履帶式溫室智能噴藥機(jī)器人的設(shè)計(jì)

靳文停 葛宜元 張闖闖 岳曉娜 杜爽 彭正玲 趙寶月 張拂曉 車芷君

摘?要：噴藥機(jī)是民用領(lǐng)域必備的農(nóng)業(yè)裝備，各國對噴藥機(jī)的研發(fā)都非常重視。智能、精準(zhǔn)化機(jī)器能在廣闊的田野上代替手工完成各種農(nóng)活，世界各國農(nóng)業(yè)機(jī)械都是向著全方位實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能化、信息化方向發(fā)展，并努力促進(jìn)高新技術(shù)的快速發(fā)展。日本、美國、西班牙等國家智能噴藥機(jī)技術(shù)相對成熟，并已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。我國的智能精準(zhǔn)化噴藥機(jī)研究起步較晚，技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家具有一定差距。利用高精度噴藥技術(shù)、高精度傳感器技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)等相結(jié)合研發(fā)的履帶式溫室智能噴藥系統(tǒng)，減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度、改善工作環(huán)境、施藥均勻、提高藥蓋率、減少資源浪費(fèi)，對改善環(huán)境污染等有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，并且將會極大地提升作物的產(chǎn)量，對于國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：履帶式;溫室;智能;噴藥機(jī)

中圖分類號：S49;TP242????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.01.003

0?引言

傳統(tǒng)的噴藥機(jī)效率較低，人工成本較高，人工噴藥除操作人員易中毒，勞動強(qiáng)度大外，還存在著作物受藥質(zhì)量差，大型機(jī)械不適合溫室作業(yè)等缺點(diǎn)。隨著社會進(jìn)步和人們對生活質(zhì)量的要求不斷提高，人們對食品安全關(guān)注度也不斷的提高，溫室智能噴藥機(jī)產(chǎn)業(yè)潛在市場巨大，發(fā)展前景可觀。20世紀(jì)80年代以來，“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”技術(shù)的研究與應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家受到普遍地重視，“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”己被國際農(nóng)業(yè)科學(xué)界認(rèn)為是21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的先導(dǎo)性技術(shù)之一[1]。2017年，美國約翰迪爾公司以3.05億美元收購機(jī)器人初創(chuàng)公司藍(lán)河科技，將利用藍(lán)河科技的計(jì)算機(jī)視覺精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)”;西班牙Almeria大學(xué)針對大棚環(huán)境研制的噴霧機(jī)，通過高壓噴霧器，實(shí)現(xiàn)霧滴在作物冠層中的高滲透率噴霧;塞維利亞大學(xué)針對大面積草坪，通過GNSS導(dǎo)航的路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)地面自主施藥的移動平臺。除此之外，德國、韓國、巴西等國家都已經(jīng)將智能噴藥機(jī)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)植保作業(yè)[2-6]。

《中國制造2025》將農(nóng)機(jī)裝備列為重要領(lǐng)域，制定了農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展行動方案?！度珖r(nóng)業(yè)現(xiàn)代化規(guī)劃（2016-2020年）》對農(nóng)業(yè)機(jī)械化提檔升級作出全面部署?！爸悄苻r(nóng)機(jī)裝備”納入了“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃[7]。濟(jì)南大學(xué)研究了基于懸掛鏈輸送機(jī)的大棚智能噴藥機(jī)器人;青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研究了自動識別定量噴藥機(jī)器人;中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的電磁誘導(dǎo)農(nóng)用噴霧機(jī)器人于2007年通過測試，進(jìn)行了走直線和45°轉(zhuǎn)彎兩組試驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)噴藥的自動化和智能化;2017年德州“共享農(nóng)機(jī)”新模式問世，農(nóng)民掃碼支付既可使用噴藥機(jī)器人，該項(xiàng)目獲得了地方農(nóng)業(yè)機(jī)械部門的認(rèn)可和支持[8-14]。

