基于功率激光修剪綠化帶的自動(dòng)綠籬機(jī)設(shè)計(jì)

王馨梅，謝 冰，焦 欣，王成城，楊天陽，任 哲，牛仁杰，仝慧紫

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

隨著綠色宜居理念的倡導(dǎo)，灌木型綠化帶面積日益增大，其修剪方式也在不斷改進(jìn)。傳統(tǒng)綠籬機(jī)使用電動(dòng)機(jī)械刀具，在修剪過程中會(huì)帶來嚴(yán)重的噪音污染，特別不適用于學(xué)校、醫(yī)院、養(yǎng)老院等安靜場(chǎng)所。此外，綠化帶內(nèi)植株品種單一，個(gè)別植株發(fā)生的病蟲害(例如褐斑病、銹病、紅蜘蛛、蚜蟲等)極易隨機(jī)械刀具大面積擴(kuò)散蔓延，而在繁忙的馬路、學(xué)校和醫(yī)院等場(chǎng)所噴灑農(nóng)藥不利于廣大人群的健康。

激光切割不但噪聲低，而且紅外波段強(qiáng)激光切割出的枝葉傷口會(huì)被瞬間高溫碳化，形成針對(duì)細(xì)菌、病毒、害蟲入侵的保護(hù)層。因此近年來，國內(nèi)外開始嘗試用激光修剪農(nóng)作物。Schou等[1]用功率激光切割掉植物的上半部分枝莖后測(cè)量植株生長(zhǎng)量，并與機(jī)械切割后的生長(zhǎng)量做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明了用10.6 μm波長(zhǎng)激光束聚焦切割植物枝莖不會(huì)影響植物繼續(xù)生長(zhǎng)。Shah等[2]提出了一種新的清除雜草的方法，用車載攝像機(jī)檢測(cè)雜草并用激光器精準(zhǔn)摧毀。Daniel等[3]設(shè)計(jì)了一種卷軸結(jié)構(gòu)的激光割草機(jī)并申請(qǐng)了美國專利，但只能用于草本植物，不適用于灌木型綠化帶。

近年來，激光技術(shù)飛速發(fā)展，2012年我國首臺(tái)1 kW工業(yè)光纖激光器研制成功，2016年我國功率達(dá)到120 kW的工業(yè)級(jí)光纖激光器研制成功[4]，2017年中國工程物理研究院激光聚變研究中心實(shí)現(xiàn)百太瓦級(jí)超短超強(qiáng)脈沖激光關(guān)鍵技術(shù)突破，建成了國內(nèi)首臺(tái)輸出能力高達(dá)200TW的SILEX-I超短超強(qiáng)脈沖激光裝置[5]?？傊?，當(dāng)前普通高功率激光源的制造成本、維護(hù)成本以及體積重量值均正在快速下降，將激光修剪技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)初步具備商業(yè)化開發(fā)條件。

激光束作為一種切割工具，不但工作噪聲低、不擾民，而且無法將染病植物漿液(含細(xì)菌、真菌、病毒、蟲卵等)沾染到其它植株上，因此不會(huì)成為病原體的傳播媒介。有報(bào)道稱用小功率二氧化碳激光器或紅寶石激光器照射，可殺死藏在植物中的卵和幼蟲以及螨、蚊等體型小的成蟲[6]。此外，激光切割使植物傷口表面碳化，形成一層天然的保護(hù)膜，能夠有效地阻擋病毒細(xì)菌從切割傷口入侵植物體。因此，本文提出一種基于功率激光束修剪綠化帶的新型綠籬機(jī)設(shè)計(jì)思想，首先基于實(shí)驗(yàn)論證何種激光器更適合作為該綠籬機(jī)激光源，然后進(jìn)行該綠籬機(jī)系統(tǒng)的修剪、自動(dòng)避障和降溫除塵等方案設(shè)計(jì)。

1 激光切割實(shí)驗(yàn)

