李思睿，梁家涵，史穎剛，劉 利

（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西咸陽 712100）

0 引言

農(nóng)業(yè)用水一直占我國總用水量的60%以上，灌溉水利用系數(shù)僅為0.53，用水效率低，但節(jié)水灌溉可節(jié)水80%以上。因此機(jī)器人競賽開設(shè)節(jié)水灌溉機(jī)器人子項(xiàng)目，以學(xué)科競賽為背景，模擬農(nóng)業(yè)地形和施水目標(biāo)，使學(xué)生獨(dú)立完成作品設(shè)計(jì)，對比賽項(xiàng)目進(jìn)行解決和拓展研究，提升學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)[1]。

節(jié)水灌溉機(jī)器人通常由機(jī)器人進(jìn)行單一作業(yè)。為了保證灌溉效率，要求機(jī)器人按實(shí)際干旱程度變量施水。本文設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉機(jī)器人采用無人機(jī)和機(jī)器人空地協(xié)同作業(yè)，使機(jī)械、電氣和控制相結(jié)合，通過獲取模擬干旱信息、灌溉對象位置和本體姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)顏色識(shí)別傳輸、自主導(dǎo)航、目標(biāo)識(shí)別、變量施水和自主調(diào)平，在按照所需施水量進(jìn)行灌溉的同時(shí)，減少復(fù)雜環(huán)境對作業(yè)效果的影響，提高水利用率。最后，針對所設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行實(shí)地調(diào)試和參賽，驗(yàn)證了其有效性。

1 節(jié)水灌溉機(jī)器人競賽

節(jié)水灌溉機(jī)器人競賽是中國機(jī)器人大賽農(nóng)業(yè)機(jī)器人賽項(xiàng)的子項(xiàng)目，競賽場地如圖1 所示，比賽時(shí)，無人機(jī)從起點(diǎn)區(qū)自主起飛，在信息采集區(qū)域收集A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D區(qū)的干旱信息，經(jīng)過信號(hào)處理后，分別將A 區(qū)的旱情信息和B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)的旱情信息，發(fā)送給A 區(qū)的滲灌控制系統(tǒng)和停在起始區(qū)的灌溉機(jī)器人，然后在降落點(diǎn)完成自主降落。A 區(qū)的滲灌控制系統(tǒng)接收到無人機(jī)發(fā)送的旱情信息后，根據(jù)不同旱情的需水量，控制滲灌系統(tǒng)完成灌溉。灌溉機(jī)器人從起始區(qū)出發(fā)，依次通過B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)，對不同地形和植物進(jìn)行變量施水，完成作業(yè)任務(wù)后機(jī)器人返回終點(diǎn)區(qū)。

無人機(jī)信息采集區(qū)有用于無人機(jī)導(dǎo)航的白線，4個(gè)旱情模擬圖，分別模擬施水區(qū)A 區(qū)、B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)的干旱情況，旱情信息使用不同顏色的矩形區(qū)域模擬，每個(gè)矩形區(qū)域平均分為6個(gè)部分，每個(gè)部分從紅色（R：255,G：0,B：0）、綠色（R：0,G：255,B：0）、藍(lán)色 （R：0,G：0,B：255） 中隨機(jī)抽取，并由志愿者現(xiàn)場隨機(jī)擺放。其中，紅色表示嚴(yán)重干旱，施水量最多，數(shù)字代號(hào)3；綠色代表一般干旱，施水量中等，數(shù)字代號(hào)2；藍(lán)色代表輕微干旱，施水量最少，數(shù)字代號(hào)1。

A 區(qū)為自動(dòng)滲灌區(qū)，采用LED 指示燈點(diǎn)亮的數(shù)量代表施水量；B區(qū)為矮株作物灌溉區(qū)，模擬灌木作物的施水；C區(qū)為大田連續(xù)灌溉區(qū)，此區(qū)域設(shè)有坡道，植株為高桿作物；D 區(qū)為隨機(jī)樹苗灌溉區(qū)，噴靶位置和方向隨機(jī)擺放。機(jī)器人需要能識(shí)別起跑線、停止線和賽道導(dǎo)引線，在沒有導(dǎo)引線的部分路段，能自主完成任務(wù)。

圖1 競賽場地

機(jī)器人比賽流程如圖2所示，無人機(jī)主控制器驅(qū)動(dòng)4個(gè)空心杯無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使無人機(jī)起飛后按規(guī)劃路徑飛行；調(diào)用OpenMV 視覺模塊識(shí)別信息采集區(qū)域的色塊，處理后獲得各區(qū)域旱情信息；ATK-LORA 以字符串形式將旱情信息，傳送至A 區(qū)滲灌系統(tǒng)控制器和灌溉機(jī)器人的主控制器，隨后無人機(jī)自主返航。

