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2016年第13届无处不在的机器人和环境智能国际会议（URAl）
2016年8月19日至22日，西安索菲特人民大厦西安人民广场
空地两栖农业信息采集机器人研究
王伟，李超义，凌慧珠，春雨曲
东北林业大学机电工程学院，哈尔滨
150040，中国（电话： 13936525739;电子邮件：36525739@163.com）
摘要：互联网的普及为农业信息化的发展带来了新的机遇，对农业信息及其设备的采集技术提出了新的要求。针对当前农业信息采集技术和模式存在的问题，为了获得更准确，更全面的农田环境和作物生长状况的信息，推动网络农业的发展，本研究开发了一种具有空中和地面双重功能的农业信息采集机器人。首先，适应农田复杂的地形，第二，根据农业信息采集的要求，设计了农田信息采集系统和飞行姿态监测系统。最后，在此基础上，制作了机器人原型并进行了测试。测试结果表明该机器人在智能内部飞行和农田作业中具有良好和令人满意的信息采集能力。它可以准确地测量智能温室中的温度和湿度，其图像处理结果很好地解释了作物的生长状况。
关键词：物联网;陆空两用;机器人;农业信息收集;图像处理
1.介绍
随着物联网技术在农业现代化进程中的普及，农业信息化是现代农业发展的必然趋势。全面，快速的农田信息获取是实现农业信息化的重要组成部分，对农业信息采集设备提出了更高的要求。
目前，国内外农业信息采集设备的研究取得了很多成果。例如：丹麦奥尔堡大学的API自主农业机器人[1]，这种机器人采用四轮驱动和四轮转向，可用于收集作物信息。通过分析这些信息，计算农药，化肥和水的施用量以及植物和农田的管理方式。由日本京都大学开发的六足机器人[2]可以在农田里行走，收集农田环境信息，使得人们可以实时调整农业生产计划。由伊利诺伊大学开发的蚂蚁机器人[3]可用于野外巡逻，使用蓝牙技术传输信息。由华南农业大学开发的面向农场的智能移动平台模型[11]是由两台直流电机驱动的，可以实时，动态地监控农业信息。由南京林业大学胡娜开发的农田信息收集机器人[12]，可以远程控制作物，利用车辆传感器收集农田信息和相关位置信息，然后将无线信息发送到计算机进行处理。由阜阳师范学院开发的UAC农田信息采集装置是一种基于无人机技术的信息采集系统，它可以克服传统大型飞机在空中对农田信息的拍摄时效性差，在云雾中分布速度慢等缺点。
总之，国内外农业信息采集机器人的研究在一定程度决了自动采集问题，为农业信息化的发展奠定了基础。但上述研究采用的采集方式多为地面步行机器人采集或飞机采集，相对单一，无法动态，自动，全面地获取农业信息。
为解决这一问题，本文提出了一种用于农业信息采集的地空两栖机器人。机器人可以携带多种传感器（如温湿度传感器，土壤温度传感器，土壤湿度传感器等）进行农田信息采集，可以从空气和气体两个角度获取智能温室环境信息和作物生长信息。该机器移动灵活，可靠性高，能耗低。它可以快速收集数据，以便于收集和汇总数据。因此，它可以满足智能温室农田信息采集的需求。
2.农业信息采集的空地机器人的整体结构及参数选择信息
2.1收集农业信息的空地机器人的整体结构
用于收集农业信息的空地机器人的整体结构如图1所示。它由地面行走机制，飞行机制，控制系统和信息收集系统组成。
图1.机器人的三维模型 1-行走机构 2-飞行机构 3-计算机控制系统 4-信息采集系统
2.2用于收集农业信息的空地机器人主要性能指标
- 步行速度：7~10米/分钟
（2）车辆重量：5.5kg
