智能车载环境参数采集机器人的研制_李毅.pdf

第 卷第 期年 月中国农机化学报 ：智能车载环境参数采集机器人的研制李毅 ，李映君 ，季亚楠 ，何为凯（济南大学机械工程学院 ，济南市 ，）摘要 ：针对传统温室大棚参数监控系统大量布线 、检测不便等问题 ，设计一种环境参数采集机器人 ，可用于温室大棚内的参数检测 。采用载重量大 、行驶稳定 、越障性强的锌合金材料作为该机器人车载底盘二驱履带 。数据采集系统由温度 、湿度等传感器组成 ，用来实现环境参数检测 。通过应用 无线传输技术 ，实时传输视频图像以及检测到的环境参数 ，基于 来实现机器人的前进 、后退及转向的控制 。结果表明 ：采用 通信模块作为数据通信的媒介并搭载 自动导引装置的参数采集机器人 ，对实现在温室大棚中的随时参数监测 ，提高采集数据的质量 ，降低人工劳动有重要作用 。关键词 ：温室大棚 ；机器人 ；参数采集中图分类号 ：文献标识码 ：文章编号 ：（）李毅 ，李映君 ，季亚楠 ，何为凯 智能车载环境参数采集机器人的研制 中国农机化学报 ，（）： ， ， ， ，（）：收稿日期 ：年 月 日修回日期 ：年 月 日基金项目 ：山东省农机装备研发创新计划项目 （）第一作者 ：李毅 ，男 ，年生 ，山东新泰人 ；研究方向为机器人 。：通讯作者 ：李映君 ，男 ，年生 ，山东莱阳人 ，博士 ，副教授 ；研究方向为传感器技术 。： 引言在温室大棚中 ，农作物的生态环境对农作物的产量和品质有很大的影响 。其中温度湿度对不同生长期植物的影响也不尽相同 。温度通过影响植物的光合 、呼吸 、蒸腾等代谢过程 ，湿度通过影响植物吸水和蒸腾等代谢过程。因此精准的采集温室大棚参数 ，一方面也可以及时了解农作物的生长环境和状况 ，另一方面可以根据采集的数据来对大棚内遮光板 、淋管器 、加热器等设备进行调节。现代农业中 ，为了解温室环境中的变化规律 ，提高农作物的产量 ，加快农作物的生长 ，获得优质的农作物 ，需要对大棚中参数进行检测 ，通过计算机等后台软件 ，对温室环境进行控制 ，这就是智能化温室环境控制技术。发达国家设施农业智能化程度较高 ，已具备技术配套 、设备完善 、生产规范 、产量稳定 、质量过硬等特点。其中日本 、荷兰 、美国 、以色列等国家的植物工程通过计算机将温室内的温度 、湿度 、二氧化碳浓度和养分等控制到最适宜植物生长的水平 。以色列在作物附近都安装传感器以测定水 、肥情况 ，并利用节水灌溉技术和光热资源的优势 ，结合测定的参数 ，对温室进行管理。近年来 ，日本研发了一种遥感温室环境控制系统 ，实现了更大范围内的温室自动化管理。荷兰由于其地理位置 ，温度变化小 ，因此温室内的降温 、通风的问题考虑较少 ，更多的研究在于采光等控制 ，温室内有工业计算机用于实现气候的控制 、灌溉 、施肥等等作用。随着计算机通信技术以及各类型传感器技术的快速发展 ，现代化温室环境参数采用智能化监测系统的研究已成为现代农业的一个研究热点。但我国传统大棚中监测系统的传感器均采用有线方式连接 ，且大量布线困难 ，不利于农作物耕作。因此 ，采用通信模块作为数据通信的媒介并搭载自动导引装置的参数采集机器人 ，对实现在温室大棚中的随时参数监测 ，提高采集数据的质量 ，降低人工劳动有重要作用 。 机器人整体系统组成 整体系统设计智能车载环境参数采集机器人 ，主要由车载底盘 、摄像机模块 、参数采集模块 、控制主板 、底盘驱动模块 、电源管理模块 、无线通信模块组成 。可以根据温室大棚数据采集的需要 ，采用自动导引装置作为环境参数采集传感器的载体 ，实现在温室大棚中的随时参数监测 ，通过无线传输技术 ，实时传输视频图像和传感 中国农机化学报 年器采集参数 ，实现在温室大棚中的随时参数监测 ，提高采集数据的质量 ，降低人工劳动有重要作用 。机器人的系统设计流程图如图所示 ，系统简图如图所示 。