農(nóng)田環(huán)境信息采集機器人設(shè)計與試驗

蘇 燕,梁 武

(北海職業(yè)學院 電子信息工程系,廣西 北海 536000)

0 引言

信息化和數(shù)字化應用在農(nóng)業(yè)的多個方面(如農(nóng)藝、生產(chǎn)監(jiān)控和信息采集等),且信息采集是新型技術(shù)在農(nóng)業(yè)中應用效果最明顯的領(lǐng)域。信息采集收集農(nóng)作物的生長狀況和環(huán)境特征,為農(nóng)藝操作提供依據(jù)。我國的單個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域面積小,分布零散,增加了信息采集的成本和難度[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集主要依靠人工觀察和記載,或者利用便攜式儀器測量記錄。李金雷等設(shè)計了一種手持的信息采集設(shè)備,可以測量溫室內(nèi)的溫濕度,但缺乏數(shù)據(jù)處理的能力,存儲空間也有限[2]。由于受到各種因素的制約,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集只能獲得單一或少數(shù)的特征數(shù)據(jù),且缺乏連續(xù)性,參考價值很小。因此,農(nóng)業(yè)信息采集技術(shù)的革新是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容,對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的信息化和數(shù)字化具有重要意義。

新時期農(nóng)業(yè)信息采集使用最多的是無線傳感網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)。無線傳感網(wǎng)絡是一種將布置在環(huán)境中的各種傳感器通過無線通信連接起來形成整體網(wǎng)絡的技術(shù),具有成本低、能耗少和可靠性強的優(yōu)點[3]。陳桂鵬等利用智能手機在我國大量普及的優(yōu)勢,設(shè)計了一種基于Android操作平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系統(tǒng),具有多種功能和很強的擴展性[4]。數(shù)據(jù)的采集只是手段,真正的目的在于通過對數(shù)據(jù)的分析獲得有用的作物和環(huán)境信息,因此對采集的數(shù)據(jù)進行深入分析和模擬仿真是發(fā)揮數(shù)據(jù)價值的關(guān)鍵[5]。王嘉鵬設(shè)計了一套農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng),利用云計算方法處理農(nóng)作物生長過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),分析得到了作物生長的最佳環(huán)境條件[6]。與無線傳感網(wǎng)絡相比,物聯(lián)網(wǎng)的算法魯棒性較低、數(shù)據(jù)冗余嚴重,但可以通過算法優(yōu)化加以解決[7]。

基于無線傳感網(wǎng)絡和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)是固定安裝的,只能采集特定區(qū)域內(nèi)的信息。若要對廣闊的生產(chǎn)環(huán)境進行監(jiān)控,則需增加信息采集設(shè)備的數(shù)量,從而必然帶來成本的上升。移動式信息采集機器人具有良好的機動性,可以覆蓋更大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域,有利于解決上述問題。推進電機作為移動機器人的動力核心,其性能對機器人移動的機動性和穩(wěn)定性有著直接的影響。因此,早期的研究集中在對機器人的行走控制上,使機器人獲得了較高的可靠性[8-9]。隨后,人們又對機器人的信息采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸硬件進行完善,構(gòu)建了完整的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)[10-11]。褚凌慧采用蟻群算法來規(guī)劃行走路徑,使機器人的軟件得到了升級,從而擁有更強的路徑選擇能力[12]。

近年來,無人機技術(shù)迅猛發(fā)展并被引入到機器人上,賦予了機器人在田間越障的能力,可以從空中采集農(nóng)業(yè)信息。王玉山等設(shè)計了一種地空兩用機器人,包括飛行控制系統(tǒng)、地面行走系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng),擴展了農(nóng)業(yè)信息采集的范圍[13]。王偉等和李超藝也開展了相關(guān)的研究,對地空兩用機器人的行走機構(gòu)和控制模塊進行優(yōu)化,增強了其對環(huán)境的適應能力[14-16]。