CO2激光器，其主要工作物質(zhì)是由對(duì)人體無毒的二氧化碳、氮?dú)夂秃馊N氣體組成。一般情況下，工作氣體密封存儲(chǔ)于硬質(zhì)玻璃制成的激光管最外層中，冷卻水通過激光管的中間層降溫，最內(nèi)一層為放電管。目前它是厚板切割商業(yè)化最好的一種激光器，其波長(zhǎng)為10.6 μm，位于遠(yuǎn)紅外波段?？紤]到CO2激光器成本低、發(fā)射功率大、維護(hù)簡(jiǎn)單，植物對(duì)10.6 μm波長(zhǎng)的激光吸收率高，且有報(bào)道稱10.6 μm雜散余光相比于1 064 nm對(duì)植物再生影響小[1]，因此初步選擇二氧化碳激光器作為激光綠籬機(jī)的光源。為了驗(yàn)證CO2激光器切割灌木的效果，特別是觀察傷口碳化效果，選擇小葉黃楊、金葉女貞和衛(wèi)矛(其形貌如圖1所示)進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)。

圖1 三種植物實(shí)驗(yàn)樣本的照片

小葉黃楊是黃楊科黃楊屬，分布于中國安徽、浙江、福建、江西、湖南、湖北、四川、廣東、廣西等省區(qū)；金葉女貞是木犀科女貞屬，分布于中國華北南部、華東、華南等地區(qū)；衛(wèi)矛是衛(wèi)矛科衛(wèi)矛屬，除東北、新疆、青海、西藏、廣東及海南以外均有分布。因此，這三種植物能夠稱作我國綠化帶的代表性灌木品種。假設(shè)綠化帶第一次用電動(dòng)刀具修剪平整，其后快生長(zhǎng)季節(jié)每?jī)芍寥苡眉す饩G籬機(jī)修剪一次，慢生長(zhǎng)季節(jié)每四至六周用激光綠籬機(jī)修剪一次，則激光綠籬機(jī)不需要面對(duì)修剪較粗枝條的情境，因此本文取這三種綠化帶植物的新鮮小枝條進(jìn)行切割測(cè)試。使用最大平均功率800 W的CO2激光器進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，參數(shù)如表1所示。

表1 三種常見綠化帶灌木的CO2激光切割實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所用CO2激光器的高斯激光束腰瑞利長(zhǎng)度很短，所以在切割直徑4 mm的小葉黃楊桿時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)快速切割而使用了較高的輸出功率(640 W)。今后可用衍射光學(xué)元件或菲涅耳透鏡相位采樣組合增大焦深[7-9]，從而提高切割效能。該CO2激光器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，枝條和葉片切割面略有碳化(見圖2和圖3(a))，且切割過程中煙塵現(xiàn)象不明顯。

圖2 用10.6 μm波長(zhǎng)激光切割小葉黃楊木質(zhì)莖的碳化效果

為了對(duì)比效果，還分別用普通鋼質(zhì)刀片、波長(zhǎng)1 064 nm的摻釹釔鋁石榴石(neodymium-doped yttrium-aluminum garnet，Nd:YAG)紅外激光器、波長(zhǎng)355 nm的光纖紫外激光器對(duì)小葉黃楊葉片進(jìn)行切割，結(jié)果分別如圖3(b)、(c)和(d)所示，普通鋼質(zhì)刀片和紫外激光對(duì)應(yīng)的切口完全無碳化，而用1 064 nm紅外激光可獲得與用10.6 μm遠(yuǎn)紅外激光相似的切口碳化效果。但是考慮到1 064 nm紅外激光比10.6 μm遠(yuǎn)紅外激光波長(zhǎng)短一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在枝條中吸收深度淺，會(huì)導(dǎo)致切割速度相對(duì)較慢，并且考慮到1 064 nm激光輻射有礙植物再生長(zhǎng)速度[1]，所以在本綠籬機(jī)方案中優(yōu)選10.6 μm遠(yuǎn)紅外激光。

圖3 四種切割方式的葉片切口效果對(duì)比

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本綠籬機(jī)為一個(gè)車載系統(tǒng)，主要由激光源、振鏡光路系統(tǒng)、智能避障控制系統(tǒng)、降溫降塵水路系統(tǒng)等部分組成?；竟δ苋鐖D4所示。

圖4 激光綠籬機(jī)系統(tǒng)功能說明圖

整體視覺效果如圖5所示，車頂是一個(gè)網(wǎng)格型太陽能電池板，既能遮擋陽光延緩內(nèi)部系統(tǒng)老化，也能將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，?qū)動(dòng)風(fēng)扇為內(nèi)部系統(tǒng)降溫。系統(tǒng)的工作流程是：首先將承載綠籬機(jī)系統(tǒng)的環(huán)衛(wèi)工程車開到緊鄰待修剪綠化帶的左側(cè)，展開伸縮桿，使余光吸收板位于綠化帶右側(cè)外邊緣，將激光頭高度通過升降電機(jī)調(diào)整到合適的修剪高度；然后在車沿著綠化帶緩慢行駛的過程中，激光通過振鏡光路系統(tǒng)修剪綠化帶；同時(shí)，車外攝像頭傳輸修剪視頻給系統(tǒng)用戶界面，便于司機(jī)在駕駛室內(nèi)了解當(dāng)前修剪實(shí)況。下位機(jī)采用ARM微處理器，上位機(jī)用戶界面基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，圖像識(shí)別基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)實(shí)現(xiàn)。

圖5 激光綠籬機(jī)系統(tǒng)的車載示意圖

2.1 振鏡光路系統(tǒng)

從激光器出射的高斯光，經(jīng)一個(gè)六倍率的硒化鋅(ZnSe)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后，近似為一束平行光，經(jīng)過一個(gè)固定全反鏡和一個(gè)可旋轉(zhuǎn)全反鏡(本文稱之為一維振鏡，其工作原理參見激光雕刻機(jī)中的二維振鏡系統(tǒng)[4])轉(zhuǎn)光路方向后經(jīng)14 cm直徑凸透鏡(也稱場(chǎng)鏡)聚焦，如圖6所示。每種灌木因含水率、反光率、韌皮部厚度、木質(zhì)部厚度等參數(shù)的不同而有不同的切割能量密度最小閾值。設(shè)距激光焦點(diǎn)L處的光能密度，恰好等于切割所需的光能密度閾值，則該激光可視作一把長(zhǎng)為2L的“光刀”，在工程車前進(jìn)運(yùn)動(dòng)以及圖6所示電動(dòng)平移臺(tái)和振鏡電機(jī)運(yùn)動(dòng)的共同作用下，該光刀切割軌跡可遍歷整個(gè)綠化帶。

圖6 激光焦點(diǎn)掃描控制示意圖

2.2 智能避障控制系統(tǒng)

由于激光系統(tǒng)工作噪聲低，所以需要安裝定向超聲波驅(qū)鳥器驅(qū)逐綠化帶中休憩的鳥類和松鼠等小動(dòng)物。此外，綠化帶中通常聳立電線桿、路牌或樹木等障礙物，為此通過攝像頭動(dòng)態(tài)采集圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行模式識(shí)別[10-11]。發(fā)現(xiàn)障礙物后，啟動(dòng)避障操作，即振鏡、場(chǎng)鏡所在的電動(dòng)平移臺(tái)向車內(nèi)收回一段距離，余光吸收板先上抬10 cm再向車內(nèi)收回一段距離，待繞開障礙物之后再伸出。具體控制方案已經(jīng)樣機(jī)驗(yàn)證，電路各模塊關(guān)系如圖7所示。

圖7 激光綠籬機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸與智能控制模塊圖

FPGA持續(xù)對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理并將路況信息傳遞給ARM，ARM會(huì)持續(xù)更新各個(gè)模塊的工作狀態(tài)并將信息輸入到上位機(jī)用戶圖形界面上供司機(jī)查看。當(dāng)FPGA檢測(cè)到有障礙物出現(xiàn)且伸縮桿與障礙物接近到預(yù)定距離時(shí)，就傳送一個(gè)信號(hào)給ARM，ARM接收到信號(hào)后，立即控制伸縮桿縮回，避開障礙物。此過程中，F(xiàn)PGA對(duì)障礙物持續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)修剪系統(tǒng)離開障礙物后，將信息反饋給ARM，使ARM控制伸縮桿伸出，繼續(xù)工作。在行進(jìn)過程中，各模塊仍將持續(xù)自檢，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)(比如水箱水位過低、攝像頭采集不到圖像、伸縮桿無法正常伸縮等)，ARM立即反饋給上位機(jī)，綠籬機(jī)急停且用戶界面出現(xiàn)錯(cuò)誤提示。

