设施农业喷雾机器人路径规划与作业安全性探析 任生兰 石建业 张小泉等（169）

任生兰 石建业 张小泉 石磊 李向伟

摘要    针对现代设施农业病虫害防治和根外追肥需求，研发了基于Raspberry Pi的智能喷雾机器人，填补了国内设施农业高效喷雾技术研究空白。本文主要对智能喷雾机器人的作业路径规划进行了介绍，对其可靠性和安全性进行了测试，并分析了其发展前景，以期为我国设施农业的发展提供参考。

关键词    设施农业;喷雾机器人;作业路径;测试;前景

中图分类号    TP242        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）17-0169-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    Aiming at the modern demand for agricultural pest control and root dressing，the intelligent spraying robot based on Raspberry Pi was developed，which filled the blank of efficient spray technology research in facility agriculture in China.This paper mainly introduced the operation path planning of intelligent spraying robot，tested its reliability and safety，and analyzed the development prospects，in order to provide references for the development of facility agriculture in China.

Key words    facility agriculture;spraying robot;operation path;test;prospect

设施农业是将农业工程技术、农业机械化、农艺标准化与信息管理技术、环境控制技术有机结合的现代农业生产模式，是“互联网+现代农业”的最重要方式，具有生产集约化和管理信息化的特点，可显著提高劳动生产率和土地产出率，有效增强现代农业综合生产能力和抗风险能力，增强农业企业的市场竞争力。大力发展设施农业，可保障农产品有效供给和促进我国农业现代化发展，从而促进农民增收致富、摆脱贫困。推进我国设施农业发展要以强化科技创新为核心，以设施装备、环境智能控制技术、信息技术为重点，完善设施农业生产条件，加强对先进适用的设施农业机械装备的研发以及强化设施农业智能化管理，增强设施农业有效供给的能力。

设施农业在为作物营造优良生长环境的同时，其高温、高湿的生产环境也导致大量害虫和植物病菌的繁殖，因而设施农业生产具有高投入、高风险、高产出的特點。设施农业会导致植物病虫害风险增大，降低农产品的品质和产量，造成设施栽培的经济效益下降。因此，我国要加强对设施农业的研究，尽快提高我国设施农业装备水平、设施农业生产的安全性、设施农业生产效率，从而降低单位成本，满足人们对农产品质量越来越高的要求，增强我国设施农业生产的综合竞争力。

1    设施农业专用喷雾机器人研究的主要历程

为了满足设施农业生产中根外追肥和病虫害防治要求、减少劳动力成本、提高病虫害防治效率，现以自主研发的智能遥控喷雾器产业开发为平台，研究出基于Raspberry Pi的智能喷雾机器人，以填补国内设施农业高效喷雾技术空白[1-2]。经过2年多的研究和探索，智能喷雾机器人关键技术取得了重要进展，甘肃省科技厅及时立项支持喷雾机器人研发计划，对研发人员给予大力鼓舞和支持，喷雾机器人的研究也取得了较大进展[3]。Ros机器人操作系统是基于Linux的机器人开源平台，利用Raspberry Pi搭载Ros操作系统实现对机器人的运动控制[4]，包含机械臂控制、静态路径控制和动态路径控制以及相关继电器中断的控制，同时利用摄像机、激光雷达、声呐传感器等外设进行数据集中处理，实现数据的跨平台运用，利用多数据的交叉计算优化机器人的运动精确度[5-7]。

2    设施农业专用喷雾机器人作业路径规划

2.1    静态路径规划

静态路径规划主要利用人机交互界面进行数据的输入，通过处理器处理数据计算数据输出变量，对驱动电机进行动态控制，实现机器人的前进、后退、转向动作[8]。该部分主要为数据简单处理，已知数据为日光温室长（a）、日光温室宽（b）、植株行间距（h）。

2.2    动态路径规划

在动态路径规划中，利用x-y栅格进行，如图1所示。这个栅格有3个关键位置，具体解释如下。

左下角的点是一个固定的参考位置，为第1个关键位置。X轴和Y轴的方向也是固定的，其他点的位置都可以根据该参考点和X轴、Y轴确定。在一个单元格内每个单元都会被测量在单位时间内的行进距离。第2个关键位置是机器人的起始位置。喷雾机器人将在X坐标和Y坐标上保持自身位置的跟踪，而它识别自身位置依靠X坐标上相对目标位置的固定参考系，或者依靠Y坐标上相对于目标位置的某些固定参考系来确定，并使用指南针跟踪这些方向。第3个关键位置是目标位置，目标位置也会用X轴和Y轴上相对于固定参照位置的坐标来表示。如果已知起点以及起点和参照位置之间的角度，就可以规划到达目标位置的最优的路线。可以根据目标位置、机器人的位置和一些简单的数学公式来计算机器人和目标位置之间的距离和角度。图2为计算的距离和角度示意图。计算公式如下：

其中，d为机器人到达目标位置的距离，θ为机器人需要运动的角度，Xgoal、Ygoal分别表示为目标位置的X轴坐标和Y轴坐标，Xrobot、Yrobot分别表示机器人的X轴坐标和Y轴坐标。

计算出指定的角度和距离，就可以编程控制机器人运动，通过知道机器人一定时间内行进的距离，从而可以使机器人按照时间单位而不是距离单位来行进[9]。以下是编程步骤：计算机器人到达目标位置的距离，并将它转换为达到此距离所需的步数;计算机器人到达目标位置所要转动的角度，需要使用指南针和转动程序驱动机器人进行转向到达目标位置;按照需要的时长调用前进程序，使机器人前进到目标位置。