1?履帶式溫室智能噴藥機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

課題組研制的履帶式溫室智能噴藥機(jī)器人由噴藥系統(tǒng)、調(diào)節(jié)裝置、履帶底盤、傳感器、控制系統(tǒng)、信息采集裝置、供電模塊等幾大部分組成。履帶底盤配合控制裝置自主導(dǎo)航攝像頭以及傳感器可實(shí)現(xiàn)溫室自動行走。自主導(dǎo)航攝像頭配合控制裝置控制滾珠絲杠左右調(diào)節(jié)裝置和直線電動推桿高度調(diào)節(jié)裝置，適應(yīng)不同高度作物均勻施藥。履帶式溫室智能噴藥機(jī)器人的三維模型如圖1所示。

履帶式溫室智能噴藥機(jī)器人工作時自主導(dǎo)航攝像頭可360°旋轉(zhuǎn)，采集溫室內(nèi)作業(yè)環(huán)境以及所針對的作物情況，回饋到STC89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行信息處理并作出指令;滾珠絲桿、直線電動推桿進(jìn)行高度和幅寬調(diào)節(jié)，以適應(yīng)作物能夠在最佳受藥距離自動停止。行走時由循跡避障傳感器實(shí)時感受溫室路況，回饋到單片機(jī)控制系統(tǒng)，對Safari-600T履帶底盤進(jìn)行即走即調(diào)，保證通行順暢。為防止長時間作業(yè)藥液沉淀情況發(fā)生，在藥箱增加攪拌裝置，根據(jù)不同藥物可設(shè)置不同攪拌時間間隔。

2?履帶式溫室智能噴藥機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1?軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用5路BFD-1000循跡傳感器，可以準(zhǔn)確對復(fù)雜黑（白）線進(jìn)行跟蹤，循跡范圍為0.5～40 mm。避障傳感器采用E18-D80NK光電傳感器模塊，集發(fā)射與接收于一體。檢測距離可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行調(diào)整，具有測探距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、使用方便等特點(diǎn)。

核心控制系統(tǒng)采用STC89S52單片機(jī)，此單片機(jī)集以下功能于一體，具有H橋L293D電機(jī)驅(qū)動電路，PWM接口;LM324紅外信號轉(zhuǎn)換電路;4位數(shù)碼管顯示屏;光電測速信號接口;USB下載+USB轉(zhuǎn)串口通信功能，能夠靈活支配各部分工作。

系統(tǒng)主程序流程如圖2所示。

2.2?硬件設(shè)計(jì)

2.2.1?履帶底盤設(shè)計(jì)

機(jī)器人底盤采用Safari-600T履帶底盤，整體采用克里斯蒂獨(dú)立懸掛設(shè)計(jì)，更好的做到重載避震。內(nèi)部搭載650 W高扭矩直流無刷減速電機(jī)，為底盤提供強(qiáng)勁動力，可負(fù)載越障。轉(zhuǎn)向半徑極小，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)圈。精準(zhǔn)的底盤高度搭配合理功率的電機(jī)，使得本機(jī)器人具有低重心，通過性強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)，適合溫室復(fù)雜環(huán)境使用。

噴藥機(jī)噴霧行走速度，可根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況設(shè)定，一般噴霧速度在2.5～7.5 km/h。可參考《作業(yè)速度計(jì)算公式》制定履帶機(jī)組行走速度[7]。用戶可根據(jù)具體情況，通過改變行走速度、噴量大小等參數(shù)改變施藥量。

作業(yè)速度計(jì)算公式為

v=kqQ·w（1）

式中 ?v為作業(yè)速度;k為常數(shù)系數(shù);Q為單位面積實(shí)際施藥量;q為系統(tǒng)施藥量;w為噴藥架有效距離。

2.2.2?幅寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

幅寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用滾珠絲桿傳動，推動固定在直線導(dǎo)軌上的滑塊在正反限位開關(guān)內(nèi)前后移動。滾珠絲桿具有定位精度高、摩擦力小、剛性高、負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。本機(jī)器人在噴藥架上安裝左右旋向相反的兩個滾珠絲杠導(dǎo)軌作為輔助裝置，工作時農(nóng)戶可根據(jù)自家作物壟寬自行設(shè)置，或由機(jī)器人控制系統(tǒng)自行調(diào)節(jié)。此裝置可避免藥桿過長造成的藥物浪費(fèi)現(xiàn)象，節(jié)約成本。幅寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖3所示。

壓桿失穩(wěn)臨界載荷計(jì)算公式為：

Fk=fkπ2EIKa2

式中?FK為壓桿失穩(wěn)臨界載荷;fk為壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)，取1.0;E為鋼的彈性模量取2.1×105 MPa;I為滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，I=πD464;K為壓桿穩(wěn)定安全系數(shù);a為左右支撐中心距。

