第 卷第 期年 月中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) ：智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人的研制李毅 ，李映君 ，季亞楠 ，何為凱（濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ，濟(jì)南市 ，）摘要 ：針對(duì)傳統(tǒng)溫室大棚參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)大量布線 、檢測(cè)不便等問(wèn)題 ，設(shè)計(jì)一種環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人 ，可用于溫室大棚內(nèi)的參數(shù)檢測(cè) 。采用載重量大 、行駛穩(wěn)定 、越障性強(qiáng)的鋅合金材料作為該機(jī)器人車載底盤(pán)二驅(qū)履帶 。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度 、濕度等傳感器組成 ，用來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)檢測(cè) 。通過(guò)應(yīng)用 無(wú)線傳輸技術(shù) ，實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像以及檢測(cè)到的環(huán)境參數(shù) ，基于 來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn) 、后退及轉(zhuǎn)向的控制 。結(jié)果表明 ：采用 通信模塊作為數(shù)據(jù)通信的媒介并搭載 自動(dòng)導(dǎo)引裝置的參數(shù)采集機(jī)器人 ，對(duì)實(shí)現(xiàn)在溫室大棚中的隨時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè) ，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ，降低人工勞動(dòng)有重要作用 。關(guān)鍵詞 ：溫室大棚 ；機(jī)器人 ；參數(shù)采集中圖分類號(hào) ：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ：文章編號(hào) ：（）李毅 ，李映君 ，季亞楠 ，何為凱 智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人的研制 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) ，（）： ， ， ， ，（）：收稿日期 ：年 月 日修回日期 ：年 月 日基金項(xiàng)目 ：山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目 （）第一作者 ：李毅 ，男 ，年生 ，山東新泰人 ；研究方向?yàn)闄C(jī)器人 。：通訊作者 ：李映君 ，男 ，年生 ，山東萊陽(yáng)人 ，博士 ，副教授 ；研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù) 。： 引言在溫室大棚中 ，農(nóng)作物的生態(tài)環(huán)境對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)有很大的影響 。其中溫度濕度對(duì)不同生長(zhǎng)期植物的影響也不盡相同 。溫度通過(guò)影響植物的光合 、呼吸 、蒸騰等代謝過(guò)程 ，濕度通過(guò)影響植物吸水和蒸騰等代謝過(guò)程。因此精準(zhǔn)的采集溫室大棚參數(shù) ，一方面也可以及時(shí)了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境和狀況 ，另一方面可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)大棚內(nèi)遮光板 、淋管器 、加熱器等設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)中 ，為了解溫室環(huán)境中的變化規(guī)律 ，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量 ，加快農(nóng)作物的生長(zhǎng) ，獲得優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物 ，需要對(duì)大棚中參數(shù)進(jìn)行檢測(cè) ，通過(guò)計(jì)算機(jī)等后臺(tái)軟件 ，對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行控制 ，這就是智能化溫室環(huán)境控制技術(shù)。發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化程度較高 ，已具備技術(shù)配套 、設(shè)備完善 、生產(chǎn)規(guī)范 、產(chǎn)量穩(wěn)定 、質(zhì)量過(guò)硬等特點(diǎn)。其中日本 、荷蘭 、美國(guó) 、以色列等國(guó)家的植物工程通過(guò)計(jì)算機(jī)將溫室內(nèi)的溫度 、濕度 、二氧化碳濃度和養(yǎng)分等控制到最適宜植物生長(zhǎng)的水平 。以色列在作物附近都安裝傳感器以測(cè)定水 、肥情況 ，并利用節(jié)水灌溉技術(shù)和光熱資源的優(yōu)勢(shì) ，結(jié)合測(cè)定的參數(shù) ，對(duì)溫室進(jìn)行管理。近年來(lái) ，日本研發(fā)了一種遙感溫室環(huán)境控制系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn)了更大范圍內(nèi)的溫室自動(dòng)化管理。荷蘭由于其地理位置 ，溫度變化小 ，因此溫室內(nèi)的降溫 、通風(fēng)的問(wèn)題考慮較少 ，更多的研究在于采光等控制 ，溫室內(nèi)有工業(yè)計(jì)算機(jī)用于實(shí)現(xiàn)氣候的控制 、灌溉 、施肥等等作用。隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)以及各類型傳感器技術(shù)的快速發(fā)展 ，現(xiàn)代化溫室環(huán)境參數(shù)采用智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但我國(guó)傳統(tǒng)大棚中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器均采用有線方式連接 ，且大量布線困難 ，不利于農(nóng)作物耕作。因此 ，采用通信模塊作為數(shù)據(jù)通信的媒介并搭載自動(dòng)導(dǎo)引裝置的參數(shù)采集機(jī)器人 ，對(duì)實(shí)現(xiàn)在溫室大棚中的隨時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè) ，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ，降低人工勞動(dòng)有重要作用 。 機(jī)器人整體系統(tǒng)組成 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人 ，主要由車載底盤(pán) 、攝像機(jī)模塊 、參數(shù)采集模塊 、控制主板 、底盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊 、電源管理模塊 、無(wú)線通信模塊組成 ?？梢愿鶕?jù)溫室大棚數(shù)據(jù)采集的需要 ，采用自動(dòng)導(dǎo)引裝置作為環(huán)境參數(shù)采集傳感器的載體 ，實(shí)現(xiàn)在溫室大棚中的隨時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè) ，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù) ，實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像和傳感 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 年器采集參數(shù) ，實(shí)現(xiàn)在溫室大棚中的隨時(shí)參數(shù)監(jiān)測(cè) ，提高采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量 ，降低人工勞動(dòng)有重要作用 。機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖所示 ，系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖所示 。圖 總設(shè)計(jì)流程圖 圖 機(jī)器人系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 提攜手柄 車燈 無(wú)線接收裝置 攝像機(jī)模塊參數(shù)采集模塊 履帶 充電插座 無(wú)線通信模塊控制主板 電源管理模塊 底盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)為了滿足靈活性 、平穩(wěn)性的要求 ，該機(jī)器人車載底盤(pán)采用載重量大 ，行駛穩(wěn)定 ，越障性強(qiáng)的鋅合金二驅(qū)履帶 ，使得小車平穩(wěn)性能較高 。攝像頭能實(shí)時(shí)地采集數(shù)據(jù) ，傳遞給后臺(tái)管理系統(tǒng) ，對(duì)環(huán)境變化做出合理調(diào)整 ，以適應(yīng)大棚內(nèi)崎嶇不平 、復(fù)雜的路況。圖為系統(tǒng)的拓?fù)鋱D 。圖 系統(tǒng)拓?fù)鋱D 該機(jī)器人車載底盤(pán)作為各種設(shè)備儀器的載體及行走裝置 ，采用攝像機(jī)模塊實(shí)時(shí)采集行走路徑的圖像 ，圖像處理實(shí)現(xiàn)道路及障礙物判斷實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走 ；參數(shù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集 ；底盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)車載底盤(pán)的前進(jìn) 、后退及轉(zhuǎn)向控制 ；電源管理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)車載電源的充放電管理 ；通信模塊是車載機(jī)器人與后臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的媒介 。圖為智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人的實(shí)物圖 。圖 機(jī)器人的實(shí)物圖 行為系統(tǒng)設(shè)計(jì)智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人的最終目的是通過(guò)設(shè)計(jì)和程序自動(dòng)控制機(jī)器人的自主移動(dòng) ，準(zhǔn)確無(wú)誤的完成參數(shù)采集的任務(wù) 。 自動(dòng)控制移動(dòng)設(shè)計(jì)此機(jī)器人采用自動(dòng)導(dǎo)引裝置來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制移動(dòng) ，在行駛路徑的周圍安裝位置精確的激光反射板 ，進(jìn)入導(dǎo)引區(qū)域后 ，先通過(guò)激光掃描器發(fā)射激光束 ，并同時(shí)采集反射板反射的激光束 ，來(lái)確定其當(dāng)前的位置和方位 （，），并通過(guò)連續(xù)的三角幾何運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)導(dǎo)引 。