圖2 機(jī)器人比賽流程

圖3 圖像識(shí)別結(jié)果

2 旱情信息識(shí)別

OpenMV3 攝像頭模組搭載于無人機(jī)上，在OpenMV IDE的編程環(huán)境中，采用Python 語言編寫基于OpenMV 視覺庫的圖像處理算法，其選用LAB 顏色模型，識(shí)別代表旱區(qū)信息的色塊顏色[2-3]，圖像識(shí)別結(jié)果如圖3 所示。經(jīng)圖像處理后，區(qū)域顏色信息轉(zhuǎn)化為旱情信息，并由串口[4]將數(shù)據(jù)傳輸給A區(qū)滲灌系統(tǒng)控制器和灌溉機(jī)器人的主控制器。

攝像頭模組進(jìn)行視覺識(shí)別的流程，如圖4 所示。無人機(jī)飛行過程中，OpenMV3 攝像頭模組動(dòng)態(tài)捕捉代表旱情區(qū)域的色塊顏色，然后濾掉圖像信息的背景顏色，將色塊均分處理成12 個(gè)矩形小塊后，獲取圖像信息，判斷各個(gè)局部色塊的閾值，返回字符串代碼，建立色塊信息儲(chǔ)存數(shù)組，得到旱情圖樣。無人機(jī)主控制器驅(qū)動(dòng)OpenMV3 攝像頭模組連續(xù)重復(fù)識(shí)別3 次旱情區(qū)域的色塊顏色，若3 次數(shù)據(jù)均相同，則將字符串打包，通過ATK-LORA 模塊分別將灌溉信息發(fā)送給A 區(qū)滲灌控制系統(tǒng)的LORA 模塊和灌溉機(jī)器人的LORA 模塊。滲灌系統(tǒng)和灌溉機(jī)器人根據(jù)不同的旱情信息，執(zhí)行相應(yīng)的灌溉動(dòng)作。無人機(jī)、滲灌控制系統(tǒng)和灌溉機(jī)器人的LORA 模塊采用一般模式透明傳輸，使用點(diǎn)對多通信，地址、信道、無線速率等參數(shù)的設(shè)置相同。

圖4 無人機(jī)視覺識(shí)別流程

3 滲灌區(qū)自動(dòng)施水系統(tǒng)

A 區(qū)的滲灌區(qū)自動(dòng)施水系統(tǒng)架構(gòu)，如圖5 所示，包括ATK-LORA 模塊、STM32 處理器、6 組LED 燈組，每組LED燈組包括3 個(gè)供電電壓3.7～5 V 的LED 燈珠。采用共陰極接法，將每個(gè)燈珠的負(fù)極端接到STM32的GND端，正極依次連接到STM32處理器的IO口上，STM32處理器通過控制IO口輸出高電平，點(diǎn)亮相應(yīng)LED燈。

圖5 滲灌區(qū)自動(dòng)施水系統(tǒng)架構(gòu)

無人機(jī)與A 區(qū)自動(dòng)滲灌系統(tǒng)的通信字符以“A”為起始符，“B”為結(jié)束符，中間6 位數(shù)字采用16 進(jìn)制，代表不同的干旱程度，AB均為字符型：1代表藍(lán)色，輕微干旱；2代表綠色，一般干旱；3 代表紅色，嚴(yán)重干旱。例如：“A”0x1 0x1 0x2 0x3 0x30x3“B”，代表識(shí)別A區(qū)干旱信息依次為：輕微干旱、輕微干旱、一般干旱、嚴(yán)重干旱、嚴(yán)重干旱、嚴(yán)重干旱。

STM32 處理器中，事先預(yù)制好一個(gè)數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素都是兩位數(shù)，其中，十位數(shù)上的數(shù)字表示第幾組花盆，個(gè)位數(shù)上的數(shù)字表示干旱程度，即需要點(diǎn)亮燈的個(gè)數(shù)，例如“12”表示第一組花盆，一般干旱。

ATK-LORA 模塊接收無人機(jī)發(fā)送的旱情信息數(shù)據(jù)包，STM32 處理器以逐位接收方式將數(shù)據(jù)包儲(chǔ)存到串口數(shù)據(jù)緩存區(qū)，選用Strcmp 函數(shù)，將數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)與預(yù)制數(shù)組中的元素逐個(gè)對比，即可獲得A 區(qū)旱情對應(yīng)施水量的字符串，STM32 處理器發(fā)送字符串命令，控制6 組LED 的亮滅，模擬滲灌系統(tǒng)的有效灌溉。

4 灌溉機(jī)器人

根據(jù)競賽要求，設(shè)計(jì)灌溉機(jī)器人如圖6 所示。底盤由鋁合金板材制成，實(shí)心橡膠輪進(jìn)行前輪驅(qū)動(dòng)，后接萬向輪作為從動(dòng)輪[5]。執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定安裝在底盤上，為提高機(jī)器人在比賽施水過程中的靈活性，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用平面連桿機(jī)構(gòu)。

圖6 灌溉機(jī)器人實(shí)物

控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖7 所示，主控制器STM32 處理器接收到無人機(jī)發(fā)送的旱情信息后，先處理旱情信息，獲得B區(qū)、C區(qū)、D 區(qū)的施水量，然后控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)預(yù)先規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向的組合運(yùn)動(dòng)。

圖7 總體控制系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)器人采用2 個(gè)光電開關(guān)檢測前方障礙物，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，光電開關(guān)返回低電平信號(hào)，主控制判斷到達(dá)灌溉點(diǎn)。在循跡線區(qū)域，8 路循跡傳感器返回高低電平給主控制器，引導(dǎo)機(jī)器人巡線前進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人行駛至C 區(qū)的坡道時(shí)，陀螺儀反饋車體的傾斜角度信息，主控制器驅(qū)動(dòng)絲杠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)始終保持在水平位置。到達(dá)灌溉點(diǎn)后，主控制器依據(jù)預(yù)定的作業(yè)位置，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使灌溉平臺(tái)移動(dòng)。噴頭處的光電開關(guān)掃描到噴靶位置后，返回低電平信號(hào)，主控制器即可定位噴靶位置，并按旱情數(shù)據(jù)控制電磁繼電器，調(diào)節(jié)增壓泵的壓力和流量，精確灌溉噴靶。

4.1 底盤基本運(yùn)動(dòng)控制

灌溉機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)分布如圖8 所示，左、右2 個(gè)車輪各由一個(gè)57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用TB6600 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)受使能控制位En 控制電機(jī)的開關(guān)，方向控制位Cw 控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。主控制器定時(shí)中斷產(chǎn)生的脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，表1所示為是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制真值表。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控制器STM32的IO口相連，使PB5、PE7，PE7、PE8，PB0、PB1分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、使能和電平反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、速度調(diào)節(jié)和停止等動(dòng)作。

圖8 灌溉機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)分布

表1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制真值表

也可以更改TIM7的預(yù)分頻值和重裝載值，確定定時(shí)器產(chǎn)生中斷的頻率，利用TIM_SetCompare 函數(shù)調(diào)節(jié)PWM 波占空比，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速控制。

4.2 循跡路徑規(guī)劃

灌溉機(jī)器人底盤前端裝有八路灰度循跡傳感器S308[6]，從左至右依次為L4、L3、L2、L1，R1、R2、R3、R4?；谘E的路徑規(guī)劃流程如圖9所示。

STM32 處理器把連接灰度循跡傳感器的8 個(gè)IO 口設(shè)置成浮空輸入，通過讀取IO口的高低電平信號(hào)，判斷循跡傳感器的工作狀態(tài)。模擬大地的黃色地毯上采用白色膠帶作為灌溉機(jī)器人的循跡引導(dǎo)線，當(dāng)循跡傳感器發(fā)出的光遇到黃色地毯時(shí)，光被吸收，循跡傳感器沒有接受到反射光，循跡傳感器的IO口保持高電平；當(dāng)循跡傳感器發(fā)出的光遇到白色膠帶時(shí)，光被反射到接收管，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后，循跡傳感器的IO口輸出低電平。

若車體向右偏轉(zhuǎn)，L2或L1路檢測到循跡線，主控制器調(diào)節(jié)左、右車輪的轉(zhuǎn)速差值，使車體向左校正；若到達(dá)左轉(zhuǎn)位置，L4 或L3 路檢測到循跡線，主控制器控制左側(cè)車輪反轉(zhuǎn)，右側(cè)車輪正轉(zhuǎn)，車體左轉(zhuǎn)；機(jī)器人循跡過程中的向右校正算法和右轉(zhuǎn)控制算法原理，類似于向左校正算法和左轉(zhuǎn)控制算法，方向相反，不再贅述[7]。

