摘 要: 農(nóng)業(yè)信息采集主要收集農(nóng)作物的生長狀況和所處的環(huán)境特征，作為農(nóng)藝操作的依據(jù)。傳統(tǒng)的信息采集 主要依靠人工觀察記載或儀器測量記錄，獲得的數(shù)據(jù)量有限，參考價值不高。為 此，設(shè)計了一種以鋁合金框架車 體為平臺的輪式機器人，具有行走控制、路徑識別和信息采集的功能，且在農(nóng)田環(huán)境中行走平穩(wěn)，能 夠識 別田間的空行和作物并規(guī)劃行走路徑。試驗結(jié)果表明: 機器人采集的信息數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)之間差異很小，符合農(nóng)田環(huán)境的實際情況，可以為農(nóng)業(yè)的信息化和智能化提供技術(shù)支撐。

　　關(guān)鍵詞: 農(nóng)田環(huán)境; 機器人; 信息采集; 機器視覺; 傳感器

　　0 引言

　　信息化和數(shù)字化應(yīng)用在農(nóng)業(yè)的多個方面( 如農(nóng) 藝、生產(chǎn)監(jiān)控和信息采集等) ，且信息采集是新型技術(shù) 在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用效果最明顯的領(lǐng)域。信息采集收集農(nóng) 作物的生長狀況和環(huán)境特征，為農(nóng)藝操作提供依據(jù)。 我國的單個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域面積小，分布零散，增加了 信息采集的成本和難度[1]。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息采集主 要依靠人工觀察和記載，或者利用便攜式儀器測量記 錄。李金雷等設(shè)計了一種手持的信息采集設(shè)備，可以 測量溫室內(nèi)的溫濕度，但缺乏數(shù)據(jù)處理的能力，存儲 空間也有限[2]。

　　由于受到各種因素的制約，傳統(tǒng)的農(nóng) 業(yè)信息采集只能獲得單一或少數(shù)的特征數(shù)據(jù)，且缺乏 連續(xù)性，參考價值很小。因此，農(nóng)業(yè)信息采集技術(shù)的 革新是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的信息化 和數(shù)字化具有重要意義。 新時期農(nóng)業(yè)信息采集使用最多的是無線傳感網(wǎng) 絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種將布置在環(huán)境中 的各種傳感器通過無線通信連接起來形成整體網(wǎng)絡(luò) 的技術(shù)，具有成本低、能耗少和可靠性強的優(yōu)點[3]。

　　陳桂鵬等利用智能手機在我國大量普及的優(yōu)勢，設(shè)計 了一種基于 Android 操作平臺的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集系 統(tǒng)，具有多種功能和很強的擴展性[4]。數(shù)據(jù)的采集只 是手段，真正的目的在于通過對數(shù)據(jù)的分析獲得有用的作物和環(huán)境信息，因此對采集的數(shù)據(jù)進行深入 分析和模擬仿真是發(fā)揮數(shù)據(jù)價值的關(guān)鍵[5]。王嘉鵬 設(shè)計了一套農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，利用云計算方法處理 農(nóng)作物生長過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，分析得到了作物生長 的最佳環(huán)境條件[6]。

　　與無線傳感網(wǎng)絡(luò)相比，物聯(lián)網(wǎng)的 算法魯棒性較低、數(shù)據(jù)冗余嚴重，但可以通過算法優(yōu) 化加以解決[7]。 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息采集系 統(tǒng)是固定安裝的，只能采集特定區(qū)域內(nèi)的信息。若要 對廣闊的生產(chǎn)環(huán)境進行監(jiān)控，則需增加信息采集設(shè)備 的數(shù)量，從而必然帶來成本的上升。移動式信息采集 機器人具有良好的機動性，可以覆蓋更大的農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 區(qū)域，有利于解決上述問題。推進電機作為移動機器 人的動力核心，其性能對機器人移動的機動性和穩(wěn)定 性有著直接的影響。因此，早期的研究集中在對機器 人的行走控制上，使機器人獲得了較高的可靠性[8-9]。

　　隨后，人們又對機器人的信息采集設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸硬 件進行完善，構(gòu)建了完整的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)[10-11]。 褚凌慧采用蟻群算法來規(guī)劃行走路徑，使機器人的軟 件得到了升級，從而擁有更強的路徑選擇能力[12]。 近年來，無人機技術(shù)迅猛發(fā)展并被引入到機器人 上，賦予了機器人在田間越障的能力，可以從空中采 集農(nóng)業(yè)信息。王玉山等設(shè)計了一種地空兩用機器人， 包括飛行控制系統(tǒng)、地面行走系統(tǒng)和信息采集系統(tǒng)， 擴展了農(nóng)業(yè)信息采集的范圍[13]。