激光導(dǎo)引連續(xù)位置計(jì)算的數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型是以 “呆板估算 （ ）”為基礎(chǔ)的 ，首先利用機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)行的速度 ，轉(zhuǎn)向的角度 ，間隔的時(shí)間等參數(shù)對(duì)下一位置進(jìn)行估算 ，計(jì)算出的是相對(duì)于前一位置的新位置 ，每次計(jì)算都包括根據(jù)運(yùn)動(dòng)模型估算小車的當(dāng)前位置 ，根據(jù)估算的新位置關(guān)聯(lián)反射板 、根據(jù)關(guān)聯(lián)的反射板修正自身位置。其技術(shù)參數(shù)如表所示 。表 激光導(dǎo)引參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值型號(hào) 尺寸 （長(zhǎng)寬高 ）××××重量 工作電壓 功耗 防護(hù)等級(jí) 環(huán)境溫度 適配傳感器 德國(guó) 、日本北陽(yáng)第 期 李毅 等 ：智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人的研制 環(huán)境參數(shù)采集設(shè)計(jì)采用溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)的溫度 、濕度采集 。溫濕度傳感器的溫度采集范圍為，濕度采集范圍為。采用二自由度高清攝像頭 ，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像的采集 ，利用雙舵機(jī)構(gòu)建雙軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)二自由度 ，并可根據(jù)需要自動(dòng)或遙控調(diào)整攝像頭角度 。溫濕度傳感器技術(shù)參數(shù)如表所示 。表 溫濕度傳感器參數(shù) 相對(duì)濕度傳感器 參數(shù)值 溫度傳感器 參數(shù)值分辨率 分辨率 重復(fù)性 重復(fù)性 ±精度 ，；± 量程范圍 遲滯 ±響應(yīng)時(shí)間 通信模塊是車載機(jī)器人與后臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的媒介 ，負(fù)責(zé)傳輸傳感器測(cè)得的環(huán)境參數(shù)以及攝像頭拍攝的實(shí)時(shí)傳輸視頻圖像 。模塊通過(guò)串口與主控芯片相連 ，把芯片發(fā)出的命令傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu) 。該模塊采用高通芯片 ，運(yùn)行系統(tǒng) ，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行 。模塊外圍電路非常簡(jiǎn)單 ，僅需加上電源 ，即可讓系統(tǒng)啟動(dòng) ，并可通過(guò)控制 。采用排鍍金排針接口 ，一排有個(gè) ，高度為，可非常穩(wěn)定的固定在底板上 。該模塊可以實(shí)現(xiàn)視頻傳輸及指令雙向傳輸功能 。其上預(yù)置工作室 固件 ，適配工作室各系列驅(qū)動(dòng)板 ，具有體積小 、功耗低 、發(fā)熱量小 ，網(wǎng)口傳輸性能穩(wěn)定的特點(diǎn) ，可以滿足視頻傳輸?shù)膸捯?。通信模塊的技術(shù)參數(shù)如表所示 。表 通信模塊參數(shù) 產(chǎn)品型號(hào) 支持操作系統(tǒng) （）處理器 系統(tǒng)頻率 無(wú)線傳輸距離 （空曠地帶 ） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制軟件是以計(jì)算機(jī)為后臺(tái)操作平臺(tái)的 。機(jī)器人中通過(guò)傳感器測(cè)得的環(huán)境參數(shù)以及攝像頭拍攝到的實(shí)時(shí)視頻圖像 ，通過(guò)通信模塊傳輸給控制操控軟件 。除了采用自動(dòng)導(dǎo)引外 ，也可通過(guò)小車控制來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn) 、后退及轉(zhuǎn)向功能的控制 。 控制主板設(shè)計(jì)采用位高速處理器 主控開(kāi)發(fā)板 ，通過(guò)嵌入式開(kāi)源操作系統(tǒng) ，提高系統(tǒng)的開(kāi)放性及二次開(kāi)發(fā)性 ，實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)處理 、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制 、參數(shù)實(shí)時(shí)采集及通信控制等功能 ，控制主板是車載平臺(tái)的大腦 。其具有路數(shù)字輸入輸出 ，適合需要大量接口的設(shè)計(jì) 。處理器核心是，同時(shí)具有路 數(shù) 字 輸 入 輸 出 口 ，路 模 擬 輸 入 ，路接口 ，一個(gè)晶體振蕩器 ，一個(gè)口 ，一個(gè)電源插座 ，一個(gè) 和一個(gè)復(fù)位按鈕 。板上有支持一個(gè)主控板的所有資源 。 后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)后臺(tái)軟件采用架構(gòu)設(shè)計(jì) ，具有安全性高 、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的特點(diǎn) 。后臺(tái)軟件具有視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控 錄像 回放 、參數(shù)實(shí)時(shí)顯示 存儲(chǔ) 歷史數(shù)據(jù)查詢 、車載機(jī)器人運(yùn)行軌跡設(shè)定 、車載機(jī)器人參數(shù)設(shè)定 、手動(dòng)控制等功能 。圖 后臺(tái)軟件窗口 雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)板采用的驅(qū)動(dòng)板的具有極小的尺寸 ，僅×并支持電機(jī)電壓，欠壓保護(hù) 。雙路電機(jī)接口 ，每路額定輸出電流，其控制信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片邏輯相似 ，每路都支持三線控制使能 、正反轉(zhuǎn)及制動(dòng) ，使能信號(hào)可外接，正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)可串聯(lián)限位開(kāi)關(guān) ，具有有靜電泄放回路的特點(diǎn) 。其技術(shù)參數(shù)如表所示 。在控制信號(hào)接口處 ，不同的輸入信號(hào)則可以驅(qū)動(dòng)不同小車的運(yùn)動(dòng)方式 。和為控制信號(hào)電源 ，如果控制信號(hào)為，那么接；、分別為電機(jī)接口和電機(jī)接口的使能信號(hào) ，可以外接；為兩路電機(jī)正反轉(zhuǎn) 、制動(dòng) （或稱剎車 ）控制信號(hào) 。控制邏輯如表和表所示 。其中為低電平 、為高平 、×為任意電平 ，懸空時(shí)為高電平 。 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 年（）正面（）反面圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板說(shuō)明圖 使用峰值 大功率 值 電機(jī)接口 額定輸出電流 電機(jī)接口 額定輸出電流 使用光耦對(duì)全部信號(hào)進(jìn)行隔離控制信號(hào)電源指示燈 控制信號(hào)接口可使用常用的 間距 壓線頭 、排母或杜邦線進(jìn)行連接電源接口電源指示燈 尖峰電壓抑制 優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)壽命阻電容欠壓保護(hù) 門(mén)電路驅(qū)動(dòng)控制邏輯 靜電泄放回路表 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板參數(shù) 名稱 參數(shù)輸入電壓范圍 輸入通道數(shù) 路 每路額定輸出電流 每路瞬間峰值電流 控制信號(hào)電壓 每路控制信號(hào)電流 輸入 信號(hào)頻率范圍 輸入 最小脈寬 工作溫度 表 電機(jī)接口 控制信號(hào)邏輯 、輸出 × 剎車 × 懸空 正轉(zhuǎn)調(diào)速 反轉(zhuǎn)調(diào)速 全速正轉(zhuǎn) 全速反轉(zhuǎn)表 電機(jī)接口 控制信號(hào)邏輯 、輸出 × 剎車 × 懸空 正轉(zhuǎn)調(diào)速 反轉(zhuǎn)調(diào)速 全速正轉(zhuǎn) 全速反轉(zhuǎn) 結(jié)語(yǔ)針對(duì)溫室大棚中 ，因大量布線而不利于農(nóng)業(yè)耕作 、耗費(fèi)人力的環(huán)境參數(shù)檢測(cè)問(wèn)題 ，設(shè)計(jì)了一款智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人 。該機(jī)器人可以自主進(jìn)入待測(cè)區(qū)域大棚 ，進(jìn)行溫濕度檢測(cè) ，并通過(guò)信號(hào)將數(shù)據(jù)傳輸給中央控制系統(tǒng) 。未來(lái)可以將機(jī)器人推廣出去 ，因其運(yùn)動(dòng)范圍廣 ，參數(shù)采集精度高 。故可以根據(jù)實(shí)時(shí)的參數(shù)變化 ，利用中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析 ，極大的方便了遙控灌溉和施肥 ，對(duì)降低人工勞動(dòng)有重要作用 。參考文獻(xiàn)張慧 ，烏蘭巴干生態(tài)環(huán)境對(duì)植物生長(zhǎng)的影響及其環(huán)境的監(jiān)測(cè) 農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化 ，（）：李敏 ，曾明 ，孟臣 ，等溫室大棚單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào) ，（）： ， ， ， ，（）：呂芮棟溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)西安：西安工業(yè)大學(xué) ， ： ，姚於康發(fā)達(dá)國(guó)家設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、趨向和啟示 世界農(nóng)業(yè) ，（）：姚於康國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展現(xiàn)狀、基本經(jīng)驗(yàn)及其借鑒 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) ，（）：劉靜基于環(huán)境參數(shù)的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究重慶：西南交通大學(xué) ， ： ，呂小征 ，馮岷生基于 的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子科技 ，（）： ， ，（）：郭亮基于嵌入式技術(shù)和無(wú)線傳感技術(shù)的大棚溫室參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 沈陽(yáng) ：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) ， ： ，楊 磊 ，宋 欣 ，胡 文 韜 等預(yù)警勘探機(jī)器人的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 兵工自動(dòng)化 ，（）： ， ， ， ，（）：第 期 李毅 等 ：智能車載環(huán)境參數(shù)采集機(jī)器人的研制 楊文華 ，王勇激光導(dǎo)引 系統(tǒng)原理及應(yīng)用機(jī)器 人技術(shù)與應(yīng)用，（）： ， ， ， （ ，）： ， ， ， ， ， ：； （上接第頁(yè) ） ，（）：魏曉明 ，周長(zhǎng)吉 ，曹楠 ，等基于光照的日光溫室總體尺寸確定方法研究 北方園藝 ，（）： ， ， ， ，（）：袁余 ，李鵬程 ，李銘 ，等雙層膜日光溫室設(shè)計(jì)及其熱性能測(cè)試分析 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究 ，（）： ， ， ， ，（）： ， ， （ ， ，；， ，； ，）： “ “ ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ；