农业播种机器人的设计及试验研究

杨 震

（重庆科技学院，重庆 401331）

未来全球人口攀升，农业消费将会上涨，而农业劳动力却在减少，农业机器人的应用可以缓解劳动力压力，使枯燥且重复性播种任务转为自动化与机械化模式，提高农业播种效率，满足日益增长的农业消费需求。

1 农业播种机器人的设计与工作原理

1.1 零部件设计

农业工程领域现已成功研发出专门的水稻插秧机器人、采摘机器人以及除草机器人等[1]。农业播种机器人中涵盖移动机构和播种机构，底座采用四轮设计方式，方便机器人在不平坦的地形上自由移动，并在曲柄滑块的概念下完成高效播种。关于播种机器人的重要零部件设计，大致内容如下。

1）播种机构的设计。采用曲柄滑块机构完成农作物的播种，在曲柄滑块的作用下，种子被机器人播入土壤，并到达适当的土壤深度，提高种子发芽率。曲柄滑块和种子存储机构之间相互连接，由机器人上的存储容器决定机构运行情况[2]。种子存储容器当中，圆形板凭借着曲柄滑块的运动，让种子成功从容器内分发到软管中，种子通过软管完成播种，每次可播种1粒种子，种子发芽成功率显著提升[3]。设备运行主要有自主和手动两种模式，操作者手动将机器人移动，使其位于播种的最佳位置，再开启自主播种模式，机器人可沿着直线朝前行进，并按照系统既定的行走距离停止，重复播种的操作[4]。

2）电池外壳设计。该部分主要采用铝材料，并安装于机器人的机架处，能够容纳主计算机和电池设备等零件，为各部分模块的工作提供动力，模块外安装防雨触摸屏，在连接器的作用下与车载计算机相关联[5]。

3）驱动机构设计。机器人的驱动模块分别带有1个电机与传动装置，可与转向模块输出轴相连，电机由电机控制器驱动[6]。

4）旋转模块设计。机器人运行时会有多个驱动模块绕着垂直轴旋转工作，以此控制机器人播种时的转动方向，提升机器人机动性能。转向模块主要依靠驱动模块完成机器人方向的调整，与机器人框架或悬挂模块框架相连，旋转模块一般包含直流电机、传输以及电机控制器等部分，控制器可以同时驱动转向电机与驱动模块电机，使其360°旋转工作，保持播种机器人的机动性[7]。

5）传感器安装模块与接口模块。其中安装模块需要固定于机器人的机架上，可承载传感器，在铝型材的作用下将模块滑动到各个位置。不同播种机器人需要用到不同参数的传感器，所以传感器的使用与安装至关重要，电脑连接USB集线器，接口模块可以同时提供一个12 VDC与一个5 VDC的传感器电源，此外还有CANopen设备和电机，设备运行通常不会受到外界因素的干扰[8]。

1.2 功能设计

播种机器人系统功能设计如下：1）自动播种功能，以自动驾驶技术为基础，在GPS伪距差分原理作用下，采用精密播种器完成播种作业，利用PC端线路规划，合理进行参数设置，实现机器人的自主作业。2）人工控制下的播种功能，以ATmega328 MCU作为控制器，在Wi-Fi信号下完成数据传输，可实现在手机App客户端中短程操控。机器人的摄像头可将画面传输到手机端，方便操作人员对播种作业进行调整。3）漏播检测补播功能，凭借着种子和土地可见光差异情况，检测是否有漏播的情况，根据空种穴进行点播，避免误差情况发生。4）作物大数据分析功能，在云数据平台中，以人工控制为前提，依靠环境信息采集系统对播种间距与深度等信息进行自动采集与记录，再经过汇总后为机器人的播种作业实施提供科学参考。

1.3 工作原理

农业播种机器人的整体框架采用了空心方形铝管，各部分零件在螺栓的作用下固定，最终形成了矩形的底座，铝管凭借螺栓穿过基座，此时铝管有着支撑梁的作用，可以减少播种机器人运动时框架的过度摆动，保持机器人结构刚性与运行稳定性。铝管需焊接于底座位置，可支撑直流电机工作，倒U型支架与梁体焊接，以此更好地固定曲柄滑块及相关组件[9]。

使用有机玻璃制作机器人的种植贮藏容器，该材料有着强度高和轻量化的特性，容器底部会有1个洞，其中连接橡胶软管，种子就是通过软管分发到具体播种路径中，完成种子的自动播种操作。贮藏容器右侧位置会有圆形孔，用来安装分苗机构的构件，曲柄滑块及连杆由PLA长丝打印，使播种机构不会受到腐蚀性影响，与机器人的底座相连，电机被固定于支架处，L298N电机驱动器和单片机之间有效连接。机器人工作期间，直流电机对曲柄进行转动，驱动注射杆插入地面，种子被播到土壤深处。旋转曲柄滑块，随后圆形板旋转，铲斗挑起了种子，种子被送到播种路径内，完成播种操作[10]。

2 农业播种机器人的系统设计与实现

2.1 系统设计

2.1.1 电路系统设计

机器人采用3 000 mAh可充电12 V锂电池，这是一种可充电电池，能够与Arduino Mega微控制器相连，为机器人的电子元件工作提供充足的动力。操作人员可以在电路系统中控制机器人播种作业开关，从而节约能耗，提高资源利用率。

