孫春陽++郭清乾++孫海峰++王宇皓

摘 要：針對我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械自動化程度過低、農(nóng)村勞動力人口銳減的現(xiàn)狀，設(shè)計了觸須仿形檢測的高桿作物智能對行自行走作業(yè)平臺。該平臺由觸須傳感裝置、信號采集模塊、中央IAP單片機等組成，能滿足自行走、自對行、低功耗的技術(shù)要求，且體積小、重量輕、功能強大，將對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞：觸須仿形；自行走；作業(yè)平臺

1 作品簡介

針對我國目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械自動化程度過低、農(nóng)村勞動力人口銳減的現(xiàn)狀，以及高桿作物田間作業(yè)小型化的需求，我們研制了基于觸須仿形檢測的新型智能田間自行走作業(yè)平臺。通過觸須感應(yīng)作物方位，進而自動調(diào)節(jié)平臺的轉(zhuǎn)向及行進，使其能夠在高稈作物間作業(yè)而不致碰傷作物。這款新型的節(jié)省人力的高效智能田間作業(yè)平臺滿足了自行走、自對行、低功耗的技術(shù)要求，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重大意義。觸須仿形檢測的高桿作物智能對行自行走作業(yè)平臺模型如圖1所示。

圖1觸須仿形檢測的高桿作物智能對行自行走作業(yè)平臺模型

整個作品的實現(xiàn)分兩大部分：

（1）觸須仿形檢測模塊由兩個相同的彎曲傳感器交叉位于小車前段，傳感器觸碰小車前方及側(cè)前方作物并將信號經(jīng)24位高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片傳遞給IAP單片機控制中心，快速調(diào)整小車行進速度和轉(zhuǎn)向。

（2）利用光柵對車速進行實時跟蹤監(jiān)測，通過反饋調(diào)節(jié)電機的PWM脈寬比來緩沖因地面不平整而影響車速的外界因素造成的影響，保證小車在各種環(huán)境下能夠正常行進和作業(yè)。我國的農(nóng)業(yè)耕作一般都是拖拉機下地工作、人力操控，并忍受殘酷的環(huán)境（灰塵、毒辣的陽光、有害的農(nóng)藥和化學(xué)物質(zhì)等），費時，費力，費資源，我們發(fā)明的這款自行走高桿作物作業(yè)平臺能改善這種現(xiàn)狀。智能田間作業(yè)平臺實現(xiàn)了無人操控下的高精度、自對行、自行走目標，同時重量小，可避免壓緊土壤，影響農(nóng)作物根部生長。

2 設(shè)計方案

基于觸須檢測的智能對行自行走平臺包括觸須傳感裝置和信號采集部分、中央IAP單片機控制模塊、舵機轉(zhuǎn)向機構(gòu)、電機控制模塊、光柵反饋模塊以及電源模塊。觸須傳感裝置由左右兩個帶有鋼絲的彎曲傳感器并聯(lián)組成，可根據(jù)不同作物選用不同硬度的柔性鋼絲用于排開非障礙物，觸須傳感器裝置的信號傳送到采集模塊，進而輸出到單片機。

操作中，彎曲傳感器通過鋼絲帶動彎曲排開非障礙物，減小誤差，進而對障礙物與作業(yè)平臺的距離方位進行記錄檢測，轉(zhuǎn)化為彎曲傳感器的阻值信號，通電后轉(zhuǎn)化為連續(xù)的模擬電信號，再利用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片傳遞給單片機數(shù)字信號，進一步操控舵機轉(zhuǎn)向機構(gòu)和電機驅(qū)動模塊，然后再次通過光柵的負反饋調(diào)節(jié)誤差。平臺設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 平臺設(shè)計方案

首先建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫及關(guān)系模型，即通過對常見高桿農(nóng)作物的葉子、枝條和幾種常用鋼絲的硬件分析數(shù)據(jù)庫，利用觸須傳感裝置對平臺與作物的方位進行分析，通過定量分析的方法建立小車和作物在不同距離和方位下，小車的轉(zhuǎn)角和速度對應(yīng)關(guān)系模型。然后在實踐應(yīng)用中將實際檢測到的方位信息進行分析，利用單片機與事先設(shè)定的關(guān)系模型進行比較，按照使用者需要的速度和走向進行調(diào)節(jié)和負反饋處理，極大地節(jié)省了人力和體力，實現(xiàn)高精度無損作物自行走控制。

