农业播种机器人的设计研究

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0引言

农业机器人是由不同程序软件控制、以适应各种农业作业并在作业过程中实时感应环境变化的一种新型无人自动操作机械，是未来农业机械化、智能化发展的趋势。到2050年，全球人口预计达到大约100亿，农业消费预计将增长70%，但农业劳动力正在逐步减少，农业发展将会面临巨大的挑战［1－3］。农业机器人将缓慢、重复和枯燥的任务自动化，减少了劳动力强度与人力投入，同时提高农业生产效率、降低农业整体生产成本［4－5］。尤其是作物播种与耕地环节，传统的手工播种方法效率低、耗时长，需要大量人力，由于过度弯曲还会导致农民出现健康问题［6－8］。随着世界各地大型农田的兴起，传统的播种方式已不能满足日益增长的作物播种需求，因此大型农业机械应运而生。但是，使用拖拉机播种会造成种子的浪费，且由于重型机械的质重会压实土壤，对农田造成不可逆转的破坏［9－10］。因此，农业机器人是未来农业智能化发展的重要方向［11］。农业机器人播种机可以携带大型储藏库，操作安全，结合智能控制可以在田间自主运行。与人工播种相比，农业播种机器人可以显著提高作物播种效率［12－15］;与重型机械相比，农业播种机器人不会破坏农田的土壤结构。20世纪90年代，美国开始进行可编程工业机器人的研究，并在1961年取得了相关专利。第2年，GM汽车公司研发了第1代机器人，这也是机器人时代开启的重要标志。随着社会的发展，机器人已经被广泛应用于各个研究领域，并与机械学、计算机学、人工智能及仿生控制学等相互结合。日本和芬兰也是机器人研究起步较早的国家，并在农业工程领域研发了果实采摘机器人、除草机器人、水稻插秧机器人、果树修剪机器人［16－18］。后期，西班牙结合图像识别技术开始对果实是否成熟进行自动判别。我国关于农业机器人的研究主要集中在中国农业大学、东北农业大学、华南农业大学及浙江大学等，目前已经研发了蔬菜移栽机器人、自动施肥机器人、果实采摘机器人等［19－21］，但针对农业播种方面机器人的研究较少。针对以上问题，设计了农业播种机器人。为了将成本降到最低，机器人播种机的原型使用简单、经济、现成的组件组装。农业播种机器人包含运动的移动基座和附着在移动基座上用于作物播种的播种机构。移动底座采用四轮设计，便于在不平坦的地形上移动;播种机构采用曲柄滑块的概念，不断完成播种。