（3）体积大小：270 mmx 270 mmx 160 mm
（4）所需能量：蓄电池
（5）地面行走机构的驱动方式：由圆形转向发动机驱动
（6）驱动飞行机构的方式：由布鲁斯h-less电机驱动
3.地面两栖农业信息采集机器人设计
3.1地面行走机构设计及其运动学模型的建立
该机的地面行走机构如图2所示。它由铝镁合金框架结构制成。铝镁合金的密度小，车辆结构基本上是杆件组装，因此体重相对较小，可以保证空气和地面的双重用途。整个机构分为两层：上层用于飞行结构的支撑和定位;下层用于放置控制主板和电池。由于它在农田中工作时通常需要克服很多接地电阻，因此机器采用四轮驱动模式，四个圆形转向发动机驱动四个轮子，以提供大扭矩。由于机器的工作环境比较特殊，所以设计采用四杆机构，可以灵活摆动,以减少在整个过程中对身体造成的伤害及其可能对实验信息收集结果带来的影响。
图2：行走机构的示意图
图3.行走机构的运动学模型
四轮驱动行走机构的运动学模型如图3所示。为了得到轮速与机器人质心之间的关系，首先确定行走机构的四个轮子的布局，分别将四个轮子标记为AI，A1，A3，A4，I，4被定义为前轮，2,3被定义为后轮。将整个体的中心作为原点设置坐标系R，机器的纵向中心线为x轴，水平中心线为y轴。每个车轮轴的位置矢量坐标系是MI，M1，M3，M4，矢量Mi标记为（Xi，Yi）。
整机的平均行走速度设定为V.在坐标系下，沿X轴和Y轴的行走速度分别为Vx，Vy。每个车轮的速度可分解为切向速度和正常速度。四个车轮的切向速度分别标记为VI，Vz，V3和V4。（1）公式可以是：
3.2飞行机制的设计
该机的飞行机构由四个碳纤维机械臂，两个中心板，四个双叶前后螺旋翼和四个5V无刷直流电机组成。四个转子，作为飞行的直接动力，在四个方向（前，后，左，右）对称地分布在车身周围，四个转子处于相同的高度水平，四个转子的结构和半径相同。转子1和转子3逆时针旋转，而转子2和转子4顺时针旋转。四个电机对称安装在机器人的支架端。展台中间有飞行主控板和外部设备。
飞行机构图如图4所示，电机1和3逆时针旋转，电机2和4顺时针旋转，因此当机器人平衡飞行时，陀螺效应和气动扭矩的影响将得到平衡。由于转子翼在飞行体上施加的反作用力矩与转子翼的转动方向相反，所以当电动机1和3逆时针转动时，电动机2和4顺时针转动，它们可以抵消转子的转子转矩。从翅膀到机身，可以使机器平衡。
图4。飞行结构图
在明确了四个螺旋翼的旋转关系后，我们可以对四个螺旋翼的旋转产生的力和力矩进行建模分析。通过求解每个时刻与机器人飞行姿势之间的关系，我们可以得到公式（2）和公式（3）。
通过公式（2），（3）匹配四个螺旋翼产生的推力，可以得到飞行运动的六个自由度与无刷电机输出功率之间的关系，如图4所示。
3.3控制系统设计
机器人控制系统的核心是STM32F407计算机控制主板。电路板需要5 V电压驱动，内部存储容量为192k，运行频率可达168 MHZ，可保证极佳的运行速度。8个pwm输出端口通过电子调速器和转向控制模块与4个无刷直流电机和4个环形转向器相连，通过控制输出引脚电流水平的高低来控制转速和转向方向，以调整机器人的行走，飞行，变速，手势等。在主要时间，主板通过串口链接信息采集模块，因此可以控制信息采集模块和采集信息的过程。主控板的电源是连接到PWM输入端口的5 V直流电源。如图所示图5是基于单片机的控制系统结构图。
图5.控制系统结构图
3.4信息收集系统的设计
机器人的信息获取系统主要包括农业信息采集模块和飞行手势检测模块。其中，农业信息采集模块主要包括DHT温湿度传感器，FPV摄像头;飞行姿态检测模块主要包括三轴加速度计，三轴陀螺仪，三轴数字罗盘和高精度气压计。