图 总设计流程图 图 机器人系统简图 提携手柄 车灯 无线接收装置 摄像机模块参数采集模块 履带 充电插座 无线通信模块控制主板 电源管理模块 底盘驱动模块 机械系统设计为了满足灵活性 、平稳性的要求 ，该机器人车载底盘采用载重量大 ，行驶稳定 ，越障性强的锌合金二驱履带 ，使得小车平稳性能较高 。摄像头能实时地采集数据 ，传递给后台管理系统 ，对环境变化做出合理调整 ，以适应大棚内崎岖不平 、复杂的路况。图为系统的拓扑图 。图 系统拓扑图 该机器人车载底盘作为各种设备仪器的载体及行走装置 ，采用摄像机模块实时采集行走路径的图像 ，图像处理实现道路及障碍物判断实现自动行走 ；参数采集模块实现对棚内环境参数的采集 ；底盘驱动模块实现车载底盘的前进 、后退及转向控制 ；电源管理模块实现对车载电源的充放电管理 ；通信模块是车载机器人与后台软件实现数据通信的媒介 。图为智能车载环境参数采集机器人的实物图 。图 机器人的实物图 行为系统设计智能车载环境参数采集机器人的最终目的是通过设计和程序自动控制机器人的自主移动 ，准确无误的完成参数采集的任务 。 自动控制移动设计此机器人采用自动导引装置来进行自动控制移动 ，在行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板 ，进入导引区域后 ，先通过激光扫描器发射激光束 ，并同时采集反射板反射的激光束 ，来确定其当前的位置和方位 （，），并通过连续的三角几何运算来实现的自动导引 。激光导引连续位置计算的数学运动模型是以 “呆板估算 （ ）”为基础的 ，首先利用机器人当前运行的速度 ，转向的角度 ，间隔的时间等参数对下一位置进行估算 ，计算出的是相对于前一位置的新位置 ，每次计算都包括根据运动模型估算小车的当前位置 ，根据估算的新位置关联反射板 、根据关联的反射板修正自身位置。其技术参数如表所示 。表 激光导引参数 参数名称 参数值型号 尺寸 （长宽高 ）重量 工作电压 功耗 防护等级 环境温度 适配传感器 德国 、日本北阳第 期 李毅 等 ：智能车载环境参数采集机器人的研制 环境参数采集设计采用温湿度传感器实现对大棚内的温度 、湿度采集 。温湿度传感器的温度采集范围为，湿度采集范围为。采用二自由度高清摄像头 ，实现实时图像的采集 ，利用双舵机构建双轴系统实现二自由度 ，并可根据需要自动或遥控调整摄像头角度 。温湿度传感器技术参数如表所示 。表 温湿度传感器参数 相对湿度传感器 参数值 温度传感器 参数值分辨率 分辨率 重复性 重复性 精度 ，； 量程范围 迟滞 响应时间 通信模块是车载机器人与后台软件实现数据通信的媒介 ，负责传输传感器测得的环境参数以及摄像头拍摄的实时传输视频图像 。模块通过串口与主控芯片相连 ，把芯片发出的命令传递给执行机构 。该模块采用高通芯片 ，运行系统 ，可长期稳定运行 。模块外围电路非常简单 ，仅需加上电源 ，即可让系统启动 ，并可通过控制 。采用排镀金排针接口 ，一排有个 ，高度为，可非常稳定的固定在底板上 。该模块可以实现视频传输及指令双向传输功能 。其上预置工作室 固件 ，适配工作室各系列驱动板 ，具有体积小 、功耗低 、发热量小 ，网口传输性能稳定的特点 ，可以满足视频传输的带宽要求 。通信模块的技术参数如表所示 。表 通信模块参数 产品型号 支持操作系统 （）处理器 系统频率 无线传输距离 （空旷地带 ） 控制系统设计控制软件是以计算机为后台操作平台的 。机器人中通过传感器测得的环境参数以及摄像头拍摄到的实时视频图像 ，通过通信模块传输给控制操控软件 。除了采用自动导引外 ，也可通过小车控制来实现机器人的前进 、后退及转向功能的控制 。 控制主板设计采用位高速处理器 主控开发板 ，通过嵌入式开源操作系统 ，提高系统的开放性及二次开发性 ，实现图像实时处理 、平台运动姿态控制 、参数实时采集及通信控制等功能 ，控制主板是车载平台的大脑 。其具有路数字输入输出 ，适合需要大量接口的设计 。处理器核心是，同时具有路 数 字 输 入 输 出 口 ，路 模 拟 输 入 ，路接口 ，一个晶体振荡器 ，一个口 ，一个电源插座 ，一个 和一个复位按钮 。