大田播種機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

譚福生 栗連政 孫龍龍 袁國慶* 馬耀名 王雨萌 陳嘉和

（1 遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島，125105；2 機(jī)器視覺檢測安徽省重點實驗室，安徽蕪湖，241005）

0 引言

正所謂，民以食為天，農(nóng)業(yè)的重要性不言而喻。但是要想提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力還是要靠工業(yè)和自動化的力量。本文中的大田播種是指最近農(nóng)業(yè)部“小田變大田”大背景下，在農(nóng)田中進(jìn)行較大面積的農(nóng)作物種植。大田播種通常涉及將種子或幼苗按照一定間距和深度排列在農(nóng)田的地表或土壤中。這個過程可以手工完成，也可以借助機(jī)器人進(jìn)行自動化操作。我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化率最近幾年非常高，田間地頭隨處可見各種機(jī)械，耕田用拖拉機(jī)或微耕機(jī)，噴灑農(nóng)藥有的已經(jīng)用上無人機(jī)，大棚里已有檢測機(jī)器人。但是，目前農(nóng)機(jī)的發(fā)展還不夠，市面上大多數(shù)的農(nóng)機(jī)都難以完成高精度的任務(wù)，自動化的程度也算不上高。那么或許就需要一種體積更小、精度更高的播種機(jī)器人[1]來完成大型播種機(jī)完成不了的工作。本文針對東北地區(qū)的集中性大田播種作業(yè)機(jī)器人（簡稱“大田播種機(jī)器人”）進(jìn)行了開發(fā)，為了更高效地開發(fā)播種機(jī)器人，擬采用基于ROS 分布式通信框架和模塊化的設(shè)計方案。

歐美、日本等國家和地區(qū)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用要比我國早。在美國，一名農(nóng)場主往往擁有大量的農(nóng)田，農(nóng)場采用大規(guī)模運作方式，因此開發(fā)傾向偏向于農(nóng)場環(huán)境下應(yīng)用的大型輪式農(nóng)業(yè)機(jī)器人，包括種植機(jī)器人、除草機(jī)器人、收獲機(jī)器人、巡檢機(jī)器人等等?；谀壳拔覈r(nóng)業(yè)自動化、機(jī)械化發(fā)展的不足，以及我國對農(nóng)業(yè)方面能實現(xiàn)自動化生產(chǎn)要求的背景，筆者提出了一種基于ROS 的大田播種機(jī)器人，目標(biāo)是設(shè)計一款可以在北方田地中進(jìn)行播種作業(yè)的機(jī)器人，播種對象主要是花生、大豆、玉米等北方常見作物。該機(jī)器人理論上能適應(yīng)田地惡劣的環(huán)境，配置多塊電池，從而保證長時間工作。最后，筆者通過仿真確定了所設(shè)計的大田播種機(jī)器人的可行性和有效性。

大田播種機(jī)器人的設(shè)計旨在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量，減輕農(nóng)民的勞動負(fù)擔(dān)。此外，該機(jī)器人還可以通過精確的種植操作，減少種子的浪費和農(nóng)藥的使用量，對環(huán)境友好。因此，大田播種機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計對于推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 大田播種機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

機(jī)器人整體外觀如圖1 所示，整個機(jī)器人大體分為兩部分，分別是前部的自動播種合土結(jié)構(gòu)與后部的兩輪機(jī)械移動平臺結(jié)構(gòu)[2]。

圖1 播種機(jī)器人的外形

1.1 自動播種合土結(jié)構(gòu)

1.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 所示為播種機(jī)器人的自動播種結(jié)構(gòu)。從整體來看，自動播種結(jié)構(gòu)是由外殼、內(nèi)膽、鴨嘴下種夾、旋轉(zhuǎn)軸、種子箱和用于與播種機(jī)器人連接的支架組成。

圖2 播種結(jié)構(gòu)外視圖

外殼，即滾筒的外面，等距開有孔，用于出種。開孔的地方采用鴨嘴形的下種夾結(jié)構(gòu)，其形狀類似中國傳統(tǒng)的鎬。該結(jié)構(gòu)實際上是利用了仿生科學(xué)的原理，由鋁合金制成，輕便且堅固。扁圓而薄的結(jié)構(gòu)既能更好地保證合上時的封閉性，又能更好地使夾子插入土中下種。