圖9 基于循跡的路徑規(guī)劃流程

4.3 灌溉執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的灌溉動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)原理，如圖10 所示，4 組平行四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成了2個(gè)左右對稱的平面連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)末端設(shè)有噴頭架用來放置施水裝置。為減輕車體自重，齒輪齒條機(jī)構(gòu)選用尼龍制品。主控制器通過驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)齒輪齒條的嚙合傳動(dòng)，從而變換平面連桿機(jī)構(gòu)的伸縮長度。平面連桿機(jī)構(gòu)的最大伸長量為1 m，可根據(jù)B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)的噴靶擺放位置，實(shí)時(shí)調(diào)整工作長度。

圖10 灌溉動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)

每個(gè)齒輪齒條機(jī)構(gòu)由一個(gè)直流電機(jī)控制。主控制器利用定時(shí)器8的通道1和2分別輸出2組模式1的PWM波，PWM輸出端口連接直流電機(jī)的EN1 引腳，用于改變PWM 波的占空比，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速[8]，控制臂長伸縮時(shí)間；主控制器的2個(gè)IO口分別連接電機(jī)的方向控制信號(hào)IN1、IN2引腳，當(dāng)兩位數(shù)字信號(hào)置為0、1時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，平面連桿機(jī)構(gòu)收縮；反之，電機(jī)正轉(zhuǎn)，平面連桿機(jī)構(gòu)伸長，實(shí)現(xiàn)噴灌距離調(diào)整。

當(dāng)機(jī)器人噴灌作業(yè)時(shí)，平面連桿機(jī)構(gòu)伸縮，噴頭架上的光電開關(guān)返回主控制器低電平信號(hào)，系統(tǒng)定位噴靶位置。光電識(shí)別到噴靶時(shí)，主控制器檢測光電開關(guān)信號(hào)的IO 口為下降沿，觸發(fā)外部中斷操作，同時(shí)主控制器控制對應(yīng)電磁繼電器開啟，實(shí)現(xiàn)增壓泵工作，并限制開啟時(shí)長，完成噴灌施水任務(wù)。

4.4 自平衡機(jī)構(gòu)

圖11所示為灌溉機(jī)器人的自平衡機(jī)構(gòu)，底盤為元器件安裝層，托板為平面連桿機(jī)構(gòu)和水箱的放置層。絲杠螺母與托板固定連接，通過控制絲杠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可調(diào)節(jié)平面連桿機(jī)構(gòu)及水箱的平衡，確保車體在有障礙設(shè)置的部分地區(qū)穩(wěn)定通過。

圖11 灌溉機(jī)器人自平衡機(jī)構(gòu)

STM32 處理器采用MPU9250 陀螺儀獲取自平衡機(jī)構(gòu)的托板姿態(tài)[9]。選擇定時(shí)器3 更新中斷，利用IIC 總線通信，每0.05 s獲取一次自平衡機(jī)構(gòu)的姿態(tài)數(shù)據(jù)，處理角度反饋值，判斷絲桿電機(jī)正反轉(zhuǎn)，使得托板始終處于水平狀態(tài)。

圖12 調(diào)平流程

托板調(diào)平流程如圖12所示，首先在平地校正陀螺儀，設(shè)置初始水平參考角，機(jī)器人上斜坡時(shí)，底盤角度不斷變化，陀螺儀反饋托板的偏移角度給STM32 處理器，計(jì)算后獲得托板矯正系數(shù)，驅(qū)動(dòng)絲杠電機(jī)調(diào)整角度，自主調(diào)平灌溉執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

5 結(jié)束語

根據(jù)節(jié)水灌溉競賽機(jī)器人的競賽要求，以無人機(jī)、滲灌系統(tǒng)和灌溉機(jī)器人為主，構(gòu)建了機(jī)器人競賽系統(tǒng)，機(jī)械、電氣和控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了視覺識(shí)別、信息收發(fā)、灌溉控制、循跡導(dǎo)航、自動(dòng)調(diào)平等功能。搭建競賽場地進(jìn)行了216次的實(shí)地測試，結(jié)果表明無人機(jī)視覺系統(tǒng)檢測結(jié)果與色塊吻合成功率達(dá)94.91%，旱情信息傳輸正確率97.69%，自動(dòng)滲灌區(qū)作業(yè)成功率98.61%，灌溉機(jī)器人精準(zhǔn)噴灌成功率90.74%，系統(tǒng)走完全程并全部實(shí)現(xiàn)預(yù)期灌溉的成功率是83.33%。本文設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉競賽機(jī)器人，于2019年8月參加了2019中國機(jī)器人大賽，并獲得冠軍，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性，同時(shí)，對相關(guān)競賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)也有一定的參考意義。