智能农业机器人系统设计方案

纪慧鑫 杨毅 付静 张翔 王鹏

摘  要：我国是一个传统的农业大国，千百年的手工农作已经让农民疲惫不堪，伴随着工业革命和智能革命的兴起，进入21世纪以来，我国农业机械化、自动化的程度得到大幅度提升，农业机器人得到了发展空间，农业机器人相继研发出来，并更加智能化，文章设计了一种以ARM9为主控芯片处理器的智能农业机器人自动灌溉系统，有效提高了农业的工作效率。

关键词：农业机器人;自动喷灌;ARM9;智能;控制

中图分类号：TP242 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0039-03

进入21世纪以来，电子技术和自动控制技术发展突飞猛进，在农业方面有着突出的影响，农业机器人的出现解决了一些复杂而繁琐的农事，现在农业机器人渐渐的进入农业生产方面，我国农业生产规模进一步扩大，并向着智能化、机械化的方向发展。农业机器人的研究也在不断的进步，并涉及多方面领域，如果蔬采摘、农药施肥、自动喷灌等。农业机器人的运用改善了我国农业生产状况，降低了人工劳动强度，也提高了农业效率。

1 自动喷灌机器人设计

本文设计了一个以ARM9为处理器的自动灌溉机器人，用三轮差分转动的方式来控制机器人移动，利用线性频率输出型号的HF3223温湿度传感器来检测实时湿度状况并采集数据，并将采集数据传回机器人的“大脑”，从而确定大棚田间农作物是否需要喷灌作业。若大棚中的温湿度低于设计初值，则控制系统将启动控制水泵实现自动喷灌。

2 整体系统设计

农业机器人整体设计包含硬件部分和软件部分。硬件部分按照不同的模块分为如图1所示几个部分，自动喷灌机器人利用HF3223溫湿度传感器来检测温度和湿度，并通过传感器进行数据传输，ARM处理系统对采集数据进行处理、分析，并采取相应的措施。图1为总体设计原理框图。

3 硬件系统设计

3.1 控制系统模块

自动喷灌机器人控制系统模块相当于人的“大脑”，温湿度传感器检测室内大棚田间的温湿度数据都要经传感器传送到控制模块中，地面灰度传感器记录机器人在室内大棚的位置，然后再传送给控制模块，实现对自动喷灌机器人的运动控制。控制模块是以ARM9为核心的S3C2440A芯片开发板，其特点是低功耗，高性能的微控制器。主频设置为500MHz，开发板使用两片外接的16MbytesSDRAM芯片，接在一起形成16bit的总线。通过与各种传感器模块进行数据传输，保证在农田中正常作业。其控制方式如图2所示。

图2 农业机器人控制模块原理框图

3.2 电源模块

自动喷灌机器人中电源模块决定着其工作时间，提供稳定的电源，将会降低工作时各控制器的出错率，稳定工作特性。经过参考多种电机电源决定采用特殊结构设计的容量为8000MAH高倍率锂聚合物锂电池，可快速充放电，输出功率大，寿命长。输出工作电压在12V左右，保证控制系统运行正常。因为S3C2440A开发板所需要的输入电压是7-12V宽压，而电机正常工作时需要的输入电压为12V，所以用两个4000MAH的电源串联在一起，即可保证控制器模块和系统的正常运行。两边的电机驱动器与电池盒接口并联在一起，固定在车体的两边。

3.3 传感器模块

传感器模块包括温湿度传感器和灰度传感器，采用的是具有线性频率输出型号的HF3223温湿度传感器，其特点具有响应速度快、功耗超低、可与ARM9直接相连，工作时其性能有极高的稳定性;灰度传感器采用的型号是DFR0022，是一种模拟传感器，可以作为其机器人运行过程中温室大棚及田间地面灰度判断，其工作原理是内部含有一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一面上。利用不同颜色的检测面对光的反射程度不同，光敏电阻对不同检测面返回的光时阻值不相同的原理来进行颜色深浅检测，保证机器人的正常运行。图3所示为灰度传感器模型。

传感器的主要作用是探测农作物四周的位置信息，并及时将获取的信息传达给“大脑”，保证机器人行驶在规定的道路上，避免撞到障碍物，影响其寿命。

3.4 电源电机驱动模块

电源电机驱动模块在机器人的机械结构中占据关键位置，它的布局不仅影响到机器人的体积，而且还对其正常作业的效率和灵活具有很大的影响。电机驱动模块包含步进电机和电机驱动器。用步进电机作为动力源，步进电机采用两个CQ2HB34MB型号的两相步进电机，分别控制左右两个主动轮，其工作电压在12V。其特点是不受电压、电流、温度、湿度等干扰因素的影响，具有很高的准确性和可靠性。控制机器人喷灌农作物时有明显的控制力，转向、喷灌等功能都在设定的控制时间范围类，工作时其转速和方向可以通过程序控制来实现，转速可以随着频率的变化而变化，频率增加，转速增加，频率减小，脉冲减小。电机驱动器包括两个L298N芯片，用来控制两个步进电机。L298N是一款集成式单片电路，是一个高电压、大电流的双桥驱动器，驱动器的模块供电部分可接3.5V电压，驱动峰值电流可达4A。图4所示为L298N芯片控制步进电机电路图。

4 软件系统设计

4.1 行走路径系统软件设计

农业机器人通过软件设计来实现机器人在作业中如何正确行驶，其运动方式主要为匀速行驶和转向运动，匀速行驶一般通过温湿度传感器检测是否需要进行作业，启动后在预设轨道上经过加速行驶后达到规定的速度从而进行匀速行驶，作业完成后需转向继续作业则需要减速运动，图5所示为路径系统规划软件流程图。

4.2 避障系统软件设计

农业机器人避免障碍系统主要由地面灰度传感器感知地面信息，传达给ARM控制系统，保证机器人正常。图6所示为避障系统流程原理框图。

5 结束语

本文介绍了农业自动喷灌智能机器人系统的整体概述，并介绍了硬件设计方案及软件设计方案，硬件通过ARM控制系统控制驱动模块驱动机器人进行喷灌作业，保证了农作物的正常生长，而软件方案是规划机器人行走路径及避免障碍物，保证了机器人在作业过程当中的正常进行，避免损坏机器人寿命。现在科学技术在不断提高，农业机器人正在不断的开发，以适应更加艰难的复杂环境。农业机器人在我国农业生产中会越来越发挥出更大的作用。

参考文献：

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