智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人的研制_李毅.pdf

第 卷第 期年 月中國農(nóng)機化學(xué)報 ：智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人的研制李毅 ，李映君 ，季亞楠 ，何為凱（濟南大學(xué)機械工程學(xué)院 ，濟南市 ，）摘要 ：針對傳統(tǒng)溫室大棚參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)大量布線 、檢測不便等問題 ，設(shè)計一種環(huán)境參數(shù)采集機器人 ，可用于溫室大棚內(nèi)的參數(shù)檢測 。采用載重量大 、行駛穩(wěn)定 、越障性強的鋅合金材料作為該機器人車載底盤二驅(qū)履帶 。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度 、濕度等傳感器組成 ，用來實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)檢測 。通過應(yīng)用 無線傳輸技術(shù) ，實時傳輸視頻圖像以及檢測到的環(huán)境參數(shù) ，基于 來實現(xiàn)機器人的前進 、后退及轉(zhuǎn)向的控制 。結(jié)果表明 ：采用 通信模塊作為數(shù)據(jù)通信的媒介并搭載 自動導(dǎo)引裝置的參數(shù)采集機器人 ，對實現(xiàn)在溫室大棚中的隨時參數(shù)監(jiān)測 ，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ，降低人工勞動有重要作用 。關(guān)鍵詞 ：溫室大棚 ；機器人 ；參數(shù)采集中圖分類號 ：文獻標識碼 ：文章編號 ：（）李毅 ，李映君 ，季亞楠 ，何為凱 智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人的研制 中國農(nóng)機化學(xué)報 ，（）： ， ， ， ，（）：收稿日期 ：年 月 日修回日期 ：年 月 日基金項目 ：山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目 （）第一作者 ：李毅 ，男 ，年生 ，山東新泰人 ；研究方向為機器人 。：通訊作者 ：李映君 ，男 ，年生 ，山東萊陽人 ，博士 ，副教授 ；研究方向為傳感器技術(shù) 。： 引言在溫室大棚中 ，農(nóng)作物的生態(tài)環(huán)境對農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有很大的影響 。其中溫度濕度對不同生長期植物的影響也不盡相同 。溫度通過影響植物的光合 、呼吸 、蒸騰等代謝過程 ，濕度通過影響植物吸水和蒸騰等代謝過程。因此精準的采集溫室大棚參數(shù) ，一方面也可以及時了解農(nóng)作物的生長環(huán)境和狀況 ，另一方面可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來對大棚內(nèi)遮光板 、淋管器 、加熱器等設(shè)備進行調(diào)節(jié)。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中 ，為了解溫室環(huán)境中的變化規(guī)律 ，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量 ，加快農(nóng)作物的生長 ，獲得優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物 ，需要對大棚中參數(shù)進行檢測 ，通過計算機等后臺軟件 ，對溫室環(huán)境進行控制 ，這就是智能化溫室環(huán)境控制技術(shù)。發(fā)達國家設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化程度較高 ，已具備技術(shù)配套 、設(shè)備完善 、生產(chǎn)規(guī)范 、產(chǎn)量穩(wěn)定 、質(zhì)量過硬等特點。其中日本 、荷蘭 、美國 、以色列等國家的植物工程通過計算機將溫室內(nèi)的溫度 、濕度 、二氧化碳濃度和養(yǎng)分等控制到最適宜植物生長的水平 。以色列在作物附近都安裝傳感器以測定水 、肥情況 ，并利用節(jié)水灌溉技術(shù)和光熱資源的優(yōu)勢 ，結(jié)合測定的參數(shù) ，對溫室進行管理。近年來 ，日本研發(fā)了一種遙感溫室環(huán)境控制系統(tǒng) ，實現(xiàn)了更大范圍內(nèi)的溫室自動化管理。