3 工作原理

3.1 硬件工作原理

這款基于觸須仿形彎曲的快速精確裝置的特征在于：在作業(yè)車前端裝有交叉朝向的帶有適宜硬度金屬絲的具有嚴格數(shù)據(jù)控制的彎曲傳感器，構(gòu)成了作品的觸須仿形檢測裝置；信號采集模塊由高精度的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成；中央IAP單片機連接的1602芯片用來監(jiān)測和觀察作物方位以及小車速度。小車作業(yè)時，前端的鋼絲觸碰感應(yīng)作物方位并帶動彎曲傳感器運動，觸須仿形監(jiān)測裝置的信號輸出端將此信息經(jīng)4位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后交由單片機處理，然后快速精確地調(diào)整舵機轉(zhuǎn)向和電機驅(qū)動。光柵實時監(jiān)測車速，通過反饋調(diào)節(jié)電機動作的PWM脈寬比，以緩沖外界因素對小車速度的影響。

3.2 軟件工作原理

應(yīng)用于田間自走機械的自動對行裝置的控制分為以下幾步：

（1）對不同作物的葉子、枝條以及常見幾種柔性材料進行硬度分析，建立硬度數(shù)據(jù)庫。

（2）用合適硬度的柔性觸須排開莖稈，通過柔性彎曲傳感器阻值的變化對作物與車的距離和方位進行精準快速分析，并將彎曲傳感器阻值的變化信息轉(zhuǎn)換為高精度的數(shù)字信號，并將此信號送入單片機進行誤差分析。

（3）對前輪所能實現(xiàn)的最大轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)角問題進行分析，通過實際調(diào)試選擇車與作物在不同距離和方位下合適的轉(zhuǎn)角對應(yīng)關(guān)系，得出阻值與轉(zhuǎn)角關(guān)系表。

（4） 對幾種最適宜田間耕作的作業(yè)速度進行分析，通過實際調(diào)試選擇車與作物在不同距離和方位下合適的速度，得出阻值與速度關(guān)系圖。

（5） 排除單片機的誤差因素，如排除因長期不使用造成的傳感器不靈敏問題；排除兩個傳感器感應(yīng)相同時阻值不完全相同的問題；利用正態(tài)分布法設(shè)定合適的數(shù)值區(qū)間。

（6）根據(jù)單片機的誤差排除結(jié)果，通過定量分析法建立不同距離和方位下彎曲傳感器阻值信號與車轉(zhuǎn)舵角度和速度調(diào)控的關(guān)系模型，按照距離越近，彎曲程度越大，轉(zhuǎn)角越大，速度越慢的邏輯關(guān)系，設(shè)立不同情況下的標準速度。

（7）按照步驟（4）所述的關(guān)系模型，對舵機和電機進行實時控制。

（8）用光柵對小車行進的速度進行監(jiān)控，將相應(yīng)的結(jié)果反饋給單片機。

如果此時的速度與步驟（4）中設(shè)定的標準速度有偏差（因田間土地不平或泥濘，車輪上纏繞葉子、枝條、泥土等雜物等），可通過反饋對電機進行調(diào)節(jié)以盡量滿足標準速度。

4 創(chuàng)新點

（1）觸須仿形檢測是我們的靈感之一，仿照田間蟲子的觸須，我們選擇了柔性鋼絲帶動彎曲傳感器工作，在不損壞作物的前提下能準確檢測到作物的方位信息，進而通過一系列控制模塊實現(xiàn)根據(jù)作物與小車的距離和方位調(diào)節(jié)小車轉(zhuǎn)向和速度，利用光柵反饋來緩沖地面不平、坡度等因素對小車行進速度產(chǎn)生的影響，以保證小車的正常行進。

（2）利用單片機的多維外設(shè)，可以集施肥、撒藥、除草、摘心、收割、播種等功能于一體。

（3）自動化作業(yè)，可以大幅度減少人力資源，避免農(nóng)藥等對人體的危害。

（4）體積小，適于對作物進行維護。

（5）重量輕，避免在作業(yè)時壓緊土壤。

5 市場前景

本作品實現(xiàn)了自動化及智能化，只需要將機器人放在苗壟上，按下啟動開關(guān)，機器人便會沿高桿作物之間的空地行走，自動規(guī)避作物，合理控制轉(zhuǎn)向角度。運用數(shù)學(xué)建模方法對轉(zhuǎn)向機構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化，提高了機構(gòu)的工作性能與效率。

該機器人具有廣闊的應(yīng)用價值，適用于高桿作物，如高粱，甘蔗等。能在無人管理的條件下，對大面積苗田進行精細看管，機器人以平均0.5 m/s速度作業(yè)時每天能對約1公頃的作物進行管理，大大減少人力、物力消耗，極具商業(yè)開發(fā)以及生產(chǎn)價值。

與現(xiàn)有技術(shù)對比，我們的自行走平臺更加具有節(jié)能減排的實質(zhì)性效果。國外很早就有田間自走農(nóng)業(yè)機器，但是其巨大的體積顯然不適合對作物進行維護，只適用于種和收，適用面過于狹窄。

本文所設(shè)計作品成本低，功能強大，使用方法簡單，若能批量生產(chǎn)投放相應(yīng)市場，在未來幾年乃至幾十年內(nèi)必能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。endprint