先进农业机器人杂草控制系统

Prof.V.A.Kulkarni¹,先生。Ajit G Deshmukh²

印度马哈拉施特拉邦奥兰加巴德贾瓦哈拉尔·尼赫鲁工程学院电子与技术系助理教授
印度马哈拉施特拉邦奥兰加巴德尼赫鲁工程学院电子与技术系研究生

摘要

本文介绍了一种可在农业生产过程中实施的新系统。电子系统通过使用自动驾驶汽车来改善不同的农业过程，如杂草控制、种植、收获和喷洒，从而提高速度、准确性和寿命。我们研制了一种由直流电动机和红外传感器组合驱动的四轮机器人。该车辆将根据作物的不同，在固定距离上考虑特定的每列，从而控制农场中的杂草，并检测车辆路径上的障碍物。整个算法、计算、处理、监测均采用电机和传感器与单片机接口进行设计。

介绍

在现代全球化中，许多技术都试图在自动化的基础上更新新的发展，这种自动化工作非常严格，高效，在短时间内完成。目前，本课题的研究方向是开发在农业生产过程中，在正确的时间、正确的地点、正确的数量进行正确思考的智能机器。该项目的主要目标是开发车辆和控制单元，并有可能使用不同的传感器技术。我们想测试车辆和控制单元，并证明机器人有能力在野外条件下沿着路径前进。

今天，农业生产对环境的影响非常受关注，对该行业的需求也在不断增加。农产品产量在增长，竞争也越来越大，因此农民必须非常高效才能参与竞争。与此同时，消费者和立法对减少农药和化肥使用的要求也在增加。因此，农民不得不在田里使用高科技进行除草、喷洒等，早期的除草是手工完成的，但今天既不赚钱，也不可能获得足够数量的劳动力来完成这项工作。在这个项目中，将开发一种自动农用车，用于测试和开发传感器、工具和信息技术。

到目前为止，减少除草剂使用的目标集中在减少除草剂剂量或用锄地和耙地取代化学除草。农业生产对环境的影响已成为人们关注的焦点，而竞争对农业生产效率提出了更高的要求。几年前，除草是人工进行的，不使用杀虫剂。随着具有杂草检测传感器的自动农用车的发展，将再次有可能避免使用农药。传统的杂草控制策略是对整个农田施用相同剂量率的除草剂或相同强度的物理处理。

为了获得有效和准确的杂草控制系统，它们必须针对田地的特定部分进行开发。作物成行种植的田地可分为三个除草目标区域:(i)行之间的区域(行间区域)(ii)行内作物幼苗之间的区域(行内区域)，以及(iii)靠近作物幼苗及其周围的区域(近作物区域)。现在，最具挑战性的问题仍然是清除行内和靠近作物的杂草。到目前为止，还没有针对行内或靠近作物的区域开发出商业选择性机械方法，因此，10%至20%的田地必须通过带状喷洒或人工除草来控制。针对特定地点的杂草控制的主要障碍是缺乏对作物和杂草植物的自动化检测和分类。光学传感器能够通过分析图像和/或多光谱信息来区分植物物种。这些传感器和处理方法是近年来得到大力发展的。对于大多数杂草控制要求来说，这个结果仍然是不可接受的。机器人除草的一个重要元素是要求实现高度精确的控制，特别是在靠近作物的区域。因此，自动控制或自动驾驶车辆对于机器人除草的实施至关重要。 The vision of the ongoing research project is to contribute to the development of novel weeding technologies that can reduce manual efforts and herbicide.

耕作过程中的机器人除草系统

下面的描述被组织为机器人除草项目中的工作包。不同的合作伙伴负责实现具体的一揽子目标。

A.种子地理参考

通过在机器的每个播种单元上集成高精度定位系统和种子探测传感器，可以创建地理参考种子地图。在播种过程中，撒入犁沟的种子位置被记录下来并存储在计算机存储器中。

B.植物识别

植物中心位置的识别(理想情况下是茎穿透土壤的位置)和植物叶片位置的识别是机器人除草操作的重要前提。为了物理清除或处理杂草，将作物损害降到最低，有必要获得关于作物和杂草植物位置的准确信息。系统集成包括除草参数的定义和技术框架的规范。除草系统的重点目标区域将是行内和靠近作物的区域。通过使用自动控制平台来执行除草任务，还可以包括众所周知的和发展良好的行间锄地，以实现针对所有三个区域的完整系统i)行间，ii)行内和iii)靠近作物区域。除草应用的平台要求与行内除草或临近作物除草不同。播种、行内耕作和割草等作业需要较高重量、速度和功率的工具，而单株处理如采摘和微喷将以较低的速度和较轻和较小的工具进行。这些模块包括到传感器、低级和高级控制器等的接口。在此基础上，已经开发出了一种适合野外条件下研究的车辆实时控制系统。该车采用4-WD驱动，这使得测试不同的转向策略成为可能。 The vehicle is specially designed for in-row driving; this has been achieved with the use of in-wheel motors. The vehicle can drive in row crops wit during the development of mechanics, electronics and software we have focused on making the vehicle flexible. The choice of technology for the various functions has big impact on functionality, flexibility and performance. During the development process we have had safety in the back of our minds and put an effort in eliminating or reducing the risks concerning an autonomous vehicle.