由于温湿度数据是农业生产的重要依据，因此该机配备了DHT数字温湿度传感器。湿度测量范围为0-100％RH，测量精度为plusmn;2％RH。温度测量范围为-40至80，测量精度为plusmn;0.5 。可以看出，测量范围和精度完全可以满足农业信息的要求，可以准确反映温度和湿度数据。
为了使机器人具有更好的图像采集能力，该机配备了FPV广角1.88mm超清晰摄像机。相机分辨率可达到1280x960，像素为6毫安，电源电压为5v，尺寸为12.5mmx12.5mmx17mm。摄像机采集的图像将通过无线发射器和接收器在地面上传输，传输频率为0 f 2.4 GHz，然后图像可以在显示终端获得。由于它在2.4 GHz频段下工作，因此它具有很强的抗干扰能力，从而确保相对稳定的农田图像。图像传输方式的阻塞滑块如图6所示。
图6.图像传输方式图
三轴陀螺仪用于检测四轴旋转角速度; 三轴加速度计用于收集机器人加速度信息。高精度气压计用于收集机器人飞行高度信息。通过收集这些数据并调整飞行速度和姿势，机器人可以在农田的复杂环境中高效工作。
- 原型性能和信息处理路径
根据设计方案和参数测量要求，对地面两栖机器人原型进行了测试。该原型应用于进行运动性能测试和信息采集与处理性能测试，观察其农田行走和空中飞行能力以及温湿度检测，图像采集能力。此外，还进行了边缘检测实验。
4.1运动性能测试
4.1.1步行能力实验
为了确保在携带飞行机构和各种传感器之后，行走机构仍然具有良好的性能和跨越障碍的能力，在智能温室领域进行了行走能力测试，如图7所示。图a和b分别是行走机构的行走性能测试图像，其中包括行走机构和负载。试验结果表明，该行走机构仍具有良好的行走性能，满足了全场行走的基本功能要求。具体实验数据见表1。
图7.步行能力测试
表1步行实验数据
4.1.2飞行能力实验
原型组装完成后，进行了一系列飞行性能测试，包括空中飞行，空中悬停和耐力能力测试。其中，空中飞行和空中悬停实验均通过遥控实现，如图8所示，具体实验数据见表2。
表2飞行实验数据
原型的耐久性测试如图9所示。它是测试原型是否可以长时间工作而不会过热或失效。在测试期间，应该使用外部电源，因此原型可以飞行1小时。通过遥控控制其飞行的稳定性。
图8.飞行能力测试
图9.耐久性测试
从飞行试验结果可以看出，该机具有良好的飞行性能和高可靠性，可以保证信息采集过程中所收集信息的准确性和空中稳定性。
4.2信息收集和处理性能测试
4.2.1温度和湿度检测
在一天内，原型的温度和湿度检测在同一温室中进行。首先，在温室中选择10个测量点，并将温度和湿度传感器设置在这10个点中。在固定时间点收集数据，并将它们的平均值作为温室中温度和湿度的参考值。在同一时间点，原型用于检测温室中的温度和湿度，并获得实时数据。收集的数据见表3。
表3温度和湿度采集日期
通过比较两组数据，我们可以得到温度和湿度变化的曲线图，如图10和图11所示。图10和图11分别是温湿度对比曲线。我们可以看到原型测量的数据与参考数据相同，因此表明原型可以准确地检测温室中的实时温度和湿度，可以为后续农业生产提供可靠的依据。
图10.温度对比曲线
图11.湿度对比曲线
4.2.2裁剪图像采集和边缘检测实验
图12是原型收集的蓝莓图像。通过计算机技术分别利用DoG算子和LoG算子对蓝莓图像进行边缘检测，得到两种不同的边缘检测结果，分别如图13和图14所示。通过比较，
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