板上有支持一个主控板的所有资源 。 后台软件设计后台软件采用架构设计 ，具有安全性高 、数据处理能力强的特点 。后台软件具有视频实时监控 录像 回放 、参数实时显示 存储 历史数据查询 、车载机器人运行轨迹设定 、车载机器人参数设定 、手动控制等功能 。图 后台软件窗口 双路电机驱动板采用的驱动板的具有极小的尺寸 ，仅并支持电机电压，欠压保护 。双路电机接口 ，每路额定输出电流，其控制信号与电机驱动芯片逻辑相似 ，每路都支持三线控制使能 、正反转及制动 ，使能信号可外接，正反转控制信号可串联限位开关 ，具有有静电泄放回路的特点 。其技术参数如表所示 。在控制信号接口处 ，不同的输入信号则可以驱动不同小车的运动方式 。和为控制信号电源 ，如果控制信号为，那么接；、分别为电机接口和电机接口的使能信号 ，可以外接；为两路电机正反转 、制动 （或称刹车 ）控制信号 。控制逻辑如表和表所示 。其中为低电平 、为高平 、为任意电平 ，悬空时为高电平 。 中国农机化学报 年（）正面（）反面图 电机驱动板说明图 使用峰值 大功率 值 电机接口 额定输出电流 电机接口 额定输出电流 使用光耦对全部信号进行隔离控制信号电源指示灯 控制信号接口可使用常用的 间距 压线头 、排母或杜邦线进行连接电源接口电源指示灯 尖峰电压抑制 优质长寿命阻电容欠压保护 门电路驱动控制逻辑 静电泄放回路表 电机驱动板参数 名称 参数输入电压范围 输入通道数 路 每路额定输出电流 每路瞬间峰值电流 控制信号电压 每路控制信号电流 输入 信号频率范围 输入 最小脉宽 工作温度 表 电机接口 控制信号逻辑 、输出 刹车 悬空 正转调速 反转调速 全速正转 全速反转表 电机接口 控制信号逻辑 、输出 刹车 悬空 正转调速 反转调速 全速正转 全速反转 结语针对温室大棚中 ，因大量布线而不利于农业耕作 、耗费人力的环境参数检测问题 ，设计了一款智能车载环境参数采集机器人 。该机器人可以自主进入待测区域大棚 ，进行温湿度检测 ，并通过信号将数据传输给中央控制系统 。未来可以将机器人推广出去 ，因其运动范围广 ，参数采集精度高 。故可以根据实时的参数变化 ，利用中心计算机进行数据分析 ，极大的方便了遥控灌溉和施肥 ，对降低人工劳动有重要作用 。参考文献张慧 ，乌兰巴干生态环境对植物生长的影响及其环境的监测 农村牧区机械化 ，（）：李敏 ，曾明 ，孟臣 ，等温室大棚单片机数据采集系统设计 黑龙江八一农垦大学学报 ，（）： ， ， ， ，（）：吕芮栋温室大棚环境参数监测系统设计西安：西安工业大学 ， ： ，姚於康发达国家设施农业智能化发展现状、趋向和启示 世界农业 ，（）：姚於康国外设施农业智能化发展现状、基本经验及其借鉴 江苏农业科学 ，（）：刘静基于环境参数的蔬菜大棚监控系统研究重庆：西南交通大学 ， ： ，吕小征 ，冯岷生基于 的温室大棚环境参数监测系统设计 电子科技 ，（）： ， ，（）：郭亮基于嵌入式技术和无线传感技术的大棚温室参数监测系统 沈阳 ：沈阳工业大学 ， ： ，杨 磊 ，宋 欣 ，胡 文 韬 等预警勘探机器人的设计与试验 兵工自动化 ，（）： ， ， ， ，（）：第 期 李毅 等 ：智能车载环境参数采集机器人的研制 杨文华 ，王勇激光导引 系统原理及应用机器 人技术与应用，（）： ， ， ， （ ，）： ， ， ， ， ， ：； （上接第页 ） ，（）：魏晓明 ，周长吉 ，曹楠 ，等基于光照的日光温室总体尺寸确定方法研究 北方园艺 ，（）： ， ， ， ，（）：袁余 ，李鹏程 ，李铭 ，等双层膜日光温室设计及其热性能测试分析 农业现代化研究 ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， （ ， ，；， ，； ，）： “ “ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ；