瓜果自動施藥機器人系統的研究與設計

林德穎

（福建林業職業技術學院，福建 南平 353000）

中國是人口大國，同時也是農業大國。用科技影響農耕，提高各類作物與瓜果蔬菜的產量和質量，減輕勞動力，增加回報率是當下的研究熱門。近年來，依靠國外進口與國內研發相結合，市面上涌現出了大量的農業機械與控制系統，如水稻、玉米等大面積種植的作物均可實現播種、施藥、澆灌、收割等環節的全程自動化。而藤架類的瓜果蔬菜由于采用溫室大棚種植，植株密集、壟距狹小、葉片稠密，大量病殘葉片藏身于植株間隙之中，若采用通用施藥機械從頂部噴灑液體，藥劑難以直達患處，且易造成浪費。

基于上述問題，有團隊設計出懸掛式的行走機器人，通過覆蓋整個大棚的監控系統，實時監視瓜果狀態，分析葉片病灶，機器人根據分析結果規劃行走路徑，通過頂棚事先搭建好的行進軌道到達施藥處，降低噴嘴高度，調整噴嘴角度，達到精準施藥的目的。該系統在試驗田中獲得了較好的成效，但對作物的種植密度、壟徑規劃都有嚴格的要求，且需要搭設軌道，一臺設備無法在多個大棚中輪流使用，對于規模較小、非四季輪種的種植戶而言，成本投入過高，難以推廣。對此針對東南丘陵地區的種植散戶，本研究設計了一種地面行走、高度可變、施藥角度可以調節的自動對靶施藥機器人。

1 機器人結構

瓜果施藥機器人能夠實現病殘葉片全覆蓋有幾個必要的條件：首先是機械臂的運動范圍能夠覆蓋到整顆植株；其次是小車的行進速度與視覺識別、噴嘴施藥的速度要相匹配；最后是靈敏的距離感應和噴嘴壓力控制。

1.1 機械手運動范圍的研究

閩北地區多丘陵，多數農戶的種植基地都被山林包圍，受地形影響，中大規模的種植基地面積約在15～33.3 hm2。針對當地的種植情況，選擇了黃瓜、茄子、絲瓜與苦瓜4 種作物作為試驗對象，大棚種植的植株分布情況如表1 所示。

表1 4 種實驗對象的植株排布情況表Tab.1 The plant arrangement of four experimental objects

由上表信息可知瓜果植株頂部高度在0.5～2 m，考慮到成長期的變化，農藥噴灑的高度范圍應設置在0.2～1.9 m，機械臂運行到頂端時，噴嘴與水平支架的夾角為15°，綜合小車的底盤高度與噴射角度，機器人縱向運動范圍在0.1～2 m，噴灑藥劑可以覆蓋到1.9 m 以下的各類植株。結合壟間距離，考慮到植株在成長過程中葉片會向外擴張，預留15 cm 的余量，將機械手的橫向運動范圍控制在20～60 cm，對于與苦瓜相類似的壟間距離較大的作物，另配加長噴頭。機械臂結構上設置雙邊雙軌道四噴頭，同側一噴頭在機械臂作用下由上向下中壓持續噴射；另一噴頭軌跡相反由下向上作業，行進步調與攝像頭同步，當檢測到病灶時，對害病區域重點施藥，雙邊同步進行，提升施藥效率。噴灑部分機械臂結構如圖1所示。

1.2 視覺模塊與噴嘴的協同運動

藤架類瓜果的植株通常葉片大、密度高、自然下垂，為實現精準施藥，提高農藥利用率，本研究將噴頭設置為傾斜狀態，機械臂由上至下運行時，下方彈簧拉伸大，作用力也大，噴嘴向下傾斜；行程過半后，原本拉伸的彈簧張力減小，上方彈簧拉伸，噴嘴姿態變為向上傾斜。機械臂的位置越接近限位點，噴射角度越大。

運動部分設置了兩臺電機，一臺只拖動機械臂滑板，在機器人行進過程中均勻地噴灑藥水；另一臺則同時拖動分別裝有機械臂與攝像頭的兩塊滑動板，部件5 為直接拖動，部件2 需經變速器減速后拖動。這樣就保證了部件2 的行程小于部件5 的行程，使得機械臂運行至終點時，噴頭的垂直線與攝像頭所在位置的水平線相交于目標植株的立面上，相對位置如圖2 所示。

（H2- H1）/（L- S）=tanα 時，H1 為攝像頭距地高度，H2 為機械臂距地高度，L 是滑塊軌道與待施藥植株間的距離，α為噴頭與水平線間的夾角。攝像頭監測到葉片病灶后，將位置信息傳送給CPU，當角度傳感器讀取到的信息滿足條件（H2- H1）/（L- S）=tanα 時，噴頭開啟，對病害葉片重點治理。

1.3 小車結構設計

標準的種植大棚通常為矩形，沿長邊方向開壟，壟間距離即為機器人小車的作業通道?？紤]到作業地面為土積地面，小車后輪設置減震。同時為保障在狹小空間內轉向的靈活性，前輪采用了萬向輪設計?？刂破?、避障傳感器、電源模塊、電磁閥、水泵均安裝在小車底盤上，底盤上方通過八枚支撐柱架高出二層，用于安放水箱，具體分布情況如圖3 所示。

2 控制系統設計

機器人系統的核心控制部分選用了兩片STM32 單片機，兩機之間采用SPI 通信，以STM32H750VBT6 為主機，STM32F103ZET6 為從機，進行數據互聯。其中主機完成攝像頭的圖像采集與數據處理、機器人關節的協調動作，從站控制機器人避障行進。在攝像頭未發現植株葉片病灶的情況下，小車沿著作業通道以8 m/min 的速度勻速推進，依據四方傳感器檢測到的距離數據自動生成行動軌跡：當作業通道間距大于機身長度的1.6 倍時，機器人在通道盡頭轉彎掉頭，按Z 字形路線行走；作業通道間距如不足機身長度的1.6 倍，則機器人原路退回通道入口后再進入下一個通道。如機器人行走過程中攝像頭檢測到病蟲害葉片，則主機向從機發送中斷申請，小車前行速度減至5 m/min，雙噴頭同時工作，監測噴頭運動至目標點位時加大藥劑噴量，殺滅蟲害。機器人離開帶病灶植株30 cm 后，行駛速度恢復正常。

2.1 避障系統設計

（1）小車行駛進入果蔬大棚入口后掃描左右距離傳感信號，傳感器選型為HC- SR04 超聲波模塊，采用TRIG 觸發方式運行，為主動型測距。工作時，模塊先對外發送8 個40 千赫茲的脈沖，并自動檢測是否有信號返回，如接收到返回信號就從ECHO 口發出一個維系時長為t 的高電平，這里t 是模塊從發出超聲波到接收到回波所經歷的時間。兩測距模塊的返回信號分別連接至從機的PA1/TIM2_CH2 與PA3_TIM3_CH2 管腳，將定時器TIM2 與TIM3 通道2 設為輸入捕獲，記錄返回信號高電平時長后，計算t 與超聲波速度的乘積，即可獲得測試距離。對比左右傳感器的測距結果，小車向距離更遠的一側偏轉90°，并記錄此時旋轉方向為正方向（順時針/ 逆時針），如遇到模塊無返回信號，則重復檢測，若再次無返回，系統將該方位默認為距離更遠的一側。

（2）小車轉彎完成后直線向前行駛，行駛過程中實時比較左右方向的檢測距離，依據檢測結果調整機器人位置：若機器人在入口處左轉，則重點監測小車左側與大棚間距，保持恒定安全距離，小車右側與植株間距不得小于20 cm；如機器人在入口處為右轉，則重點檢測小車右側與大棚間是否保持安全距離，左側與植株間距同樣不得小于20 cm，頭尾兩側預留不足75 cm 的大棚，小車不可行駛。

（3）首趟沿田壟垂直方向直線運行過程中，植株側傳感器每檢測到一次距離突變，計數變量N 加1，初次檢測到側邊距增量超過50 cm 時記為計數原點。隨計數值的增加，不斷疊算相鄰兩點間間距，如SN（1- 2）、SN（3- 4）、SN（5- 6）等，并求得平均值aver，當前置距離傳感器檢測到的距離小于1.2 倍aver 時，若植株側間距大于1 m，則向植株側轉向；如距離達不到，小車倒退，直至條件滿足后轉向。轉向過程中，四周與障礙物間距應保持在15 cm 以上。

（4）進入作業通道后直行，保持左右間距一致，在距離終點75 cm 處掉頭，回到該作業通道入口；通道間距不足1 m，則按原路徑退回通道入口處。如小車是轉向回頭，則在通道入口處沿反方向轉向90°；若是原路返回，則在通道入口處沿正方向轉向90°后，去往下一個通道。

（5）重復步驟（4）直至田壟垂直方向剩余路程小于1.2 倍aver 時，小車掉頭回到大棚入口處，自動停機。

2.2 機器人對靶系統設計

在對靶的過程中及時獲取靶標信息十分重要，需先行采集植株在各個生長階段健康葉片的標本，量化處理后在系統內建檔。機器人工作時，從圖像中分別提取葉片顏色、形狀與紋理信息，同健康葉片進行比對，偏差超過一定范圍則認定為病變區，通過像素定位與攝像頭滑塊定位相結合，鎖定施藥目標，完成病蟲害噴殺。

本設計采用STM32H7+OPENMV 的硬件組合，新一代STM32H750VBT6 配備Cortex M7 架構，最高480 MHz 工作頻率，相較上一代STM32F7 系列產品，在運行速度與存儲空間上都有極大的提升；OPENMV 是一種基于micropython驅動的視覺模塊，集成了OV7725 攝像頭，該模塊優化了機器視覺算法，更適用于MCU，二者相配合，保障了圖像的處理速度。

OPENMV 使用LAB 色彩空間，及亮度- 色軸（綠- 紅）-色軸（藍- 黃），每個顏色的閾值包含了（minL, maxL, minA,maxA, minB, maxB）6 個數據，研究通過對圖像進行逐行掃描，并依據一定的算法標記葉片顏色異常區域，同時統計每一個區域所包含的像素個數，再用標尺轉換就可以得到想要測得的區域面積，剔除面積過小區域之后，余下的便是植株感染病蟲害后的表征區域，至此完成色域的識別，流程如圖4 所示。

視覺模塊完成病灶識別后，主機向從機發出減速申請，小車慢行。機械臂向目標位置移動，電磁閥動作，打開噴頭開關，對病害區域高壓噴灑藥劑，機械臂縱向離開目標區域5 cm 后啟動回程，直至小車駛離目標區域，主機關閉電磁閥進入待機狀態。

3 結束語

瓜果自動施藥機器人是針對大棚爬架類果蔬設計的一款施藥機器人，具有體積小、靈活度高、自適應性強、節省藥劑的優點。獨有的萬向輪設計保證了機器人在狹小的作業通道內靈活轉向；變化的噴頭角度有利于藥劑穿過層疊葉片到達患處；同時結合視覺識別技術，可實現對癥、控量地精準施藥。試驗表明，本研究具有較好的實用性和穩定性，與全面覆蓋型的噴藥系統相比在節省用藥和精準施藥方面具有一定的優勢，但在工作速度上仍有較大的差距，需要在后期的研究中繼續改進優化。