　　王偉等和李超藝也 開展了相關(guān)的研究，對地空兩用機器人的行走機構(gòu)和 控制 模 塊 進 行 優(yōu) 化，增強了其對環(huán)境的適應(yīng)能 力[14-16]。 目前的農(nóng)業(yè)信息采集機器人在設(shè)施農(nóng)業(yè)中表現(xiàn)良好，但在農(nóng)田環(huán)境中的適用性還沒有得到驗證。農(nóng) 田環(huán)境中因素復(fù)雜，條件惡劣，對機器人的適應(yīng)性提 出了更高的要求。為此，設(shè)計了一種適應(yīng)農(nóng)田環(huán)境的 信息采集機器人，對行走控制、路徑識別和信息采集 功能進行了針對性的設(shè)計，并在自然條件下進行試驗 驗證，旨在為實現(xiàn)農(nóng) 業(yè)信息智能化采集提供技術(shù) 支撐。

　　1 總體設(shè)計

　　農(nóng)田環(huán)境信息采集機器人以鋁合金框架的車體 為平臺，整體質(zhì)量 25kg，尺寸為 0.8m×0.3m×0.5m。車 身具有多層結(jié)構(gòu)，上層安裝電源、攝像頭和射頻接收/ 發(fā)射裝置，下層安裝各型傳感器、動力裝置和行走裝 置。車體的穩(wěn)定行好，布局合理，維護也很方便。

　　機器人在遙控模式下工作，具有自主行走和采集 信息的能力。控制人員在遠程通過射頻裝置發(fā)送任 務(wù)信息，并設(shè)定相關(guān)的參數(shù)，啟動機器人開始作業(yè)。 機器人自主行走和采集農(nóng)田環(huán)境信息，并實時發(fā)送回 控制終端，接受控制人員的監(jiān)控。在自主作業(yè)模式 下，機器人具有行走控制、路徑識別和信息采集的功 能，可以完成對農(nóng)田環(huán)境信息的采集。

　　2 行走控制

　　農(nóng)業(yè)機器人的行走裝置有履帶式、腿式和輪式 3 種，其中的輪式裝置結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最廣。本設(shè)計根 據(jù)農(nóng)田的特殊環(huán)境，結(jié)合輪式機器人穩(wěn)定性好、移動 迅速和容易控制方向的優(yōu)點，采用 4 輪的行走裝置。 機器人以蓄電池為電源，采用直流電機提供動力。直 流電機的啟動性能良好，可以通過電子技術(shù)準確控制 轉(zhuǎn)速，適合驅(qū)動機器人的輪式行走裝置。驅(qū)動裝置按照集中控制—分布驅(qū)動的方式布置，在 4 個車輪上各 安裝一部電機，電機的轉(zhuǎn)速由車載單片機控制，使各 個車輪都能單獨轉(zhuǎn)動和轉(zhuǎn)向。

　　3 路徑識別

　　機器人的路徑識別功能依賴于安裝在上方的攝 像機和機器視覺分析模塊。攝像機為 HD720 型高清 CCD 攝像頭，安裝高度 1.2m，采用防抖動設(shè)計。攝像 頭光軸與豎直方向的夾角為 60°，俯視拍攝形成 800 萬像素的 JPEG 圖像，由圖像采集卡轉(zhuǎn)換后供主控模 塊進行機器視覺分析。 主控模塊為惠普 286 型計算機，配置包括 Intel i3 處理器和 4G 內(nèi)存，速度和性能可以滿足視覺分析的 要求。計算機安裝 Windows10 操作系統(tǒng)和 MatLab7.0 工具箱，用于對圖像的分析。機器人在行走過程中拍 攝的圖像含有各種噪音，采用 5×5 中值濾波的預(yù)處理 去除。

　　以水稻田為例，預(yù)處理后的圖像由水稻植株和 水面組成，水稻植株為灰色，水面為白色。根據(jù)水稻田光照強度的特點，采用 HIS 色彩空 間的 I 分量對圖像做灰度化處理，以此增強黑白效果 和不同物體的顏色差異。機器人以 水稻田中的空白水面作為行走路徑，其與水稻植株的 顏色有明顯的差別，因此選用顏色特征進行路徑識 別。

　　對 I 分量做最大類間方差分析，經(jīng)過二值化后得 到不同目標的顏色特征閾值，采用閾值分割方法來識 別背景和路徑。閾值分割所得的圖像中黑色部分為 背景，白色部分為識別目標。最后， 以 Canny 算子檢測路徑邊緣，提取同一水平線上的兩 個邊緣點的中心位置，連接成的一條曲線即機器人的 行駛路線。

　　4 信息采集

　　機器人的信息采集模塊以美國微芯科技公司的 PIC18F87 型單片機為核心，穩(wěn)定性好，功率消耗低。 單片機的最高速度達到 64MHz，具有 24 個串口的 12 位 A /D 轉(zhuǎn)換器及 2 個尋址 USART 模塊，能夠滿足信 息采集的要求。單片機通過串口與傳感器連接，對采 集的數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)換和發(fā)送。

　　農(nóng)田環(huán)境主要由空 氣、土壤和作物組成，因此信息的采集也針對這 3 個 部分。采集的空氣信息為空氣溫濕度、二氧化碳濃度 和光照強度; 土壤信息為土壤濕度及作物信息為作物 長勢。空氣溫濕度傳感器采用建大仁科的 RS - YS - GPRS 型記錄儀，結(jié)構(gòu)緊湊，體積較小，可以方便快捷 地通過串口與單片機連接和數(shù)據(jù)傳輸。

　　二氧化碳濃 度由煒盛科技的 MH-Z14 型傳感器測量，采用模擬電 壓輸出，靈敏度和分辨率高，抗干擾性強。光照度傳 感器為精訊暢通的 JXBS - 3001 -GZ 型，體積較小、測 量精度高，通過 RS485 的模擬電壓輸出。土壤濕度傳 感器采用建大仁科的 RS-WS-N01 型，具有 16 位高精 度處理器，測量精度比傳統(tǒng)方法提高了 3 ～ 5 倍。

　　傳感器的感應(yīng)部件為不銹鋼針，由機械臂將鋼針插入土壤 中檢測濕度，然后通過 RS485 的模擬電壓輸出。作物長勢信息的采集設(shè)備與路徑識別所用的機器視覺設(shè) 備相同，CCD 攝像頭的安裝高度為 1.5m，全方位轉(zhuǎn)動拍攝。以油菜為例，經(jīng)過預(yù)處理和灰度化后，仍然通 過顏色特征參數(shù)識別油菜植株。 閾值分割所得的圖像中黑色部分為識別目標，白色部 分為背景，依據(jù)圖像中的植被覆蓋率來反映油菜的長勢。

　　5 試驗結(jié)果與分析

　　在本單位的油菜田中驗證信息采集機器人的各 種功能，設(shè)定任務(wù)參數(shù)后機器人自主行走并進行信息 采集作業(yè)。在機器人的行走路線上選取 5 個采樣點， 讀取機器人采集的空氣溫度、CO2濃度和土壤濕度的數(shù)據(jù); 然后，利用便攜式儀器進行人工測量，比較兩種方法所得數(shù)據(jù)之間的差異。 試驗結(jié)果表明: 作業(yè)過程中，機器人行走平穩(wěn)，狀 態(tài)穩(wěn)定，沒有受到地勢起伏的影響; 機器人能夠識別 田間的空行和油菜植株，通過規(guī)劃行走路徑成功避開 障礙物，從而完成了信息采集作業(yè)。機器人采集的信息數(shù)據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)之間的差異很小，符合農(nóng)田環(huán)境的實際情況。

　　農(nóng)業(yè)論文投稿期刊：《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》是由安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院主管主辦的綜合性農(nóng)業(yè)學(xué)術(shù)期刊，國內(nèi)刊號CN：34-1076/S;國際刊號ISSN：0517-6611，郵發(fā)代號26-20。主要刊登全國范圍的農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)基礎(chǔ)理論、應(yīng)用研究及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟研究、農(nóng)史研究等與農(nóng)業(yè)有關(guān)的學(xué)術(shù)研究論文，追蹤報道各學(xué)科的最新實用的農(nóng)業(yè)科技成果。

　　6 結(jié)論

　　為了在農(nóng)田惡劣的環(huán)境中采集信息數(shù)據(jù)，設(shè)計了 一種以鋁合金框架車體為平臺、采用 4 輪行走裝置的 機器人，具有行走控制、路徑識別和信息采集的功能。 在自然條件下進行農(nóng)田環(huán)境信息采集試驗，結(jié)果表 明: 機器人行走平穩(wěn)，能夠識別田間的空行和作物，通 過規(guī)劃行走路徑避開障礙物。機器人采集的信息數(shù) 據(jù)與人工測量數(shù)據(jù)之間差異很小，符合農(nóng)田環(huán)境的實 際情況。

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　　作者：蘇 燕，梁 武