根據(jù)公式，計(jì)算出絲杠工作載荷為138 N，額定動載荷為1960 N;精度等級為5級。壓桿失穩(wěn)臨界載荷為41609.09 N，遠(yuǎn)大于工作載荷，滿足要求。

2.2.3?高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用直線電動推桿，體積小、精度高、自鎖性能好。

本機(jī)器人安裝直線電動推桿輔助裝置，通過單片機(jī)控制，以此對噴藥有效高度進(jìn)行調(diào)整（推桿行程可定制），減小施藥有效距離。推桿兩頭各有一個行程限位開關(guān)，推桿一端通過支架與底盤相連，另一端通過活動支架與噴藥支架相連，伸縮桿運(yùn)行到底或到頂后，會自動停止，電機(jī)不會空轉(zhuǎn)燒機(jī)。推桿通過直流電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)螺桿傳動，伸縮桿只能伸縮不會旋轉(zhuǎn)。電機(jī)是正負(fù)兩極，比如正極伸，負(fù)極縮，相反就可以改變桿伸縮方向。高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

在直線電動推桿驅(qū)動噴藥架時，噴藥架要實(shí)現(xiàn)主動自適應(yīng)，要對直線電動推桿中無刷直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩的控制。

2.2.4?自主導(dǎo)航攝像頭

自主導(dǎo)航攝像頭由光線傳感器、鏡頭、SD儲存卡、重置按鈕、三軸底座等組成。三軸底座設(shè)計(jì)不僅可以調(diào)整高度、任意旋轉(zhuǎn)，還能調(diào)整拍攝俯仰角度;F2.0大光圈鏡頭搭配IR-CUT自動雙濾鏡，最大可視距離可達(dá)9 m，溫室內(nèi)作業(yè)環(huán)境以及作物上的病蟲害可觀察得一清二楚。自主導(dǎo)航攝像頭將采集圖像信息，通過內(nèi)部轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成視頻信號輸出至調(diào)制電路，調(diào)頻后得到射頻信號，送入放大器可放大后送出，無線接收模塊接收解調(diào)后將信息傳遞至STC89S52單片機(jī)，單片機(jī)控制執(zhí)行元件進(jìn)行工作。信號轉(zhuǎn)換如圖5所示。視頻信息也可錄制儲存下來，便于機(jī)器人正常行走以及農(nóng)戶及時掌握溫室內(nèi)作物病蟲害信息。

2.2.5?定時微型防腐蝕槳葉攪拌器

定時微型防腐蝕槳葉攪拌器區(qū)別于傳統(tǒng)攪拌器，可定時工作、結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、能耗小。攪拌器主要由定時器、電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、攪拌軸、攪拌槳葉組成。電機(jī)、定時器位于藥箱頂部，攪拌軸通過藥箱上提前打好的孔通入藥箱內(nèi)部，攪拌軸與一種帶有多片交互式攪拌葉的攪拌槳，攪拌槳可直接置于藥箱中進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了三維高速立體攪拌，用戶可根據(jù)不同藥液設(shè)置相應(yīng)時間間隔進(jìn)行攪拌。

3?結(jié)論

履帶式溫室智能噴藥機(jī)器人的設(shè)計(jì)以STC89S52單片機(jī)為核心，利用Safari-600T履帶底盤、自主導(dǎo)航攝像頭、五路循跡傳感器、光電傳感器、避障傳感器、滾珠絲桿導(dǎo)軌、直線電動推桿、定時微型防腐蝕槳葉攪拌機(jī)等相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)作物的噴藥作業(yè)。

（1）采用Safari-600T履帶底盤，解決了輪式移動裝置支撐面積小、接地比壓大、下陷度大、滾動阻力大的問題。

（2）采用滾珠絲桿導(dǎo)軌、直線電動推桿等裝置進(jìn)行幅寬、高度調(diào)節(jié)，減小有效距離，提高藥蓋率。

（3）采用定時微型防腐蝕槳葉攪拌機(jī)，防止長時間作業(yè)藥箱中藥液沉淀現(xiàn)象的發(fā)生，提高藥液均勻性。

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