智能農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)設(shè)計方案

紀慧鑫 楊毅 付靜 張翔 王鵬

摘? 要：我國是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，千百年的手工農(nóng)作已經(jīng)讓農(nóng)民疲憊不堪，伴隨著工業(yè)革命和智能革命的興起，進入21世紀以來，我國農(nóng)業(yè)機械化、自動化的程度得到大幅度提升，農(nóng)業(yè)機器人得到了發(fā)展空間，農(nóng)業(yè)機器人相繼研發(fā)出來，并更加智能化，文章設(shè)計了一種以ARM9為主控芯片處理器的智能農(nóng)業(yè)機器人自動灌溉系統(tǒng)，有效提高了農(nóng)業(yè)的工作效率。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機器人;自動噴灌;ARM9;智能;控制

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0039-03

進入21世紀以來，電子技術(shù)和自動控制技術(shù)發(fā)展突飛猛進，在農(nóng)業(yè)方面有著突出的影響，農(nóng)業(yè)機器人的出現(xiàn)解決了一些復雜而繁瑣的農(nóng)事，現(xiàn)在農(nóng)業(yè)機器人漸漸的進入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進一步擴大，并向著智能化、機械化的方向發(fā)展。農(nóng)業(yè)機器人的研究也在不斷的進步，并涉及多方面領(lǐng)域，如果蔬采摘、農(nóng)藥施肥、自動噴灌等。農(nóng)業(yè)機器人的運用改善了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況，降低了人工勞動強度，也提高了農(nóng)業(yè)效率。

1 自動噴灌機器人設(shè)計

本文設(shè)計了一個以ARM9為處理器的自動灌溉機器人，用三輪差分轉(zhuǎn)動的方式來控制機器人移動，利用線性頻率輸出型號的HF3223溫濕度傳感器來檢測實時濕度狀況并采集數(shù)據(jù)，并將采集數(shù)據(jù)傳回機器人的“大腦”，從而確定大棚田間農(nóng)作物是否需要噴灌作業(yè)。若大棚中的溫濕度低于設(shè)計初值，則控制系統(tǒng)將啟動控制水泵實現(xiàn)自動噴灌。

2 整體系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)業(yè)機器人整體設(shè)計包含硬件部分和軟件部分。硬件部分按照不同的模塊分為如圖1所示幾個部分，自動噴灌機器人利用HF3223溫濕度傳感器來檢測溫度和濕度，并通過傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸，ARM處理系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)進行處理、分析，并采取相應的措施。圖1為總體設(shè)計原理框圖。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)模塊

自動噴灌機器人控制系統(tǒng)模塊相當于人的“大腦”，溫濕度傳感器檢測室內(nèi)大棚田間的溫濕度數(shù)據(jù)都要經(jīng)傳感器傳送到控制模塊中，地面灰度傳感器記錄機器人在室內(nèi)大棚的位置，然后再傳送給控制模塊，實現(xiàn)對自動噴灌機器人的運動控制?？刂颇K是以ARM9為核心的S3C2440A芯片開發(fā)板，其特點是低功耗，高性能的微控制器。主頻設(shè)置為500MHz，開發(fā)板使用兩片外接的16MbytesSDRAM芯片，接在一起形成16bit的總線。通過與各種傳感器模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，保證在農(nóng)田中正常作業(yè)。其控制方式如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)機器人控制模塊原理框圖

3.2 電源模塊

自動噴灌機器人中電源模塊決定著其工作時間，提供穩(wěn)定的電源，將會降低工作時各控制器的出錯率，穩(wěn)定工作特性。經(jīng)過參考多種電機電源決定采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的容量為8000MAH高倍率鋰聚合物鋰電池，可快速充放電，輸出功率大，壽命長。輸出工作電壓在12V左右，保證控制系統(tǒng)運行正常。因為S3C2440A開發(fā)板所需要的輸入電壓是7-12V寬壓，而電機正常工作時需要的輸入電壓為12V，所以用兩個4000MAH的電源串聯(lián)在一起，即可保證控制器模塊和系統(tǒng)的正常運行。兩邊的電機驅(qū)動器與電池盒接口并聯(lián)在一起，固定在車體的兩邊。

3.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括溫濕度傳感器和灰度傳感器，采用的是具有線性頻率輸出型號的HF3223溫濕度傳感器，其特點具有響應速度快、功耗超低、可與ARM9直接相連，工作時其性能有極高的穩(wěn)定性;灰度傳感器采用的型號是DFR0022，是一種模擬傳感器，可以作為其機器人運行過程中溫室大棚及田間地面灰度判斷，其工作原理是內(nèi)部含有一只發(fā)光二極管和一只光敏電阻，安裝在同一面上。利用不同顏色的檢測面對光的反射程度不同，光敏電阻對不同檢測面返回的光時阻值不相同的原理來進行顏色深淺檢測，保證機器人的正常運行。圖3所示為灰度傳感器模型。

傳感器的主要作用是探測農(nóng)作物四周的位置信息，并及時將獲取的信息傳達給“大腦”，保證機器人行駛在規(guī)定的道路上，避免撞到障礙物，影響其壽命。

3.4 電源電機驅(qū)動模塊

電源電機驅(qū)動模塊在機器人的機械結(jié)構(gòu)中占據(jù)關(guān)鍵位置，它的布局不僅影響到機器人的體積，而且還對其正常作業(yè)的效率和靈活具有很大的影響。電機驅(qū)動模塊包含步進電機和電機驅(qū)動器。用步進電機作為動力源，步進電機采用兩個CQ2HB34MB型號的兩相步進電機，分別控制左右兩個主動輪，其工作電壓在12V。其特點是不受電壓、電流、溫度、濕度等干擾因素的影響，具有很高的準確性和可靠性?？刂茩C器人噴灌農(nóng)作物時有明顯的控制力，轉(zhuǎn)向、噴灌等功能都在設(shè)定的控制時間范圍類，工作時其轉(zhuǎn)速和方向可以通過程序控制來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速可以隨著頻率的變化而變化，頻率增加，轉(zhuǎn)速增加，頻率減小，脈沖減小。電機驅(qū)動器包括兩個L298N芯片，用來控制兩個步進電機。L298N是一款集成式單片電路，是一個高電壓、大電流的雙橋驅(qū)動器，驅(qū)動器的模塊供電部分可接3.5V電壓，驅(qū)動峰值電流可達4A。圖4所示為L298N芯片控制步進電機電路圖。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 行走路徑系統(tǒng)軟件設(shè)計

農(nóng)業(yè)機器人通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)機器人在作業(yè)中如何正確行駛，其運動方式主要為勻速行駛和轉(zhuǎn)向運動，勻速行駛一般通過溫濕度傳感器檢測是否需要進行作業(yè)，啟動后在預設(shè)軌道上經(jīng)過加速行駛后達到規(guī)定的速度從而進行勻速行駛，作業(yè)完成后需轉(zhuǎn)向繼續(xù)作業(yè)則需要減速運動，圖5所示為路徑系統(tǒng)規(guī)劃軟件流程圖。

4.2 避障系統(tǒng)軟件設(shè)計

農(nóng)業(yè)機器人避免障礙系統(tǒng)主要由地面灰度傳感器感知地面信息，傳達給ARM控制系統(tǒng)，保證機器人正常。圖6所示為避障系統(tǒng)流程原理框圖。

5 結(jié)束語

本文介紹了農(nóng)業(yè)自動噴灌智能機器人系統(tǒng)的整體概述，并介紹了硬件設(shè)計方案及軟件設(shè)計方案，硬件通過ARM控制系統(tǒng)控制驅(qū)動模塊驅(qū)動機器人進行噴灌作業(yè)，保證了農(nóng)作物的正常生長，而軟件方案是規(guī)劃機器人行走路徑及避免障礙物，保證了機器人在作業(yè)過程當中的正常進行，避免損壞機器人壽命。現(xiàn)在科學技術(shù)在不斷提高，農(nóng)業(yè)機器人正在不斷的開發(fā)，以適應更加艱難的復雜環(huán)境。農(nóng)業(yè)機器人在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中會越來越發(fā)揮出更大的作用。

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