鴨嘴下種夾的功能為破土和下種，與其相連的J 形桿上裝有彈簧，用于使鴨嘴下種夾在打開后能自動合上。外殼連接著旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸裝在連接支架上，而連接支架的另一端與播種機(jī)器人的移動平臺連接。旋轉(zhuǎn)軸上還連接著一塊連接片，上面裝有用于撥動J 形桿使鴨嘴下種夾自動打開的立柱。

內(nèi)膽結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，在旋轉(zhuǎn)軸的一側(cè)安裝了鏈輪；鏈輪斜下方安裝了毛刷和排種輪，鏈輪與毛刷輪之間由鏈條連接；排種輪與排種盤相連，排種輪上設(shè)有排種槽，排種輪斜下方安裝了接種漏斗，排種輪、毛刷輪和種箱都安置在固定結(jié)構(gòu)中。

1.1.2 工作過程

播種前，先將種子裝入種箱；啟動機(jī)器人后，機(jī)器人開始移動；在機(jī)器人前進(jìn)的過程中，滾筒向前滾動，種子經(jīng)通道落入排種槽，排種盤在與滾筒擋塊接觸的時候，也會旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使排種輪旋轉(zhuǎn)起來；與此同時，鏈輪會帶動毛刷輪旋轉(zhuǎn)，將多余的種子清理出去，最后只留下一顆種子在排種槽中。此外，排種輪與毛刷輪旋轉(zhuǎn)方向一致，可以防止因為擠夾而造成種子被壓扁，以及多顆種子擠在一個排種槽中等問題的發(fā)生。當(dāng)接種漏斗底部的出口與排種口對齊時，種子會掉進(jìn)鴨嘴中，與此同時，與鴨嘴相連的J 形桿會與固定支架連接片上的立柱接觸并被撥動，從而讓鴨嘴下種器張開，將種子吐入土中。當(dāng)?shù)诙€鴨嘴排種器鉆入泥土中進(jìn)行播種的時候，第一個鴨嘴排種器從巢窩中離開，鴨嘴J 形桿脫離立柱，并受鴨嘴排種器彈簧施加的拉力，將鴨舌封閉起來，這樣就可以達(dá)到精量播種的目的。

1.2 決策單元

1.2.1 主機(jī)

由于設(shè)計的播種機(jī)器人基于ROS 框架展開[3]，ROS并非是一種操作系統(tǒng)，它只是一種通信框架，一種基于消息傳遞通信的分布式多進(jìn)程框架。不同模塊可以被單獨設(shè)計，同時單片機(jī)又無法完成想要實現(xiàn)的任務(wù)，那么就需要一個能搭載ROS 系統(tǒng)的計算機(jī)。而將筆記本電腦塞進(jìn)一個整日工作于戶外田地的機(jī)器人中，很明顯既不能確保電腦能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，又不能降低成本。ARM 嵌入式主機(jī)是目前普遍在用的解決方案，因其在功耗和體積等方面的優(yōu)勢，本設(shè)計選用ARM 嵌入式主機(jī)。

1.2.2 整體架構(gòu)

傳感器主要利用的是一臺呈現(xiàn)兩幅圖像（一幅是普通的RGB 三通道彩色圖像，另一幅是深度圖像）的RGB-D 相機(jī)，慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU ），以及激光雷達(dá)。

其中，電機(jī)控制板主要是單片機(jī)電路?？刂七^程是：單片機(jī)stm32f103c8t6 向電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)出脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制信號，電機(jī)驅(qū)動電路輸出電流給電機(jī)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，安裝的編碼器將速度信息反饋給單片機(jī)，從而實現(xiàn)一個閉環(huán)控制。

1.3 傳感器模塊

1.3.1 RGB-D 相機(jī)

作為機(jī)器人眼睛的傳感器，一般情況下是以攝像機(jī)為主，有的設(shè)計用的是單目相機(jī)，有的用的是雙目相機(jī)，還有的用RGB-D 相機(jī)。筆者選擇了RGB-D 相機(jī)。RGB指的是紅、綠、藍(lán)三原色，由這種相機(jī)上的普通鏡頭可以生成三通道彩色圖像，而D 指的是Depth，也就是深度圖像，由一個鏡頭為紅外投影儀發(fā)射紅光，又有另一個鏡頭接受紅光，分析紅外光譜，再通過三角測距來確定每個點的深度。