1总体设计及工作原理

1．1关键零部件设计

(1)播种机构的设计。在农业机器人播种机构中，农业机器人原型采用曲柄－滑块机构进行作物播种，如图1所示。该机构采用曲柄滑块的概念，不断将种子播入土壤，保证种子可以播到理想的土壤深度，确保种子顺利发芽。曲柄滑块机构与幼苗储存机构连接，该机构由附着在机器人上种子存储容器内的圆形板和勺子组成。其中，圆形板可以利用曲柄滑块机构的运动将种子从储存容器中分发到连接在储存容器下的软管中，以便在播种路径上进行播种，从而实现1次准确播种1粒种子，提高了萌发成功率，实现精准播种。农业机器人底盘使用4个户外橡胶轮子，如果机器人将要转向左侧，则在右前后轮向前移动的同时将左前后轮制动，可保证播种机器人在松散、不平整的土壤表面上顺利播种。为了使转弯更紧，车轮可以向相反的方向移动。例如，为了急转弯，左前轮和后车轮向前移动，而右前轮和后车轮向后移动。采用这种设计的原型系统在机械上比添加差动齿轮和齿轮齿条转向更简单，降低了农业机器人的总体成本。农业机器人样机由自主模式和手动模式组成:首先，由操作人员使用控制器手动将机器人从一条路径移动到另一条路径，当播种机器人位于播种路径最优位置时，就会启动自主模式，机器人在播种机构的操作下沿直线行进，再根据预定的行走距离在路径末端停止;随后，操作人员手动移动机器人到下一条路径，重复这个过程。(2)电池外壳设计。电池外壳由铝制成，装在机器人机架上，可以容纳主计算机、内置开关的无线接入点、电子设备和电池，为其他模块提供动力和通信。该模块可以安装一个防风雨触摸屏，通过防水一体化连接器连接到车载计算机。(3)驱动机构的设计。驱动模块包含1个电机和1个连接到轮子的传动装置，可以连接到转向模块的输出轴上，电机由安装在转向模块上的双通道电机控制器驱动。对于差动驱动机器人，模块直接连接在机器人的机架，由一个独立的电机控制器模块驱动。4)旋转模块。农业机器人要求1个或多个驱动模块绕垂直轴旋转，可以控制农业机器人的转动方向，提高农业机器人在田间工作的机动性能。本研究设计的转向模块通过连接驱动模块和转向模块来实现农业机器人在田间工作的方向，转向模块直接连接到机器人的框架上，或者连接到悬挂模块框架上。旋转模块由无刷直流电机、传输和双通道电机控制器组成，电机控制器同时驱动转向电机和所连接的驱动模块电机，可以进行360°旋转，保证机器人具有良好的机动性。(5)电动机控制模块。电机控制模块为双通道电机控制模块提供一个耐腐蚀性的外壳，在不需要转向电机时代替转向模块控制两个驱动模块。(6)传感器安装模块传感器安装模块固定在机架上，用于承载传感器和天线，由铝型材组成可以滑动到任何位置之前，也可以被安全地锁定在适当的位置。(7)传感器接口模块。不同的机器人运动要求需要不同的传感器，因此将传感器合理、简单地安装在机器上是十分重要的。因此，将传感器接口模块安装在机器人框架上，可以快速地与传感器连接。电脑连接了一个USB集线器，该模块提供12VDC和5VDC传感器电源、CANopen设备和电机或其他高功率设备的48VDC电源的连接，USB防水连接器还可以保护模块不受环境污染。

1．2工作原理

播种机器人三维设计如图2所示。整机框架用空心的方形铝管制作而成，各零部件用角支架螺栓固定，形成一个矩形底座;两个铝管通过螺栓穿过基座的中心，作为支撑梁，以减少运动时框架的摆动，并确保农业机器人的结构刚性。另外，两根铝管焊接在底座上，以支撑用于播种机制的直流电机，由相同的空心方形铝管制成的倒U形支架焊接到这两根梁上，用来固定直流电机和曲柄滑块组件。种子贮藏容器的材料为有机玻璃，具有高强度、轻量化、耐用和耐腐蚀的性能。在容器底部开1个洞，通过这个洞安装1根橡胶软管，将种子分发到播种路径上;在容器的右侧开1个圆形孔，用于安装组成分苗机构的圆形板和勺，以及曲柄滑块机构和它的连杆，都是用聚乳酸(PLA)长丝3D打印的，可以保证播种机制在长期使用下不会被腐蚀。播种机构连接到机器人基座上，直流电机被螺栓固定在支架上，与其他曲柄滑块组件一起焊接在机器人框架上，与L298N电机驱动器与单片机连接。工作时，直流电机转动曲柄，驱动附着在滑块上的注射杆向下插入地面，将种子播入土壤中;当曲柄滑块旋转时，圆形板也随之旋转，铲斗将种子挑起，并将其送入橡胶软管中，然后将其播撒到播种路径上。为保证机器人的稳定性，在机器人身体中部安装了播种机构，保证种子入土时注射杆的准确性。4个室外橡胶轮的4个金属支架以及相应的直流电机被固定在机器人底座的4个角落，使用双螺栓确保电机和车轮的刚性支撑，车轮连接到直流电机，直流电机连接到L298N电机驱动器，然后再连接到Ar-duinoMega微控制器，实现农业播种机器人的田间运动。

2电路及控制系统的设计

2．1电路系统的设计

设计的播种机器人使用容量为3000mAh的可充电12V锂聚合物(LiPo)电池，它是一种使用聚合物电解质代替液体电解质的锂离子技术的可充电电池。其与ArduinoMega微控制器和电机驱动器连接，为播种机器人电子元件提供动力，用户可以控制机器人的开关，以节省能源。