荷蘭由于其地理位置 ，溫度變化小 ，因此溫室內(nèi)的降溫 、通風的問題考慮較少 ，更多的研究在于采光等控制 ，溫室內(nèi)有工業(yè)計算機用于實現(xiàn)氣候的控制 、灌溉 、施肥等等作用。隨著計算機通信技術(shù)以及各類型傳感器技術(shù)的快速發(fā)展 ，現(xiàn)代化溫室環(huán)境參數(shù)采用智能化監(jiān)測系統(tǒng)的研究已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個研究熱點。但我國傳統(tǒng)大棚中監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器均采用有線方式連接 ，且大量布線困難 ，不利于農(nóng)作物耕作。因此 ，采用通信模塊作為數(shù)據(jù)通信的媒介并搭載自動導(dǎo)引裝置的參數(shù)采集機器人 ，對實現(xiàn)在溫室大棚中的隨時參數(shù)監(jiān)測 ，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ，降低人工勞動有重要作用 。 機器人整體系統(tǒng)組成 整體系統(tǒng)設(shè)計智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人 ，主要由車載底盤 、攝像機模塊 、參數(shù)采集模塊 、控制主板 、底盤驅(qū)動模塊 、電源管理模塊 、無線通信模塊組成 。可以根據(jù)溫室大棚數(shù)據(jù)采集的需要 ，采用自動導(dǎo)引裝置作為環(huán)境參數(shù)采集傳感器的載體 ，實現(xiàn)在溫室大棚中的隨時參數(shù)監(jiān)測 ，通過無線傳輸技術(shù) ，實時傳輸視頻圖像和傳感 中國農(nóng)機化學(xué)報 年器采集參數(shù) ，實現(xiàn)在溫室大棚中的隨時參數(shù)監(jiān)測 ，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ，降低人工勞動有重要作用 。機器人的系統(tǒng)設(shè)計流程圖如圖所示 ，系統(tǒng)簡圖如圖所示 。圖 總設(shè)計流程圖 圖 機器人系統(tǒng)簡圖 提攜手柄 車燈 無線接收裝置 攝像機模塊參數(shù)采集模塊 履帶 充電插座 無線通信模塊控制主板 電源管理模塊 底盤驅(qū)動模塊 機械系統(tǒng)設(shè)計為了滿足靈活性 、平穩(wěn)性的要求 ，該機器人車載底盤采用載重量大 ，行駛穩(wěn)定 ，越障性強的鋅合金二驅(qū)履帶 ，使得小車平穩(wěn)性能較高 。攝像頭能實時地采集數(shù)據(jù) ，傳遞給后臺管理系統(tǒng) ，對環(huán)境變化做出合理調(diào)整 ，以適應(yīng)大棚內(nèi)崎嶇不平 、復(fù)雜的路況。圖為系統(tǒng)的拓撲圖 。圖 系統(tǒng)拓撲圖 該機器人車載底盤作為各種設(shè)備儀器的載體及行走裝置 ，采用攝像機模塊實時采集行走路徑的圖像 ，圖像處理實現(xiàn)道路及障礙物判斷實現(xiàn)自動行走 ；參數(shù)采集模塊實現(xiàn)對棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集 ；底盤驅(qū)動模塊實現(xiàn)車載底盤的前進 、后退及轉(zhuǎn)向控制 ；電源管理模塊實現(xiàn)對車載電源的充放電管理 ；通信模塊是車載機器人與后臺軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的媒介 。圖為智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人的實物圖 。圖 機器人的實物圖 行為系統(tǒng)設(shè)計智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人的最終目的是通過設(shè)計和程序自動控制機器人的自主移動 ，準確無誤的完成參數(shù)采集的任務(wù) 。 自動控制移動設(shè)計此機器人采用自動導(dǎo)引裝置來進行自動控制移動 ，在行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板 ，進入導(dǎo)引區(qū)域后 ，先通過激光掃描器發(fā)射激光束 ，并同時采集反射板反射的激光束 ，來確定其當前的位置和方位 （，），并通過連續(xù)的三角幾何運算來實現(xiàn)的自動導(dǎo)引 。