2.1.2 控制系统设计

机器人的控制系统当中，直流电机拥有高扭矩特性，后期维修成本较低，控制系统包含4个变速直流电机，其额定电压为5 V，电流为0.2 A，可驱动轮子前进，推动底座运动，使机器人在各种路面或粗糙土壤中前进。直流电机由L298N驱动器构成，可控制电机运行速度与方向，并从微控制器端接收信号，再将电流控制信号转为高电流信号，以此达到驱动电机的目的。驱动器的工作功率较高，可驱动通道中额定电压与电流分别为35 V与2 A的电机工作。单片机在数字信号作用下，将指令传递给驱动器，实现对旋转方向和转速的有效控制。

控制器能够对机器人的田间运动轨迹加以操作，并采用无线Play Staion2控制器，直流电机由PWM进行速度调节，这是一种脉宽调制技术。智能控制系统经过Arduino IDE编程和Mega微控制器使用，使控制器和驱动器固定于机器人前端。机器人可以朝着前后左右4个方向移动，停止功能可以让机器人在等待下一个命令期间保持静止状态。微控制器内包含自主模式，使机器人沿着直线自主移动，在系统设定的行程距离下进行播种。PS2控制器可以对机器人的运动进行控制，通过箭头按钮操控机器人运行方向。

2.1.3 机器人直线校准

采用增量式PID控制算法，即数字控制器输出为控制量的增量ΔUk，关于PID控制器的理想化方程大致如下：

上述公式当中，e(t)和u(t)分别指的是控制器输入与输出信号；Kp指的是控制器的比例系数；Ti是积分时间常数；Td是微分时间常数。Ti较短的时候，可经过离散化将方程转为差分方程，经过累加代替积分，以矩形积分代替连续积分近似值的方法，得出增量式PID控制算法。

采用数字指南针完成机器人直线校准，利用系统中的磁场检测模块，根据地球磁场的实际变化情况掌握机器人所在方位，再以0～360的数字表示方位信息，将检测到的数据传输给终端。0与360表示的是正东方向；90和180分别代表正南与正西方向；270代表正北方向。如果将机器人设定为正东方向播种，随后进行增量式PID控制器应用下的运行播种，延时时间为2 s，使用指南针对机器人行进方向做出调整。如果0＜θ≤180，需逆时针调速，让机器人回归正东方向；如果180＜θ≤360，需顺时针调速。

2.2 程序测试分析

农业播种机器人的测试会有专门的试验地点，共两条长度为20 m的播种路径，机器人在起始点，朝着红色箭头的方向移动并进行播种作业。将系统设定成自主模式，播种机构会按照5 km/h的速度直线行走20 m，植株间的间隔保持在0.2 m。完成第一个播种路径后，机器人操作停止，人员手动操作，将机器人带到第二个路径继续自动播种作业。

2.3 系统实现

通过对播种机器人的优化设计，最终系统实现如下：

1）运动系统，播种机器人多为车式或者轮形，后桥两轮属于驱动轮，前桥属于转向轮，12 V直流电机是系统的驱动设备，通过与减速箱的衔接可增加扭矩，从而提升机器人对于高负载作业条件的适应性，应用双H桥电路进行运动系统的控制，采用锂电池，在机器人上部安装太阳能板，实现对太阳能资源的高效利用，尽可能地降低对电池的消耗。

2）播种系统，如今的播种机器人正朝着精密化与智能化的方向发展，可实现单粒种穴播种，采用单粒穴播种器，每个种穴内放置1粒种子，避免出苗之后进行间苗作业，使作物营养面积更加均匀。机器人的中耕作物行距偏宽，需根据实际情况做出调整，所以穴播机会应用单体形式，多个单体按照行距要求安装于同一横梁处，最终形成了行数与幅宽各不相同的穴播机。

3）漏播检测补播系统，以三原色原理为基础，在TCS3200D传感器的作用下检测种穴内的颜色，再将检测到的信号返回给控制系统，系统经过色彩信号处理后确定是否存在漏播的情况。如果种穴属于空穴，那么控制系统将会向机器人发出指令信号，驱动点播机进行补播。点播机械包含播种嘴、种斗以及舵机开关三部分，播种嘴位于地面上方位置，可对种穴播种；种斗能存储种子；舵机开关可控制播种嘴。

4）环境交互系统，以采集环境信息为目的，对信息展开信号处理，从而规避障碍，实时返回工作画面，将播种信息及时上传到云数据库中。机器人自主播种时采用时间差距法检测前方是否有障碍物，以便在惯性导航系统的作用下躲避障碍物，躲避动作后再次回到RRT算法，继续完成系统设定的播种作业。

3 农业播种机器人试验研究

3.1 播种性能测试

为更好地验证机器人在田间的播种作业效率，将设备5 min之内的播种数量同人工播种的数量进行对比。采用玉米种子进行试验，按照机器人运动速度与播种机构运行速度，每分钟可以播种30粒，5 min可播种150粒。因机器人在操作期间存在着一定的不确定性或精度误差，所以实际播种数量会有差异。试验期间，播种机器人可以将138粒种子播到土壤内，成功率可以达到92%，与人工播种相比，作业效率提升35%，具体试验情况如表1所示。

表1 农业播种机器人播种操作试验 单位：粒

3.2 电池寿命测试

对机器人展开电池寿命测试分析，确保电池可以长时间工作。自主模式中，机器人连续运行，到达测试路径的终点时，试验操作人员手动操控机器人，将其放置在第二条路径继续播种作业，重复上述操作，最后得知机器人从满电量一直到耗尽所有电量需要4 h，这一数值可以满足机器人基本播种作业需要。

4 总结

总而言之，本研究以农业播种机器人为研究对象，采用四轮设计模式，使机器人在各种土壤环境中移动。播种机构应用曲柄滑块使种子种植在土壤内，经过田间试验，得知机器人5 min可播种138粒，成功率可达到92%，省时省力，可提升播种效率。