目前的農(nóng)業(yè)信息采集機器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)中表現(xiàn)良好,但在農(nóng)田環(huán)境中的適用性還沒有得到驗證。農(nóng)田環(huán)境中因素復雜,條件惡劣,對機器人的適應性提出了更高的要求。為此,設(shè)計了一種適應農(nóng)田環(huán)境的信息采集機器人,對行走控制、路徑識別和信息采集功能進行了針對性的設(shè)計,并在自然條件下進行試驗驗證,旨在為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息智能化采集提供技術(shù)支撐。

1 總體設(shè)計

農(nóng)田環(huán)境信息采集機器人以鋁合金框架的車體為平臺,整體質(zhì)量25kg,尺寸為0.8m×0.3m×0.5m。車身具有多層結(jié)構(gòu),上層安裝電源、攝像頭和射頻接收/發(fā)射裝置,下層安裝各型傳感器、動力裝置和行走裝置。車體的穩(wěn)定行好,布局合理,維護也很方便。

機器人在遙控模式下工作,具有自主行走和采集信息的能力?？刂迫藛T在遠程通過射頻裝置發(fā)送任務信息,并設(shè)定相關(guān)的參數(shù),啟動機器人開始作業(yè)。機器人自主行走和采集農(nóng)田環(huán)境信息,并實時發(fā)送回控制終端,接受控制人員的監(jiān)控。在自主作業(yè)模式下,機器人具有行走控制、路徑識別和信息采集的功能,可以完成對農(nóng)田環(huán)境信息的采集。

2 行走控制

農(nóng)業(yè)機器人的行走裝置有履帶式、腿式和輪式3種,其中的輪式裝置結(jié)構(gòu)簡單,應用最廣。本設(shè)計根據(jù)農(nóng)田的特殊環(huán)境,結(jié)合輪式機器人穩(wěn)定性好、移動迅速和容易控制方向的優(yōu)點,采用4輪的行走裝置。機器人以蓄電池為電源,采用直流電機提供動力。直流電機的啟動性能良好,可以通過電子技術(shù)準確控制轉(zhuǎn)速,適合驅(qū)動機器人的輪式行走裝置。驅(qū)動裝置按照集中控制—分布驅(qū)動的方式布置,在4個車輪上各安裝一部電機,電機的轉(zhuǎn)速由車載單片機控制,使各個車輪都能單獨轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)向。

3 路徑識別

機器人的路徑識別功能依賴于安裝在上方的攝像機和機器視覺分析模塊。攝像機為HD720型高清CCD攝像頭,安裝高度1.2m,采用防抖動設(shè)計。攝像頭光軸與豎直方向的夾角為60°,俯視拍攝形成800萬像素的JPEG圖像,由圖像采集卡轉(zhuǎn)換后供主控模塊進行機器視覺分析。

主控模塊為惠普286型計算機,配置包括Intel i3處理器和4G內(nèi)存,速度和性能可以滿足視覺分析的要求。計算機安裝Windows10操作系統(tǒng)和MatLab7.0工具箱,用于對圖像的分析。機器人在行走過程中拍攝的圖像含有各種噪音,采用5×5中值濾波的預處理去除。以水稻田為例,預處理后的圖像由水稻植株和水面組成,水稻植株為灰色,水面為白色,如圖1(a)所示。根據(jù)水稻田光照強度的特點,采用HIS色彩空間的I分量對圖像做灰度化處理,以此增強黑白效果和不同物體的顏色差異,如圖1(b)所示。機器人以水稻田中的空白水面作為行走路徑,其與水稻植株的顏色有明顯的差別,因此選用顏色特征進行路徑識別。對I分量做最大類間方差分析,經(jīng)過二值化后得到不同目標的顏色特征閾值,采用閾值分割方法來識別背景和路徑。閾值分割所得的圖像中黑色部分為背景,白色部分為識別目標,如圖1(c)所示。最后,以Canny算子檢測路徑邊緣,提取同一水平線上的兩個邊緣點的中心位置,連接成的一條曲線即機器人的行駛路線,如圖1(d)所示。

圖1 圖像的機器視覺分析Fig.1 Computer vision analysis of image

4 信息采集

機器人的信息采集模塊以美國微芯科技公司的PIC18F87型單片機為核心,穩(wěn)定性好,功率消耗低。單片機的最高速度達到64MHz,具有24個串口的12位A/D轉(zhuǎn)換器及2個尋址USART模塊,能夠滿足信息采集的要求。單片機通過串口與傳感器連接,對采集的數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)換和發(fā)送。農(nóng)田環(huán)境主要由空氣、土壤和作物組成,因此信息的采集也針對這3個部分。采集的空氣信息為空氣溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度;土壤信息為土壤濕度及作物信息為作物長勢。信息采集模塊的組成如圖2所示。

圖2 信息采集模塊的組成部分Fig.2 Components of information acquisition module

空氣溫濕度傳感器采用建大仁科的RS-YS-GPRS型記錄儀,結(jié)構(gòu)緊湊,體積較小,可以方便快捷地通過串口與單片機連接和數(shù)據(jù)傳輸。二氧化碳濃度由煒盛科技的MH-Z14型傳感器測量,采用模擬電壓輸出,靈敏度和分辨率高,抗干擾性強。光照度傳感器為精訊暢通的JXBS-3001-GZ型,體積較小、測量精度高,通過RS485的模擬電壓輸出。土壤濕度傳感器采用建大仁科的RS-WS-N01型,具有16位高精度處理器,測量精度比傳統(tǒng)方法提高了3～5倍。傳感器的感應部件為不銹鋼針,由機械臂將鋼針插入土壤中檢測濕度,然后通過RS485的模擬電壓輸出。作物長勢信息的采集設(shè)備與路徑識別所用的機器視覺設(shè)備相同,CCD攝像頭的安裝高度為1.5m,全方位轉(zhuǎn)動拍攝。以油菜為例,經(jīng)過預處理和灰度化后,仍然通過顏色特征參數(shù)識別油菜植株,如圖3(a)、(b)所示。閾值分割所得的圖像中黑色部分為識別目標,白色部分為背景,依據(jù)圖像中的植被覆蓋率來反映油菜的長勢,如圖3(c)所示。

5 試驗結(jié)果與分析

在本單位的油菜田中驗證信息采集機器人的各種功能,設(shè)定任務參數(shù)后機器人自主行走并進行信息采集作業(yè)。在機器人的行走路線上選取5個采樣點,讀取機器人采集的空氣溫度、CO2濃度和土壤濕度的數(shù)據(jù);然后,利用便攜式儀器進行人工測量,比較兩種方法所得數(shù)據(jù)之間的差異。

試驗結(jié)果表明:作業(yè)過程中,機器人行走平穩(wěn),狀態(tài)穩(wěn)定,沒有受到地勢起伏的影響;機器人能夠識別田間的空行和油菜植株,通過規(guī)劃行走路徑成功避開障礙物,從而完成了信息采集作業(yè)。機器人采集的信息數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)之間的差異很小,符合農(nóng)田環(huán)境的實際情況,如表1所示。

6 結(jié)論

為了在農(nóng)田惡劣的環(huán)境中采集信息數(shù)據(jù),設(shè)計了一種以鋁合金框架車體為平臺、采用4輪行走裝置的機器人,具有行走控制、路徑識別和信息采集的功能。在自然條件下進行農(nóng)田環(huán)境信息采集試驗,結(jié)果表明:機器人行走平穩(wěn),能夠識別田間的空行和作物,通過規(guī)劃行走路徑避開障礙物。機器人采集的信息數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)之間差異很小,符合農(nóng)田環(huán)境的實際情況。