1.3.2 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)使用由輪趣科技有限公司與鐳神智能系統(tǒng)有限公司聯(lián)合推出的N10 激光雷達(dá)，這款雷達(dá)采用飛行時間（TOF）測距原理。一般情況下，使用TOF 測距原理的激光雷達(dá)測量精度、測量距離等性能要比使用激光三角測距原理的雷達(dá)更優(yōu)，同時成本更高。N10 激光雷達(dá)有效降低了成本，使其擁有可觀的性價比，且性能較市面上同級別的雷達(dá)性能更優(yōu)，同時支持ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)[4]，是一款不錯的單線激光雷達(dá)。

1.4 機(jī)械移動平臺結(jié)構(gòu)

1.4.1 整體結(jié)構(gòu)方案和運動學(xué)模型

機(jī)械移動平臺是播種機(jī)器人的“腳”。該播種機(jī)器人采用經(jīng)典的兩輪模型，由兩個電機(jī)分別驅(qū)動的后輪作為動力輪來提供動力，借由電機(jī)差速來實現(xiàn)雙輪差速轉(zhuǎn)彎。為了確保機(jī)器人在大田作業(yè)的穩(wěn)定性，本文設(shè)計使用了既作覆土輪，又充當(dāng)支撐輪的前輪。

1.4.2 電機(jī)驅(qū)動

電機(jī)選用額定電壓為48V 的直流有刷電機(jī)。該電機(jī)額定功率為1000W，輸出功率大，輸出轉(zhuǎn)速為3500 轉(zhuǎn)/分鐘；電機(jī)自帶減速箱，減速箱采用承載能力大、體積相對更小的行星齒輪減速箱[5]，減速比為1:100。

1.4.3 霍爾編碼器

編碼器是為了測算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而建立運動學(xué)反饋。編碼器包括磁性編碼盤和兩個霍爾傳感器，霍爾編碼器為增量正交編碼器，編碼線數(shù)為兩個，相位差為90°。設(shè)計利用單片機(jī)的I/O 口來接收編碼器A 相和B相輸出的信號，從而得出電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

1.4.4 整體供電系統(tǒng)

為了給大田播種機(jī)器人提供工作所用的電力，本文選用駱駝蓄電池6-QWLZ-60。該電池為免維護(hù)鉛蓄電池，額定電壓12V，額定電流60A，雖然體積較大、重量較重（約16 公斤），但動力強(qiáng)。

2 大田播種機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本文播種機(jī)器人的開發(fā)是基于ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)。所謂ROS，就是一種分布式的通信框架，同時也是目前流行的通用開發(fā)框架之一。單片機(jī)的編程環(huán)境選用Keil5。

2.1 機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS

本文設(shè)計的機(jī)器人控制系統(tǒng)基于ROS，ROS 容易部署的特點使得后續(xù)的開發(fā)更為簡單高效。ROS 屬于松耦合軟件框架，可以利用分布式通信機(jī)制來實現(xiàn)節(jié)點之間的進(jìn)程通信，同時ROS 開放的開源庫，使得后期的部署和維護(hù)更為方便。

具體的部署為，首先在Windows 系統(tǒng)安裝VMware虛擬機(jī)軟件，并在虛擬機(jī)上安裝Ubuntu Linux18.04 操作系統(tǒng)，之后在Ubuntu 上安裝ROS Melodic，ROS 支持分布式通信，樹莓派3B+可以作為主節(jié)點部署到ROS 網(wǎng)絡(luò)中。

2.2 主機(jī)程序

2.2.1 圖像處理

圖像處理是利用計算機(jī)對圖像進(jìn)行計算分析的技術(shù)，包括數(shù)字圖像處理和計算機(jī)視覺兩大技術(shù)領(lǐng)域。數(shù)字圖像處理是通過濾波、壓縮、變換等算法對圖像進(jìn)行預(yù)處理[6]；而計算機(jī)視覺的目標(biāo)是利用人工智能算法從圖像中獲取信息，比如圖像識別、圖像跟蹤、圖像測量等。OpenCV 是一個實現(xiàn)數(shù)字圖像處理和計算機(jī)視覺通用算法的開源跨平臺庫，其采用C/C++語言編寫，同時支持Python、MATLAB 等接口調(diào)用。

2.2.2 OpenCV 圖像處理

由于播種機(jī)器人沒有安裝激光雷達(dá)而選擇使用RGB-D 相機(jī)kinect2.0 的深度圖像，并將其轉(zhuǎn)換成激光雷達(dá)掃描圖來進(jìn)行地圖構(gòu)建和導(dǎo)航，所以還需要進(jìn)行一些準(zhǔn)備。先是創(chuàng)建一個ROS 節(jié)點；再調(diào)用“depthimage_to_laserscan”功能包；接著，訂閱深度圖像和發(fā)布激光圖像；當(dāng)接收到深度圖像消息時，就會創(chuàng)建一個“depthimage_to_laserscan”服務(wù)請求，將深度圖像轉(zhuǎn)換為激光雷達(dá)數(shù)據(jù)，并將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)布出去。