圖像高速采集是基于同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(synchronous dynamic random-access memory，SDRAM)和兩個(gè)先進(jìn)先出芯片(first input first output，F(xiàn)IFO)硬件實(shí)現(xiàn)的，其中SDRAM為FPGA的片外板載資源，F(xiàn)IFO為FPGA內(nèi)部的IP核調(diào)用所生成的資源[12]。圖像采集采用雙FIFO的乒乓算法[12]，目的是為了降低圖像顯示延遲，提高圖像切換速度。SDRAM控制器按照?qǐng)D像的幀數(shù)對(duì)指定FIFO進(jìn)行刷新和重裝載，采集到的數(shù)據(jù)一路經(jīng)過薄膜晶體管控制器直接傳送到顯示屏界面，另一路送往圖像處理單元。

圖像處理單元首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波，目的是濾除由于背景所帶來的一些不必要的噪聲，然后根據(jù)像素的R、G、B分量的差異變化提取出綠化帶對(duì)象(綠色為主的部分)，并將綠化帶整體以外的部分進(jìn)行剔除，再通過Sobel算子對(duì)剔除后的圖像進(jìn)行邊界的提取，得到當(dāng)前綠化帶的大致輪廓，最終依據(jù)邊界曲線的線性、平滑與否進(jìn)行障礙物判定。若所提取的邊界曲線為連續(xù)線性則說明無障礙物；若存在邊界的跳躍則說明存在障礙物，再根據(jù)取景的寬度和跳變點(diǎn)的關(guān)系換算出障礙物的位置，同時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，通過總線傳遞到ARM進(jìn)行后續(xù)的控制。其中，模式識(shí)別的訓(xùn)練采用的是聚類思想，先將無障礙物的綠化帶和有障礙物的綠化帶的圖像進(jìn)行特征提取與抽象，從而得到每類情況下的特征，將此特征進(jìn)行記錄并作為后續(xù)識(shí)別的判斷依據(jù)。

2.3 水路系統(tǒng)

儲(chǔ)水箱作為本車載系統(tǒng)最大的負(fù)載，綜合用水可有效減輕系統(tǒng)載荷。因此，將CO2激光器散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由內(nèi)外兩層組成：內(nèi)層是一個(gè)小型低功耗的去離子水密閉循環(huán)系統(tǒng)，接CO2激光管中間層；外層是一個(gè)開放式的水箱，用于給內(nèi)層水冷系統(tǒng)降溫。儲(chǔ)水箱里的水被水泵驅(qū)動(dòng)經(jīng)濾網(wǎng)過濾后，首先進(jìn)入激光器外水冷箱，帶走激光器工作熱量，然后噴淋在剛被激光修剪過的綠化帶處，沉降激光燒灼產(chǎn)生的煙塵，并且給植物補(bǔ)充生長(zhǎng)用水，從而實(shí)現(xiàn)“一水三用”的效果。

3 結(jié) 語

本文提出一種基于功率激光器實(shí)現(xiàn)激光修剪灌木型綠化帶的車載系統(tǒng)，并實(shí)驗(yàn)論證了該系統(tǒng)采用二氧化碳功率激光器的合理性。這種激光修剪方法可以實(shí)現(xiàn)低工作噪聲，同時(shí)能使植物傷口碳化，失去生物活性，有效防止病蟲害借修剪操作而蔓延。在樣機(jī)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能提高激光焦點(diǎn)掃描線速度的光路方案、基于FPGA圖像模式識(shí)別的自動(dòng)避障方案以及冷卻降塵澆灌綜合利用的水路方案。隨著居民對(duì)安靜無污染的綠色生活環(huán)境的需求增長(zhǎng)，這種基于激光修剪綠化帶的方法會(huì)具有越來越高的商業(yè)化開發(fā)價(jià)值。