基于机器视觉的农业机器人自主作业设计_孙丹.pdf

1282023 年 3 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备基金项目：江苏省教育科学规划课题“胡格教学模式 下专业教学团队建设策略的研究”（XHYBLX2021162）作者简介：孙丹（1986），女，江苏常州人，硕士研究生，讲师，研究方向为机械设计及理论。基于机器视觉的农业机器人自主作业设计*孙丹（常州市高级职业技术学校，江苏 常州 213161）摘要：随着我国城市化的发展和人口老龄化的加剧，从事农业生产的人数逐渐减少，农业生产成本的上升导致农产品价格上涨。因此，开发廉价、灵活和多功能的自主农业机器人尤为重要。因此，笔者在阐述农业机器人自主作业研究开发的意义和价值的基础上，分析了农业机器人自主作业的设计过程，并设计了一款物美价廉的农业机器人。仿真结果表明，该农业机器人可以根据农作物的生长情况灵活管理农作物，可以进行浇水、施肥和除草等作业，解放了劳动力，提高了农业生产效率。关键词：机器视觉；机器人；农业；自主作业中图分类号：TP242 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.06.037自古以来，农业就是经济的基础。随着社会和科技的快速发展，工业、农业、服务业等众多行业也发生了翻天覆地的变化，但是城镇化的飞速发展也间接导致农业劳动力大幅减少，劳动力成本不断上升。因此，农业机器人应运而生。农业机器人自出现以来，就得到了人们的广泛好评。自主导航机器人、快速采摘机器人和其他多功能机器人的发展，极大地提高了我国农业生产效率。1 农业机器人设计存在的问题1.1 作业对象的复杂性许多农作物非常容易受到损伤，这要求农业机器人在操作过程中柔软灵活，以避免损坏作物。在不同农作物的生长过程中，它们生长速度不同、形状不同，所以农业机器人的开发与使用也存在一定难度，大多是单一的农业机器人。1.2 农业机器人操作对象的特殊性农业机器人操作人员主要是种植农作物的农民，农民文化水平普遍比较低，农业机器人需要具备稳定性良好、故障率低、操作简单等优点。此外，大多数农民以家庭为单位进行劳作。如果农业机器人的价格太高，就很难推广。1.3 农业机器人成本高当前的农业机器人存在功能单一的情况，大多只能开展农作物种植、施肥、收获等其中一项作业。例如，采摘机器人只能用于采摘，切割机器人只能用于切割操作，除草机器人只能进行除草操作1。所以，农业机器人的单一特性导致需要购买不同的农业机器人，以便在不同的生长阶段处理相同的作物，这导致了高成本问题。1.4 关键技术亟待完善农业机器人具有非结构化特征，通常比较复杂，需要智能化农业机器人来适应复杂的工作环境，例如识别和避免障碍的能力。目前，农业机器人系统的智能化还需要进一步研究，当前水平无法满足农业生产需求。所以，需要建立一个更加完善的农业机器人智能化系统，实现自主导航、机器视觉等关键技术，确保其精度和操作效率高。2 农业机器人的总体设计方案2.1 设计目标本文设计的农业机器人自主作业的主要目标是农作物，包括粮食、蔬菜、水果等农作物。在这个项目中，主要原则是在作业工具不损坏农作物的前提下，开展农作物的日常浇水、施肥、除草等操作。所以，农业机器人需满足以下几方面的要求：1）在自主行走的基础上，对于杂草或农作物进行识别，系统可以控制工具来有效管理检测到的作物或杂草。2）在农业机器人自主运行期间，自主运行的精度也必须得到保证，即原则上必须达到准确率。3）对于不同的作业结构，必须易于组装和更换，因此工作工具可以在必要时轻松更换，并且可以轻松地从现有操作转换为其他操作。农业机器人系统自主运行工作原理图如图1所示。2.2 作业工具装置系统设计 农业机器人控制工具系统的组成包括作业工具、执行装置。其中，作业工具主要用于喷洒操作中的喷洒作业、机械除草作业等；而执行装置的组成包括两2023 年 3 月下129Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备个直线步进电机。常用的除草技术有机械除草技术、变量喷药技术、热除草技术、机电喷雾技术四种。机械除草切割器可分为圆盘式、滚刀式等多种类型2。CCD1导航摄像机上位机CCD2导航摄像机下位机车轮驱动系统作业系统 机器人移动 作业系统平台作业工具启停作业平台移动作业平台升降导航图像输入作业图像输入图像处理作业控制导航控制图1农业机器人系统自主运行工作原理图喷洒工具主要包括水箱、电磁阀、喷头、水管等。电磁阀采用DC12 V二通电磁阀。当设备正常关闭时，喷头也将关闭。在开展喷洒作业时，通过继电器控制农业机器人通电，然后打开喷头进行喷洒作业。在除草作业中，采用机械除草技术能够减少化学除草剂使用量，保证农作物可以更好地生长。在选择工具时，可以选择设计相对简单的圆盘式机械除草工具，其组成部分包括刀片、刀头和连接轴等。操作工具时，只需控制直流电机的通断，即可实现对刀具的控制。从配备的作业工具的角度来看，由于作物和杂草必须进行作业，所以农业机器人必须能够水平和垂直移动，因此，经过全面分析，决定使用X-Z平台，以提高农业机器人自主作业水平。因为该平台不仅可以实现水平移动，还可以进行垂直移动。自主作业农业机器人的技术参数如表1所示。2.3 图像处理 在农业机器人系统中，机器视觉系统是重要的组成部分。从功能角度来看，机器视觉系统可分为单目机器视觉系统、双目机器视觉系统。笔者选择单目机器视觉系统，将其应用在农业机器人的导航、相关图像处理、目标识别等方面。机器人视觉系统的工作原理为：利用图像采集相机采集物体之后，将物体转换成图像信号，并通过数据线、串行端口，将图像信号传输给专用的图像处理软件，并结合图像信号中的像素、亮度、颜色等信息，将图像信号转换成数字信号，从而得到需要的信息3。表1自主作业农业机器人的技术参数参数名称参数值参数名称参数值机器人长度1 500 mm车轮驱动电压DC24 V机器人宽度1 400 mm越障能力良好机器人高度1 000 mm步进电机驱动电压DC24 V驱动轮轮距540 mm正常速度0.1 m/s0.5 m/s驱动轮轮径400 mm步进电机速度6.35 cm/s机器人视觉系统中的硬件组成包括：图像采集设备、图像处理系统、计算机、照明设备，在夜间使用时可以考虑增加照明系统。图像采集设备通常是根据农业生产的实际需要和成本效益比进行选择；图像处理系统通常可以使用MATLAB软件编写相关程序；计算机是这项技术的主要载体，图像采集系统、处理系统均是以计算机为载体，需要根据系统操作环境和相关设备的要求选择计算机。图像处理组成主要有图像采集、彩色图像分割、形态学处理、杂草与作物坐标的确定四个模块4。图像采集模块的功能是控制摄像机采集图像；彩色图像分割模块主要负责将图像中的绿色作物和土壤分离，从而得到作物图像；形态学处理模块负责进行杂草和农作物的识别；杂草和作物坐标的确定模块负责确定农作物坐标和杂草坐标，实现杂草和农作物具体位置的准确定位，从而提高农业机器人自主作业的准确性5。2.4 控制系统设计 农业机器人应十分重视控制系统设计，因为该系统是农业机器人自主运行的关键部分，是实现其自主操作和各种操作的主要支撑模块。笔者设计的农业机器人控制系统涉及硬件和软件两大部分6。控制系统的硬件由上位机硬件系统和下位机硬件系统两部分组成。其中，上位机硬件系统需完成图像采集和处理系统的操作，因此需要相对较高的速度来计算和处理图像信息7。其中，微控制器模块负责实现和上位机的数据通信，然后处理数据，控制农业机器人相应机构执行一系列的操作，从而完成农业机器人的作业任务。不同的控制器参数情况如表2所示，中级微控制器可以满足本研究需求，选择Basic ATOM系列1302023 年 3 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备的单片机Basic ATOM Pro40。另外，有必要考虑户外工作的具体条件。上位机系统通常应具备防坠落、防水和电池长期运行的特性，并可选择坚固型的工程笔记本电脑；下位机硬件系统的组成则主要有单片机电源模块、步进电机驱动模块。在设计下位机硬件系统时，需要考虑到简单、舒适、经济、实用、易于维护和方便升级等需求8。农业机器人系统中，不仅要具备硬件系统，还需要相应的软件系统。软件系统主要是完成各种既定要求动作的程序，所以对于软件系统的准确性和稳定性具有较高的要求9。从农业机器人的软件系统来看，其必须具备简单性、准确性、稳定性等特点。从农业机器人控制系统的角度来看，控制软件系统的组成包括自主行走导航、自主作业两个部分。其中，自主行走导航的组成包括上位机系统中的自主导航软件系统、作物与杂草定位软件系统；而自主作业则是由下位机系统中的作业工具软件系统、运动软件系统所构成的10。必须根据作物管理的需要以及生长情况来灵活设计适当的程序和流程。表2不同微控制器参数对比微控制器等级软件编程硬件连接功能价格低级较为复杂，需要从底层程序编写复杂，需要自己设计硬件模块简单便宜中级简单，可以使用高级语言，且可直接调用部分程序简单，集成常用的硬件模块，连接简单较多较高高级直接调用即可最简单，通常使用几个接口和几个导线连接即可最多最高3 总结综上所述，农业机器人有助于农业农村现代化发展，能够在一定程度上解放劳动力，提高农作物的种植质量，提高农业生产效率。随着现代技术的发展，农业机器人的自主作业体系设计也需要根据农业的实际作业需求进行。总之，农业机器人是未来农业发展的主流方向，必将助推乡村振兴。参考文献：1 任天乐.基于机器视觉的农业机器人自主作业研究J.南方农机，2020，51(16)：26-27.2 傅雷扬，李绍稳，张乐，等.田间除草机器人研究进展综述J.机器人，2021，43(6)：751-768.3 成慧俊，裴家港，杨立强，等.基于三目视觉的模块化弧焊机器人焊接作业自动标定算法研究J.工业仪表与自动化装置，2021(6)：43-47.4 徐晨.基于计算机视觉的割草机器人作业控制研究J.农机化研究，2022，44(12)：235-238.5 卞越洋，高晓科，张伟军.机器人带电作业中的视觉定位与优化策略J.机械与电子，2021，39(5)：57-61.6 任青亭，李帅，吕鹏，等.面向配网带电作业机器人的激光雷达与视觉系统融合定位J.测绘通报，2021(2)：98-102+116.7 沈晓飞.面向机器人自主柔性作业的视觉检测与增量学习方法D.北京：中国科学院大学，2021.8 刘成良，贡亮，苑进，等.农业机器人关键技术研究现状与发展趋势J.农业机械学报，2022，53(7)：1-22+55.9 田生睿.棚室机器人通用作业平台的研究与应用J.乡村科技，2019(34)：125-126.10 牛文琦.基于深度学习的多功能自主导航农业机器人的研制D.银川：北方民族大学，2021.南方农机 投稿须知南方农机 杂志为农业工程类学术期刊（TH），1970年创刊，由江西省农业农村厅主管，南方农机杂志社出版，半月刊，大16开，国内外公开发行。1992年被评为北大中文核心期刊；2015年被国家新闻出版广电总局认定为第一批学术类期刊。本刊系JST日本科学技术振兴机构数据库（日）（2022）、中国知网、万方数据库、维普资讯等各大权威数据库全文收录期刊。1）栏目设置：南方论坛、乡村振兴、农业机械与装备、农业技术推广、农机与农艺、农机化综合研究等。2）来稿须知：来稿要求论点明确、数据可靠、逻辑严密、文字精炼，每篇论文必须包括题目、作者姓名、作者单位所在地及邮政编码、电话、摘要和关键词、正文、参考文献和第一作者及通信作者（一般为导师）简介（包括姓名、出生年月、性别、籍贯、学历、职称、所获学位、研究方向），并请在文稿的首页地脚处注明论文属何项目、何基金（编号）资助，没有的不注明。论文摘要尽量写成报道性摘要，包括目的、方法、结果、结论4方面内容（500字符左右），应具有独立性与自明性，关键词选择贴近文义的规范性单词或主题词（35个）。文稿篇幅（含图表）3版起收（3版约5 200字符，以此