2．2控制系统的设计

直流电机具有高扭矩特性和良好的可靠性，维修成本低，故设计的播种机器人控制系统由4个变速直流电机组成，每个电机的额定电压和电流分别为5V和0．2A，驱动每个轮子，使机器人底座运动，确保机器人可以松散的土壤、泥泞的表面以及粗糙地形。直流电机由两个低成本的L298N电机驱动器驱动组成，可以同时控制两个直流电机的速度和方向。L298N电机驱动器从微控制器接收低电流控制信号，并将其转换为高电流信号，从而驱动电机。L298N电机驱动器的功率可以驱动每通道高达2A、额定电压为5～35V的直流电机。单片机用数字信号将线性速度和转向指令传递给电机驱动器，由电机驱动器控制直流电机的转速和旋转方向。控制器可以控制农业机器人田间运动轨迹，在此使用无线PlayStation2控制器来控制农业机器人运动，直流电机的速度由脉宽调制(PWM)进行调节。PWM是一种通过快速打开和关闭电源来调整电机接收到的电压平均值的技术，工作原理如图3所示。播种机器人智能控制系统通过ArduinoIDE编程到ArduinoMega微控制器中，微控制器和电机驱动器被固定在机器人前面的亚克力板上。程序部分代码如图4所示。由图4可知:设计的农业播种机器人能够向4个方向移动，即向前、向后、向左、向右，附加的停止功能可以确保机器人在等待下一步命令时保持静止。在微控制器中还编写了自主模式功能，使农业机器人在操作播种机构时沿直线移动，根据设定的行程距离在路径末端停止。PS2控制器的功能同样被编程到微控制器中，操作人员可以通过远程控制控制机器人的运动，运动方向用PS2控制器上的箭头按钮来控制，提高操控的简单性和易用性。例如，将控制器上的左箭头按钮映射为左移动函数，如果操作人员按下控制器上的左箭头按钮，则机器人向左转弯。

2．3程序测试及分析

播种机器人在试验地点进行测试，如图5所示。试验由两条长20m的播种路径组成，将农业机器人原型放置在起始点，标记为点1，并根据红色箭头的方向移动。如图6所示，机器人被设置为自主模式，编程在运行播种机构时以30r/min的速度直线行走20m，机器人的平均速度为0．1m/s，连续植株之间的播种间隔为0．2m。在第1个路径结束时，机器人停止，操作人员使用手动模式接管;然后，操作人员将机器人引导到第二条路径的起点;一旦定位到最优位置，自动模式再次启动，机器人重复作物播种过程，直到到达终点，标记为点2。

3结果与讨论

3．1播种性能测试

为了验证设计的播种机器人田间播种效率，将机器人在5min内播种的种子数量与人工播种的种子数量进行了比较。试验选择玉米种子，根据机器人的运动和播种机构的速度，农业机器人原型理论上应该能够每分钟播种30颗种子，5min内共播种150棵种子。然而，由于机器人的不准确性和精度不足，实际成功播种的种子数量可能会略有变化。因此，在本次试验中，机器人成功地将138株种子播种到土壤中，成功率为92%。与人工播种102颗的播种速度相比，农业播种机器人样机播种效率提高了35%以上，结果如表1所示。

3．2电池寿命测试

对农业机器人样机进行了电池寿命测试，确保它能够在较长一段时间内执行作物播种过程所需的所有功能。在自主模式下，农业机器人原型机连续运行第1种路径长度，对机器人进行电池寿命测试;当机器人到达第1条路径的终点时，操作人员使用手动模式接管机器人的控制，并将其放置在第2条播种路径的起点;自动模式被重新启动，机器人沿着第2种路径向第2种路径的终点移动，操作员将其操纵回第1种路径的起点重复这一过程。通过电池寿命测试，确定农业机器人样机从满电量到完全耗尽需要4h，可以保证农业机器人在田间播种要求。

4结论

设计了一种低成本的农业播种机器人，移动底座采用四轮设计，便于在不平坦的地形上移动;播种机构采用曲柄滑块机构，不断将种子注入地面。根据实际需求，对播种机器人的电路控制系统及智能控制系统进行设计并进行田间试验，结果表明:播种机器人在5min内播种138颗种子，准确率为92%，而人工播种仅为102颗，播种效率提高了35%以上。同时，播种机器人电池寿命的一次充电可以试用4h，不会影响操作时间和作物播种效率。

作者:任娟 单位:沙洲职业工学院