【果树农药喷洒机器人】Part2：机器人变量喷药系统硬件选型

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一、引言

本章通过对柑橘种植园的实地考察，收集果树高度、种植间距等数据，为设计果树喷药机器人的尺寸及关键硬件选型提供数据支持，并确定变量喷药系统总体功能要求。为有效防治病虫害，明确对变量喷药系统提出的功能要求。在此基础上，对靶标探测、变量控制等实现精准喷施的关键技术进行方案设计，确定基于PWM控制方式设计变量喷药控制系统，并完成喷头测定和布置实验。

二、变量喷药系统总体要求

2.1系统功能要求

通过对浙江省台州市某柑橘果园的实地调研考察，了解到果树的种植与生长状况，柑橘园实拍如图21所示。果园地势总体平坦，柑橘树整齐地种植在平地上，但由于种植管理中需要开沟施肥等作业，造成地块凹凸不平。经过实地测量，株距为1.5~2.2m，株高普遍处于1.65至1.80m的范围；果树大部分处于相同的生长阶段，冠层体积虽大小不一，但整体差距不大，其他部分为幼苗，冠层稀疏。结合前文所述国内外果树精准喷药机器人的研究状况以及对此类机器人的需求分析，本文设计的果树喷药机器人及其变量喷药系统主要满足以下功能：

（1）柑橘园实拍图显示，橘树根部的土堆会与地面造成一定的高度差，因此要求根据植株行间距合理设计底盘尺寸，确保果树喷药机器人在作业过程中具备较强的通过性，并且可远程控制行驶方向与速度；
（2）由于果树轮廓形状以及大小各异，为提高农药利用率，实现对靶变量喷药，系统能根据不同冠层的特征参数进行准确的靶标定位与体积探测；
（3）果树株高差距大，为实现对不同高度的冠层进行喷洒，要求果树喷药机器人合理布置喷头，以具备较大的喷雾范围；
（4）喷药控制系统能准确获取上位机发送的变量喷药信号，并对喷头做出变流量喷洒的决策，要求控制方式有较好的动态响应特性和流量调节性能。并对植株间隙等无冠层区域，喷头能进行关闭控制，减少农药的浪费。

2.2系统技术要求

为满足2.1节所提功能，系统需要达到以下几个方面的技术要求：

（1）本系统采用单片机技术，接收视觉传感器采集的冠层数据，并可对继电器和电磁阀进行控制；
（2）掌握脉宽调制实现变量控制的原理，并将其作为本系统的控制方式，根据变量喷药要求，确定上下位机、相机、喷头以及喷药泵等关键部件型号；
（3）基于实例分割模型的树冠图像处理技术，实现对果树冠层的准确定位和精准分割，为实现果树的对靶变量喷药奠定基础；
（4）基于冠层图像分割结果，结合深度相机探测物体的原理，计算果树冠层体积，为精准喷施提供决策依据，保证系统的合理性与可行性；

三、机器人关键硬件选型

3.1深度相机概述与选型

近几年来，主动式深度相机相比普通的单目相机和双目相机而言，能直接获取深度距离，在三维感知、智能驾驶等应用领域发展迅速。对比结构光类型的深度相机，ToF深度相机凭借其成像反应灵敏、消费级售价等优势更加备受青睐。所谓ToF深度相机，即以飞行时间（Time of flight, ToF）作为测距依据，并且根据激光发射器种类不同分为连续波型与脉冲型。其中，连续波型易受环境影响，因此不适合在室外进行高精度测量；与此同时，该类型的激光器功耗过大，不能长时间使用。与之相反，脉冲型ToF相机不仅功耗小，还能兼顾长时间的测量需求，由于使用过程中无需设置相位等参数，能有效避免累积误差，因此其具备高测量精度的优势。
因此，本文选用脉冲型ToF相机作为主要设备来采集果园图像数据。在考虑各项性能指标，如精确度、抗震、防潮和稳定性等的基础上，具体以英特尔公司生产的型号为RealSense D435i的深度相机作为实验设备，其外观如图2-2所示。该相机主要内置三部分组件，包括用于获取RGB图像的彩色摄像头；两个红外传感器和一个红外激光发射器分别作为脉冲光发射和接收装置；为强化相机在移动情况下感知深度信息的能力，还搭载惯性测量单元。此外，通过查看表2-1所示的性能参数，RealSense D435i深度相机具有广阔的视场范围、轻巧的重量、低功耗、紧凑的结构和易于安装等优点，因此非常适合应用于果树喷药机器人上。

3.2单片机选型

单片机是喷药控制系统的核心组件，在整个系统中起到承上启下的作用，作为控制模块，一方面接收上位机传输的信号，另一方面对继电器发出PWM信号进行控制。从控制系统的实用性和经济性两个角度考虑，本文选用STC89C52单片机作为下位机的控制器，其基本结构如图25所示。该单片机利用Keil5软件作为开发环境进行编写和编译程序代码，配合5V直流电源进行供电，将编译好后的程序借助软件烧录到控制芯片中，相应寄存器通过向外设引脚输出高低电平从而控制继电器的通断，且外设引脚数量足够该控制系统的使用。该单片机具有成本低、功率低、操作方便等优势，满足了所设计的变量喷药控制系统对下位机的要求。

3.3底盘选型

考虑到果园地面的不平整性以及作业持续性的问题，为增加喷药机器人的通过性和作业效率，选用由东莞松灵机器人有限公司生产的履带型差速线控底盘，型号为BUNKER，其外观示意图和主要技术参数分别如图2-6和表2-2所示。
选型原因如下：依据果园实地考察结果可知，橘树株距约为1.5~2.2m。因此要求根据植株行间距合理选择底盘的尺寸，以确保果树喷药机器人在作业过程中具备较强的通过性和适用性。由表2-2显示，BUNKER底盘最大尺寸约为1m，小于橘树株距，加之最大爬坡角度为30°，可原地转弯，以上参数理论上能保证机器人在任意两棵植株间穿行；再者，BUNKER底盘的额定运动载重高达70kg，在承重范围内可加装各种作业机构，为后续在底盘上搭载变量喷药系统提供了载重支持；最后，使用配套的富斯遥控器可远程控制BUNKER底盘行驶。因此该底盘具备越野能力和载重能力强的特征，以上特性满足2.1节中对机器人底盘的功能要求。

3.4喷头选型

农药最后需经过喷头进行雾化才能增大喷雾范围，由于所喷雾的对象为柑橘树冠，其茂盛期和结果期的冠层枝叶繁茂、体型较大，故喷头需要达到一定的工作压力和喷雾角度才能较为全面地覆盖到整个冠层。通过对比与筛选，本文选用了如图27所示的万向任意调节喷头，其性能参数见表2-3。喷雾流量可控制在0.3L/min以上，喷出的药液呈扇形平面分布，喷雾角度超过100°，通过旋转喷头的头部可调控喷雾角度。所以，该喷头具有调整灵活、喷雾角度和压力均较大等优势，满足了设计要求。

3.5喷药泵选型

农药在系统中的传输需要强大的压力进行驱动，以保证良好的喷雾效果。由于所选用喷头的最大工作压力是0.5MPa，为发挥喷头的最大喷雾效果，理论上喷药泵的提供额定喷雾压力应大于该值。为此，本文选用台州市虎跃喷雾器厂生产的外回流隔膜泵，其外观尺寸如图28所示，表2-4为喷药泵的具体性能参数。由表可知，该泵的最大喷雾压力为0.8MPa，满足了喷药系统对压力的要求。再者，该泵结构紧凑，适合安装于小型的果树喷药机器人上。由于该喷药泵动力强劲，工作时会发生剧烈震动，加之果园实际场地凹凸不平，机器人行驶过程中不可避免地存在一定的颠簸，为保证机器人喷药时的工作稳定性，需对喷药泵做好安装固定工作。

3.6电磁阀选型

由于所选喷药泵工作电压为12V，为简化电路设计，电磁阀的驱动电压同样采用12V直流电。为保证电磁阀能正常稳定工作，喷药泵的最大工作压力应处于电磁阀工作压力承受范围内。此外，还要求电磁阀具备结构紧凑、换向迅速、重量轻、适用于多种工作介质中，保证抗震和密封性能良好。根据要求，本文选用了深圳市南泰科技有限公司生产的二位二通常闭型电磁阀。由尺寸图29和性能参数表2-5可知，该喷药泵具有换向迅速灵敏、结构紧凑轻巧、工作压力合适等优点，满足选型要求。