遠程操控與監(jiān)控。

2.2? ?速度、 壓力和流量傳感器

噴灑農(nóng)藥時，根據(jù)噴藥機器人行走速度、病蟲害種類及密度控制噴藥劑量、濃度以及藥液輸送管道中藥液的壓力和流量［8 ］。該系統(tǒng)工作時通過速度傳感器獲取機器人行進速度確保管道中藥液供應(yīng)穩(wěn)定，通過壓力傳感器和流量傳感器使整個噴藥裝置形成閉環(huán)系統(tǒng)，采用模糊 PID 控制算法［9 ］，共同檢測管道中的壓力值和流量值，動態(tài)調(diào)整藥液噴灑劑量及噴霧大小，從而能較好地調(diào)整噴藥系統(tǒng)最終實現(xiàn)穩(wěn)定噴藥作業(yè)。

2.3? ?自動變量噴藥系統(tǒng)及控制方法

為了最大程度地提高噴灑效果和減少農(nóng)藥的使用量，通過圖像識別技術(shù)獲取農(nóng)田病蟲害的小面積差異信息［10 ］，采用變量配藥施藥技術(shù)按需噴藥，從而實現(xiàn)噴藥量的精準控制。

2.3.1? ? 基于圖像識別的農(nóng)作物病蟲害? ? 識別系統(tǒng)不斷增加擴充目標農(nóng)作物病蟲害病理庫，存儲于計算機存儲器中，噴藥機器人通過圖像識別技術(shù)，根據(jù)攝像頭傳送的影像資料，與庫文件進行對比，深度分析農(nóng)作物所受病蟲害情況，提供分析結(jié)果給智能打藥控制系統(tǒng)，為農(nóng)作物選擇農(nóng)藥種類提供依據(jù)。

2.3.2? ? 基于微控制器的智能噴藥控制系統(tǒng)? ? 主要包括①基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集。包含作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)、智能噴藥機器人運行參數(shù)、噴灑作業(yè)參數(shù)等［11 ］。②基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的通信系統(tǒng)構(gòu)建。各軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，及人機界面與核心控制器之間的數(shù)據(jù)通信（注：遙控駕駛方案無人機界面與核心控制器之間的通信）。③控制程序的編寫。根據(jù)氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，判別是否適合噴灑作業(yè)［12 ］。據(jù)圖像識別技術(shù)的判別結(jié)果，選擇農(nóng)藥種類，打開對應(yīng)通道的電磁閥，啟動噴灑泵，調(diào)整噴頭機構(gòu)，進行農(nóng)藥噴灑作業(yè)，并適時優(yōu)化噴灑距離、噴灑速度、噴灑時間，實現(xiàn)設(shè)計預(yù)想的噴灑效果。④數(shù)據(jù)呈現(xiàn)及上位機操控功能實現(xiàn)。通過人機界面（注：遙控駕駛方案無人機界面），呈現(xiàn)智能噴藥機器人的作業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)、運行參數(shù)及操作人員對噴灑車的遠程操控功能的實現(xiàn)［12 ］。

2.3.3? ? 噴藥控制系統(tǒng)參數(shù)的控制與調(diào)節(jié)  ? 本設(shè)計的智能機器人噴藥系統(tǒng)主要由藥箱、變頻泵、藥液輸送管道、流量傳感器、壓力傳感器、速度傳感器及控制模塊等部分組成。根據(jù)病蟲害種類及密度等信息處理結(jié)果通過壓力傳感器及流量傳感器調(diào)節(jié)管道中藥液的壓力和流量，進而控制噴藥濃度［13 ］。為了提高控制精度，該系統(tǒng)中的控制模塊采用PLC控制器，用于接收速度傳感器、流量傳感器及壓力傳感器采集的信號，從而控制變頻泵及流量閥，最終實現(xiàn)送藥管道的流量動態(tài)控制。智能控制過程如圖6所示：

3? ?應(yīng)用效果

3.1? ?噴藥效果

2023年6月中旬，在武威市涼州區(qū)、古浪縣大棚內(nèi)進行對智能噴藥機器人進行噴藥量實驗和霧滴沉積量試驗。該試驗對同1行植株的噴藥量和人工噴霧進行比較［14 ］。噴藥機兩邊共14個防滴漏噴頭，噴嘴可噴角度為105°，用自來水代替混合藥液［15 ］。本噴藥系統(tǒng)為自動變量噴藥，通過在進液管和回流管上個安裝1個流量傳感器，即可測量出實際噴藥量。為了試驗的準確性，試驗時分別設(shè)計3個行駛速度對同1組植株連續(xù)測試3次，試驗距離為50 m。相比于傳統(tǒng)均勻噴施，變量噴施能夠有效減少農(nóng)藥的使用［16 ］，其原因是在無須噴藥的種植間隙，控制系統(tǒng)會關(guān)閉閥門，從而減少無效的噴施。而在有植株存在時，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)植株的生長情況及病蟲害情況調(diào)整噴藥量的大小，對于個體較小的植株也能夠減少噴藥量，從而能夠在不降低噴施效果的前提下達到節(jié)約農(nóng)藥使用的效果。

3.2? ?樣機行走效果

通過手機遠離機器人的方式測試手機遠程控制距離，測試距離由近及遠，試驗發(fā)現(xiàn)在手機直線距離遠離機器人50 m以上，手機控制機器人信號傳輸不穩(wěn)定［17 ］。用手機控制噴藥機器人轉(zhuǎn)置最大轉(zhuǎn)向角，以2 km/h速度分別向左、向右各轉(zhuǎn)4圈，以噴藥機器人中心線的中點為轉(zhuǎn)彎半徑的參考點［2 ］。試驗結(jié)果表明，機器人樣機控制相對靈活，最小轉(zhuǎn)彎半徑為1.8 m，向左向右轉(zhuǎn)向基本一致，可實現(xiàn)平穩(wěn)直行、轉(zhuǎn)彎等動作。

4? ?應(yīng)用建議

設(shè)計的智能農(nóng)藥噴灑機器人可以實現(xiàn)遠程遙控作業(yè)，可以減輕農(nóng)戶勞動強度，改善噴藥作業(yè)環(huán)境。農(nóng)戶噴灑農(nóng)藥應(yīng)盡可能采用智能噴藥設(shè)備進行，可以節(jié)約農(nóng)藥，避免農(nóng)戶長時間作業(yè)身體受到侵害。應(yīng)用建議如下，一是農(nóng)戶在噴藥作業(yè)時最大遙控作業(yè)不超過50 m；二是噴藥機器人的最小轉(zhuǎn)彎半徑為1.8 m；三是噴藥機器人以2 km/h在田間作業(yè)除草作業(yè)間距雙側(cè)約8 m。樣機控制靈活，噴霧效果好，在以后的田間作業(yè)中充分改進優(yōu)化智能噴藥機器人多項關(guān)鍵技術(shù)，精準噴灑農(nóng)藥，提高作業(yè)效率。

該智能噴藥機器人設(shè)計通過融合人工智能、無人機和傳感器等技術(shù)，實現(xiàn)了農(nóng)藥施用的自動化和精準化，有效提高了噴藥效果和農(nóng)作物產(chǎn)量，并減少了對環(huán)境和人類健康的潛在風(fēng)險。下一步針對噴藥過程中智能噴藥機器人運行的平穩(wěn)性、根據(jù)作物生長態(tài)勢精準靶向噴藥及噴藥效率做進一步優(yōu)化，增加噴藥自動升降及轉(zhuǎn)向裝置、增大噴藥射程以適應(yīng)更遠的噴灑距離。

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