机器人可分为四个主要模块:

1.一种作为平台的车辆，用于携带如排除草用的除草工具。车辆可以配备如下所述的控制模块。

2.一个控制单元，从视觉输入，其他必要的传感器为车辆和工具提供必要的控制信号。

3.一种视觉系统，用于检测作物相对于车辆位置的位置。

视觉系统的开发并不是首要目标。因此，我们想让视觉系统变得简单，它应该能够识别地面上与地面有良好对比的点。应该可以用更先进的作物识别模块来取代这个简单的模块。

方法

本课题主要介绍先进农业系统中采用单片机控制的农田杂草控制过程。根据作物类型或栽培类型，以每行固定标准距离为基础的杂草控制技术。该技术的另一个主要部分是传感器部分。该传感器能够很好地识别作物线之间的杂草以及农场的完成情况，并将机器人车辆转到每列的下一行，并跟踪农场的剩余部分。

控制除草机器人车辆作为先进农业系统的硬件结构如图1所示。该系统包括1个颜色传感器、2个直流电机、2个伺服电机，整个系统由单片机组成，按照硬件设计进行控制。直流电动机的工作原理是基于简单的电磁，用来给车辆的车轮提供能量。

根据直流电机轴的每分钟转数，在一定距离内驱动车辆，控制杂草刀具电机即伺服电机工作。

当直流电机启动时，车辆沿两割线之间的特定柱移动。所述颜色传感器连接于机器人的前端;另一个在左侧，用于控制车辆的运动。除草的过程从感知机器人车辆前面杂草的颜色开始，一旦颜色传感器感知到颜色，然后控制器根据颜色传感器提供的信息工作，并向后面的除草工具发出指令，然后机器人车辆，工具移动到下方位置。如果彩色传感器不行

感知杂草的颜色，杂草控制工具处于向上位置，节省能量，这意味着如果在两行作物之间有杂草，那么颜色传感器感知到颜色，然后只有杂草切割工具处于向下位置，否则杂草切割工具处于向上位置。该过程的机制包括一个杂草切割工具。

除草工具垂直插入特定深度的土地，相应的红外传感器中断，并通过模数转换器将信号发送给单片机。如果杂草控制工具没有插入土地，单片机得到理解。有两种情况下感知传感器为-

情况一:杂草存在:

如果任何杂草存在，颜色传感器被自动触发，并将该指令读取到微控制器，将杂草控制工具转向向下的方向(如第四(B)节所述，如果在作物行之间没有任何杂草存在，则颜色传感器再次将该指令读取到微控制器，将杂草控制工具转向向上的方向，进一步处理它。

案例二:农作物企业竣工:

如果两侧传感器没有任何信号，那么控制器可以理解作物土地已经完成，它将移动到柱子的最后一端。在那个位置，它尝试移动270ÃÂ()，但不能成功，微控制器理解移动下一列和相反的方向。现在它再次检查情况(I)并进一步移动。这两种情况反复出现。当车辆逐列移动时，伺服电机根据直流电动机转数的驱动段，选择带有上下位置机构的轴，服从伺服电机的指令。不同的除草工艺需要不同的距离，由伺服电机驱动部分控制。

案例三:存在障碍:

如果在行驶过程中遇到坚硬的岩石等障碍物，红外传感器自动触发，并将该指令传送给单片机，使机器人车辆停止行驶，由检查人员清除障碍物，机器人车辆再次启动。

机器人系统

机器人是一种机械的人工代理。它通常是一个机电系统，传达一种感觉，它有自己的代理。它是一种通过软件编程，自动完成复杂任务的设备。

1.机器人车辆设计:

在本课题中，采用简单的技术对农业机械进行结构设计。如图2所示，展示了车辆的设计。

它有四个单独驱动和操纵的轮子。这些轮子分别由两个直流电动机驱动，提供直接驱动，无需齿轮传动。还有两个滑动轴承，分别连接到前轮和本体上，使前轮能绕轴承在+450或-450之间旋转。所有直流电动机都是通过单片机电路进行直流供电。颜色传感器设置在车辆的前端，用于感知行驶途中杂草的颜色，并通过伺服电机向单片机提供指令，控制杂草刀具的运动。杂草控制工具安装在组件的背面，如图2所示。由伺服电机控制，用于切割作物两柱之间的杂草。在除草区段，通过伺服电机和红外传感器将除草工具放入地面，通过红外传感器检测除草工具是否放入地面。如果在此过程中检测到任何错误，如除草工具没有掉在地上，电池备份问题等，则鸣叫蜂鸣器并在显示板上显示故障。

2.路径控制:

在农业环境下，重型或重载车辆在崎岖不平的道路上不易移动，因此本项目设计了小型车辆，采用直流电机驱动。对于车辆的路径控制，需要预先定义，如图3所示。之前，车辆沿直线行驶至第一列，犁完后，车辆旋转1800，选择第二列继续前进。保持机器人车辆位置在两条线之间的作物有两个传感器,感官作物线之间的距离和边缘的机器人如果距离向的一个方面是降低然后距离向另一边增加车辆略微走向附近增加一面保持的距离大约相同的距离向的一边,然后机器人前进方向移动,为了确定所有电机的瞬时值,采用刚体速度分析。平动时，前两个车轮纵向方向相对于车身方向相同，两个车轮旋转为;旋转时，各车轮纵向轴相对于车身方向为+450或-450。

在前馈和反馈两种情况下，利用MATLAB对直流电机进行控制、建模和分析。

采用框图表示方法，得到直流电机控制传递函数方程，如图4所示。转向电机和驱动电机的控制输入采用反馈控制系统定律计算

在那里,

Gv (s) -闭环增益

W (s) -角速度

V (s)——输入电压

算法实现

机器人农用车和整个系统的操作算法实现如下

1.启动机器。

2.选择以米为单位的垂直距离。

3.在液晶显示板上显示两条割线与机器人之间的距离。

4.检查颜色传感器是否打开或关闭。

5.若关闭，蜂鸣器开启，直流电动机关闭。若开启，则启动直流电机。

6.车辆根据作物线之间的距离开始向前移动。

7.在加工过程中，如果一侧的距离比另一侧缩短，则将机器人稍微向另一侧移动，并保持割线与机器人之间的距离向机器人两侧移动。微控制器给车辆指令，直线行驶。

8.如果颜色传感器在犁耕线完成后检测到作物线之间的杂草颜色，则车辆向右侧旋转1800向后退。它会再次转到步骤no。犁过的土地的尽头。

实验结果

为验证所研制的导向自动化系统的性能，在螺帽、jawar、小麦等地进行了一系列自动化机器人导向试验。用单行播种机以类似方式种植上述作物10行。我们测试了以下结果

1.车辆的速度取决于湿度:

车辆的速度只取决于土壤的湿度水平。我们对车辆的速度采取了不同的结果，如图5所示。红色的柱状图显示了这些种子的标准水分水平。红色列定义了如下所述的良好性能特征。

2.直流电机转速转矩特性:

直流电机为12V转速60rpm。该图显示了直流电机到满载时的转矩速度特性。它是通过将电枢电压从1V线性增加到12V而获得的。如图6所示。

3.有反馈和无反馈的直流电机转速分析:

该图显示了两种降低角速度(ω)对负载变化的灵敏度的技术，即相对于电机负载的扭矩变化。该图将闭环波德图与返回e.m.f.常数(Eb=0.085)时的模拟进行了比较。前馈和反馈的仿真如图7所示。

4.绿色强度传感器:

绿色传感器的输出是通过考虑不同的色度和其强度得到的，如图8所示，这表明随着绿色从传感器中出来的百分比的增加，也会发生相应的变化。

下表明确了，不同的值显示在LCD显示屏上。

5.有负载和空载时电流和电池放电时间。

表2显示了直流电机和单片机、伺服电机、颜色传感器、红外传感器消耗的电流，由此我们可以计算出电池有负载和无负载的放电时间。空载时的计算公式为

放电时间=电池电流mAH /电路总消耗电流mA。

未来实现

该系统可通过湿度传感器检测农田水分，并根据种子及其需求调节土壤中特定的水分(即土壤湿度)。在向该系统供水时，可自动增加土地土壤水分。该系统还可以进一步改进，用于测量作物生长、杂草流行率、杂草类型等各种农业参数。此外，还可以通过GSM系统对一个或多个系统进行监控。

结论

本文介绍了实现未来精准自主农业系统的要求和进展。该组件是为耕地自动除草系统而开发的，无需人工。该项目由两种不同的机制组成。第一机构包括车辆及其运动的组装，其中第二机构是将中间的杂草切割成作物线。采用单片机对车辆的系统运动过程进行控制和监控。采用直流电机和伺服电机控制。该系统还通过红外传感器检测车辆路径上的障碍物。也可用于车辆在陆地末端的转向位置传感。由于不需要人力和高速度的操作，它有进一步扩大的空间。

表格一览


表1	表2

数字一览


图1	图2	图3	图4

图5	图6	图7	图8

参考文献

《机器人农业——农业机制的未来》，《农业技术》，皇家兽医和农业大学，2005年。

H. Pota, R. Eaton, J. Katupitiya, S.D. Pathirana，“农业机器人:一种实现自主农业的简化方法”，第二届工业与信息系统国际会议，ieee, 2007。

R. Eaton, R. Eaton, J. Katupitiya, S.D. Pathirana，“自主农业:统一框架下的农业机械建模和控制”，第15届机械电子与机器视觉实践国际会议，新西兰，2008。

刘成亮，王明军，周军，“农用车辆的单轮速度和转向角度协调控制”，机械工程学报，2008。