利用Python代码实现以上操作，让机器人前进运动和转向，在这个过程中建立一个名为robotLib.py的文件，它包括了所有伺服初始化设定的使机器人前进运动和转向的程序。然后使用from robotLib import*命令将这些程序导入，并使Python程序可以调用这些程序，这样可以使路径规划的Python程序更小、更便于管理。同样，使用命令from compass import*导入指南针程序。在这个程序中，用户输入目标位置，机器人根据需要转动角度和规划到达目标位置的距离路线。为了使问题简化，将机器人放置在网格上，初始行进方向与X轴正向相同。

2.3    避障

如上所述，无障碍路径规划后，在机器人行进路线上遇到障碍物时需要绕过障碍物，假如一个障碍物位于之前所规划的路径之上，具体如图3所示。仍然使用相同的计算方法，获得初始行进角度，但需要使用声呐传感器去检测障碍物。当声呐传感器检测到障碍物时，机器人需要停下并重新计算避开障碍的路径和到达目标位置的路径。可以采用最简单的方法：当机器人遇到障碍物时，向右转动90°向前行进一段距离，然后计算最优的路径;当再次转到向目标位置行进的方向后，如果没有遇到障碍物，机器人将会沿着最优路线前进。

为了检测障碍物，需要调用传感器的库函数。可以使用指南针来更加精确地确定前进的角度，使用from compass import*命令可以导入指南针的库函数来使用指南针;也可以使用时间（time）的库函数，使整个命令组不会有一个固定的结束时间。

整个控制系统的程序主要分为2个部分。第1部分包括2个子程序：一是用指南针让机器人向一定角度旋转的程序;二是使计算距离和角度并控制机器人转向该角度的程序。该程序的第2部分是主程序部分。用户按X轴坐标和Y轴坐标输入机器人的当前位置坐标和目标位置坐标。程序计算角度和距离，并控制机器人行进。如果遇到障碍物，则机器人旋转90°，行进1个单位长度，然后再计算到目标位置的路径。

3    喷雾机器人使用的可靠性和安全性测试

JRY-PW-2智能喷雾机器人定型研发后，制作了第1台测试版本用于测试设备越野能力和运动控制。在测试过程中发现，智能喷雾机器人底盘运动平稳，其具有的履带式驱动方式利于机器转弯。此外，智能喷雾机器人采用的是2个功率为8 W的直流电机，转速50 r/min，采用低速电机不仅可以提供充足的动力，同时也具有较强的安全性。

4    喷雾机器人发展前景分析

喷雾机器人研发基于Raspberry Pi智能喷雾机器人具有智能化程度高、设备成本低廉、社会效益明显等优点，且我国日光温室保有量基数大、智能化程度低，劳动强度大，因而该机器人市场前景广阔。

4.1    研发平台和基础

喷雾机器人研究以恒丰半自动农业喷雾机为开发平台，恒丰公司半自动遥控喷雾器获得相关的项目鉴定，用户反馈良好。研发团队结合了已有的智能控制内核及机器人底盘等成熟技术，在此基础上开发新型喷雾机器人，因而该新型机器人具有良好的技术可靠性[10-11]。

喷雾机器人采用金瑞园公司开发的JRY-2型履带式农业机器人底盘，目前能够自主工作及自主运动，现阶段主要针对机器人如何与工作人员进行相关数据交流以及对工作环境数据处理进行研究。数据交流技术使用的是在“日光温室智能化控制器”中采用的成熟稳定技术，该款控制器已经运用于多家农业设施基地，因而具有较强的技术依托，能够比较完整地移植于机器人数据交互。

4.2    喷雾机器人生产试验情况

JRY-PW-2智能喷雾机器人从提案研发开始以比例缩小的方式进行模型定制，同步实现实际工作要求，用于获得控制程序及配件的可靠性论证，试验阶段模型具有良好的可靠性，各项功能完备。实地模拟试验中设备能够保证基本的使用功能，特别是JRY-2型机器人底盘具有优秀的稳定性，使用过程平稳可靠。

4.3    项目产品技术检测状况

Raspberry Pi智能喷雾机器人的喷头导轨、机器人底盘及控制内核通过本了公司内部技术鉴定，其电动喷雾设备亦获得了技术鉴定成果，具有控制平稳、精准、使用寿命长等特点。

5    参考文献

[1] 赵栋杰，张宾，王学雷，等.基于图像矩的室内喷雾机器人自动对靶研究[J].农业机械学报，2016，47（12）：22-29.

[2] 刘雪美，李扬，李明，等.喷杆喷雾机精确对靶施药系统设计与试验[J].农业机械学报，2016，47（3）：37-44.

[3] 谭民，王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报，2013，39（7）：963-972.

[4] 曹峥勇，张俊雄，耿长兴，等.温室对靶喷雾机器人控制系统[J].农业工程学报，2010，26（增刊2）：228-233.

[5] 李猛，孙维连，赵树朋，等.农业喷雾机器人的机械结构创新设计[J].农机化研究，2018（1）：102-105.

[6] 崔军，邱白晶，赵军.喷雾机器人重喷漏喷问题研究[J].农机化研究，2006（12）：63-65.

[7] 沈明霞，姬长英.农业机器人视觉导航技术发展与展望[J].农业机械学报，2001，32（1）：109-110.

[8] 朱大奇，颜明重.移动机器人路径规划技术综述[J].控制与决策，2010，25（7）：961-967.

[9] 刘洞波，刘国荣，胡慧，等.基于激光測距的温室移动机器人全局定位方法[J].农业机械学报，2010（5）：158-163.

[10] 杜利超，钱桦，肖爱平.大棚喷雾作业机器人底盘的设计与研究[J].广东农业科学，2010，37（5）：196-197.

[11] 郭丽君.基于LabVIEW的温室移动机器人导航系统[J].农机化研究，2011，33（3）：182-185.