激光導(dǎo)引連續(xù)位置計算的數(shù)學(xué)運動模型是以 “呆板估算 （ ）”為基礎(chǔ)的 ，首先利用機器人當前運行的速度 ，轉(zhuǎn)向的角度 ，間隔的時間等參數(shù)對下一位置進行估算 ，計算出的是相對于前一位置的新位置 ，每次計算都包括根據(jù)運動模型估算小車的當前位置 ，根據(jù)估算的新位置關(guān)聯(lián)反射板 、根據(jù)關(guān)聯(lián)的反射板修正自身位置。其技術(shù)參數(shù)如表所示 。表 激光導(dǎo)引參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值型號 尺寸 （長寬高 ）××××重量 工作電壓 功耗 防護等級 環(huán)境溫度 適配傳感器 德國 、日本北陽第 期 李毅 等 ：智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人的研制 環(huán)境參數(shù)采集設(shè)計采用溫濕度傳感器實現(xiàn)對大棚內(nèi)的溫度 、濕度采集 。溫濕度傳感器的溫度采集范圍為，濕度采集范圍為。采用二自由度高清攝像頭 ，實現(xiàn)實時圖像的采集 ，利用雙舵機構(gòu)建雙軸系統(tǒng)實現(xiàn)二自由度 ，并可根據(jù)需要自動或遙控調(diào)整攝像頭角度 。溫濕度傳感器技術(shù)參數(shù)如表所示 。表 溫濕度傳感器參數(shù) 相對濕度傳感器 參數(shù)值 溫度傳感器 參數(shù)值分辨率 分辨率 重復(fù)性 重復(fù)性 ±精度 ，；± 量程范圍 遲滯 ±響應(yīng)時間 通信模塊是車載機器人與后臺軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的媒介 ，負責傳輸傳感器測得的環(huán)境參數(shù)以及攝像頭拍攝的實時傳輸視頻圖像 。模塊通過串口與主控芯片相連 ，把芯片發(fā)出的命令傳遞給執(zhí)行機構(gòu) 。該模塊采用高通芯片 ，運行系統(tǒng) ，可長期穩(wěn)定運行 。模塊外圍電路非常簡單 ，僅需加上電源 ，即可讓系統(tǒng)啟動 ，并可通過控制 。采用排鍍金排針接口 ，一排有個 ，高度為，可非常穩(wěn)定的固定在底板上 。該模塊可以實現(xiàn)視頻傳輸及指令雙向傳輸功能 。其上預(yù)置工作室 固件 ，適配工作室各系列驅(qū)動板 ，具有體積小 、功耗低 、發(fā)熱量小 ，網(wǎng)口傳輸性能穩(wěn)定的特點 ，可以滿足視頻傳輸?shù)膸捯?。通信模塊的技術(shù)參數(shù)如表所示 。表 通信模塊參數(shù) 產(chǎn)品型號 支持操作系統(tǒng) （）處理器 系統(tǒng)頻率 無線傳輸距離 （空曠地帶 ） 控制系統(tǒng)設(shè)計控制軟件是以計算機為后臺操作平臺的 。機器人中通過傳感器測得的環(huán)境參數(shù)以及攝像頭拍攝到的實時視頻圖像 ，通過通信模塊傳輸給控制操控軟件 。除了采用自動導(dǎo)引外 ，也可通過小車控制來實現(xiàn)機器人的前進 、后退及轉(zhuǎn)向功能的控制 。 控制主板設(shè)計采用位高速處理器 主控開發(fā)板 ，通過嵌入式開源操作系統(tǒng) ，提高系統(tǒng)的開放性及二次開發(fā)性 ，實現(xiàn)圖像實時處理 、平臺運動姿態(tài)控制 、參數(shù)實時采集及通信控制等功能 ，控制主板是車載平臺的大腦 。其具有路數(shù)字輸入輸出 ，適合需要大量接口的設(shè)計 。處理器核心是，同時具有路 數(shù) 字 輸 入 輸 出 口 ，路 模 擬 輸 入 ，路接口 ，一個晶體振蕩器 ，一個口 ，一個電源插座 ，一個 和一個復(fù)位按鈕 。板上有支持一個主控板的所有資源 。 后臺軟件設(shè)計后臺軟件采用架構(gòu)設(shè)計 ，具有安全性高 、數(shù)據(jù)處理能力強的特點 。后臺軟件具有視頻實時監(jiān)控 錄像 回放 、參數(shù)實時顯示 存儲 歷史數(shù)據(jù)查詢 、車載機器人運行軌跡設(shè)定 、車載機器人參數(shù)設(shè)定 、手動控制等功能 。圖 后臺軟件窗口 雙路電機驅(qū)動板采用的驅(qū)動板的具有極小的尺寸 ，僅×并支持電機電壓，欠壓保護 。雙路電機接口 ，每路額定輸出電流，其控制信號與電機驅(qū)動芯片邏輯相似 ，每路都支持三線控制使能 、正反轉(zhuǎn)及制動 ，使能信號可外接，正反轉(zhuǎn)控制信號可串聯(lián)限位開關(guān) ，具有有靜電泄放回路的特點 。其技術(shù)參數(shù)如表所示 。在控制信號接口處 ，不同的輸入信號則可以驅(qū)動不同小車的運動方式 。和為控制信號電源 ，如果控制信號為，那么接；、分別為電機接口和電機接口的使能信號 ，可以外接；為兩路電機正反轉(zhuǎn) 、制動 （或稱剎車 ）控制信號 ?？