2.3 單片機(jī)程序

2.3.1 PID 控制

通過PWM 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動速度，電機(jī)速度定為V，但是實際上播種機(jī)器人會受到各種干擾，所以使用PID 控制來進(jìn)行反饋控制[7]。PID 有位置型和增量型兩種控制算法，由于電機(jī)控制屬于速度環(huán)控制，通過編碼器進(jìn)行速度反饋，所以應(yīng)該選用增量型PID 控制算法。

2.3.2 STM32 電機(jī)控制程序

電機(jī)驅(qū)動芯片MC-FBLD-6630 里面已經(jīng)集成了電機(jī)轉(zhuǎn)向控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制這兩個在電機(jī)控制程序中最重要的程序，用單片機(jī)的I/O 口產(chǎn)生控制轉(zhuǎn)向的高低電平和控制轉(zhuǎn)速的PWM 波來進(jìn)行電機(jī)的控制[8]。

3 導(dǎo)航方案

農(nóng)業(yè)機(jī)器人采用的導(dǎo)航方法主要有三種：GPS 導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航和激光導(dǎo)航。

3.1 激光雷達(dá)和IMU 定位

本文設(shè)計使用的定位方法是先獲得全局地圖，再獲得激光雷達(dá)和慣性測量單元數(shù)據(jù)，將傳感器數(shù)據(jù)通過ROS 傳送到建立的機(jī)器人定位（robot_localization）節(jié)點，再通過ROS 機(jī)器人系統(tǒng)的“robot_localization”功能包，實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合，使用C++語言編寫ROS 機(jī)器人使用IMU 和激光雷達(dá)的定位程序。

其后調(diào)用自適應(yīng)蒙特卡洛定位（Adaptive Monte Carlo Localization，AMCL）模塊，實現(xiàn)機(jī)器人的定位和導(dǎo)航功能[9]。該功能包可使用激光雷達(dá)和慣性測量元件獲取周圍環(huán)境信息，通過蒙特卡洛定位算法對機(jī)器人的位置進(jìn)行估計，并提供導(dǎo)航和路徑規(guī)劃所需的定位信息[10]。AMCL功能包可以在ROS 的導(dǎo)航堆棧中使用，是ROS 中常用的機(jī)器人定位和導(dǎo)航方案之一。

3.2 激光雷達(dá)和深度相機(jī)構(gòu)建地圖

播種機(jī)器人通過Kinect2.0 深度相機(jī)和激光雷達(dá)采集外部環(huán)境，以此來完成機(jī)器人的定位與建圖。之所以選擇這種方法主要是因其穩(wěn)定性高且能適應(yīng)復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境。柵格地圖分為二維柵格地圖和三維柵格地圖，機(jī)器人主要通過激光雷達(dá)圖得出的二維柵格地圖進(jìn)行導(dǎo)航，借助kinect2.0 得出的三維柵格地圖進(jìn)行避障。

將深度相機(jī)得到的深度圖轉(zhuǎn)成激光圖之后，還需要構(gòu)建環(huán)境地圖，以對環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行描述，為機(jī)器人定位做好準(zhǔn)備。環(huán)境地圖有多種，比如特征地圖、點云地圖、幾何地圖、柵格地圖、拓?fù)涞貓D[11]等。

3.2.1 二維激光圖建立二維柵格地圖

使用單線激光雷達(dá)掃描得到的二維激光圖建立二維柵格地圖，將二維連續(xù)空間用柵格進(jìn)行離散劃分。機(jī)器人采用二維占據(jù)柵格地圖，對劃分出來的每個柵格就用一個占據(jù)概率值進(jìn)行量化。使得概率為1 的柵格被標(biāo)記為占據(jù)狀態(tài)，概率為0 的柵格被標(biāo)記為非占據(jù)狀態(tài)，概率在0 到1 之間的柵格被標(biāo)記為未知狀態(tài)。在導(dǎo)航過程中，要避開占據(jù)狀態(tài)的柵格，在非占據(jù)狀態(tài)的柵格中通行[12]。它通過傳感器來探明未知狀態(tài)的柵格的狀態(tài)。

3.2.2 景深圖建立三維柵格地圖

Kinect2.0 得出的景深圖在轉(zhuǎn)成了激光圖之后，用于建立三維柵格地圖。之所以不直接用激光雷達(dá)避障是由于二維柵格地圖無法描述立體障礙物的詳細(xì)狀態(tài)，因此其對環(huán)境的描述并不完備。按照二維柵格地圖同樣的思路，將三維空間用立體柵格進(jìn)行離散劃分，以此得到三維柵格地圖。對劃分出來的每個立體柵格用一個占據(jù)概率值進(jìn)行量化，相比于二維柵格，三維柵格的數(shù)量更大。為了提高三維柵格地圖數(shù)據(jù)處理效率，播種機(jī)器人的算法采用八叉樹對三維柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼存儲，這樣就得到了八叉樹地圖。實際上，將一個立體空間劃分成8 個大的立體柵格，然后對每個柵格繼續(xù)進(jìn)行同樣的劃分，這樣就形成了一個八叉樹結(jié)構(gòu)。利用八叉樹，更易于得到不同分辨率的地圖表示。

3.3 全覆蓋作業(yè)規(guī)劃

在柵格地圖中，全覆蓋作業(yè)路徑規(guī)劃問題即演變?yōu)闄C(jī)器人從初始位置到最后的目標(biāo)位置，自主規(guī)劃出一條切實可行的無碰撞且效率較高的路徑[12]。

本研究擬采用農(nóng)業(yè)播種機(jī)器人的全覆蓋作業(yè)[13]方法，該方法在減少路徑重復(fù)率、提高覆蓋率方面具有優(yōu)勢。

4 機(jī)器人的仿真分析

4.1 基于MATLAB 的PID 仿真和控制參數(shù)整定

增量型PID 整定順序如下：

6）根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整PID 參數(shù)以滿足控制系統(tǒng)的要求。

4.2 基于MATLAB 的機(jī)器人運動姿態(tài)仿真

根據(jù)農(nóng)田中農(nóng)作物的生長特性，農(nóng)作物都是按照固定的行距和株距進(jìn)行種植的，根據(jù)這一特性，對農(nóng)業(yè)輪式移動機(jī)器人在農(nóng)作物的行間進(jìn)行直線行走或換行時進(jìn)行曲線路徑仿真。

圖3 是通過MATLAB 軟件的Simulink 仿真工具搭建的基于ROS 的雙輪差速控制系統(tǒng)機(jī)器人的簡易模型，旨在對機(jī)器人以任意姿態(tài)到達(dá)目標(biāo)點進(jìn)行仿真。該模型由多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)又由各種信號和函數(shù)組成。圖3 中X、Y 分別是是機(jī)器人X、Y 軸坐標(biāo)。

圖3 大田播種機(jī)器人運動控制系統(tǒng)

圖4 是PID 控制子系統(tǒng)，內(nèi)有兩個PID 控制器，分別通過機(jī)器人到目標(biāo)距離來計算線速度，通過機(jī)器人姿態(tài)與目標(biāo)的偏角差來計算角速度。對應(yīng)ROS 中涉及運動的各種應(yīng)用。圖4 中l(wèi)in_vel 是機(jī)器人線速度，ang_vel 是機(jī)器人角速度。

圖4 PID 控制子系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)是用于模擬控制雙輪差速機(jī)器人的過程，控制量是左、右輪的轉(zhuǎn)速。圖5 是基礎(chǔ)控制器子系統(tǒng)，將機(jī)器人線速度V和角速度解算為機(jī)器人左、右輪速度，解算依據(jù)約束方程進(jìn)行。該子系統(tǒng)對應(yīng)ROS 中的基礎(chǔ)控制器。

圖5 基礎(chǔ)控制器子系統(tǒng)

最后通過運動學(xué)模型子系統(tǒng)得出機(jī)器人的位姿。該子系統(tǒng)模擬機(jī)器人下位機(jī)即單片機(jī)控制機(jī)器人底盤移動的過程。

5 結(jié)束語

本設(shè)計基于目前我國農(nóng)業(yè)自動化、機(jī)械化的不斷推行，以及我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自動化需求的不斷提升，開發(fā)一款可以用于田地播種的自動播種機(jī)器人，以此來代替人工。該機(jī)器人理論上能適應(yīng)田地惡劣的環(huán)境，最后又通過仿真確定了其可行性和有效性。