刂七壿嬋绫砗捅硭?。其中為低電平 、為高平 、×為任意電平 ，懸空時為高電平 。 中國農(nóng)機化學(xué)報 年（）正面（）反面圖 電機驅(qū)動板說明圖 使用峰值 大功率 值 電機接口 額定輸出電流 電機接口 額定輸出電流 使用光耦對全部信號進行隔離控制信號電源指示燈 控制信號接口可使用常用的 間距 壓線頭 、排母或杜邦線進行連接電源接口電源指示燈 尖峰電壓抑制 優(yōu)質(zhì)長壽命阻電容欠壓保護 門電路驅(qū)動控制邏輯 靜電泄放回路表 電機驅(qū)動板參數(shù) 名稱 參數(shù)輸入電壓范圍 輸入通道數(shù) 路 每路額定輸出電流 每路瞬間峰值電流 控制信號電壓 每路控制信號電流 輸入 信號頻率范圍 輸入 最小脈寬 工作溫度 表 電機接口 控制信號邏輯 、輸出 × 剎車 × 懸空 正轉(zhuǎn)調(diào)速 反轉(zhuǎn)調(diào)速 全速正轉(zhuǎn) 全速反轉(zhuǎn)表 電機接口 控制信號邏輯 、輸出 × 剎車 × 懸空 正轉(zhuǎn)調(diào)速 反轉(zhuǎn)調(diào)速 全速正轉(zhuǎn) 全速反轉(zhuǎn) 結(jié)語針對溫室大棚中 ，因大量布線而不利于農(nóng)業(yè)耕作 、耗費人力的環(huán)境參數(shù)檢測問題 ，設(shè)計了一款智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人 。該機器人可以自主進入待測區(qū)域大棚 ，進行溫濕度檢測 ，并通過信號將數(shù)據(jù)傳輸給中央控制系統(tǒng) 。未來可以將機器人推廣出去 ，因其運動范圍廣 ，參數(shù)采集精度高 。故可以根據(jù)實時的參數(shù)變化 ，利用中心計算機進行數(shù)據(jù)分析 ，極大的方便了遙控灌溉和施肥 ，對降低人工勞動有重要作用 。參考文獻張慧 ，烏蘭巴干生態(tài)環(huán)境對植物生長的影響及其環(huán)境的監(jiān)測 農(nóng)村牧區(qū)機械化 ，（）：李敏 ，曾明 ，孟臣 ，等溫室大棚單片機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報 ，（）： ， ， ， ，（）：呂芮棟溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計西安：西安工業(yè)大學(xué) ， ： ，姚於康發(fā)達國家設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、趨向和啟示 世界農(nóng)業(yè) ，（）：姚於康國外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、基本經(jīng)驗及其借鑒 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) ，（）：劉靜基于環(huán)境參數(shù)的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究重慶：西南交通大學(xué) ， ： ，呂小征 ，馮岷生基于 的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 電子科技 ，（）： ， ，（）：郭亮基于嵌入式技術(shù)和無線傳感技術(shù)的大棚溫室參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng) 沈陽 ：沈陽工業(yè)大學(xué) ， ： ，楊 磊 ，宋 欣 ，胡 文 韜 等預(yù)警勘探機器人的設(shè)計與試驗 兵工自動化 ，（）： ， ， ， ，（）：第 期 李毅 等 ：智能車載環(huán)境參數(shù)采集機器人的研制 楊文華 ，王勇激光導(dǎo)引 系統(tǒng)原理及應(yīng)用機器 人技術(shù)與應(yīng)用，（）： ， ， ， （ ，）： ， ， ， ， ， ：； （上接第頁 ） ，（）：魏曉明 ，周長吉 ，曹楠 ，等基于光照的日光溫室總體尺寸確定方法研究 北方園藝 ，（）： ， ， ， ，（）：袁余 ，李鵬程 ，李銘 ，等雙層膜日光溫室設(shè)計及其熱性能測試分析 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究 ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， （ ， ，；， ，； ，）： “ “ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ；