摘 要: 農業領域的重點工作是收割，隨著農業現代化技術的發展，追求安全、可靠、高效的農產物收割是智慧農業發展的重點。本文基于物聯網技術，提出一種遠程無線控制方法，解決水果的半自動采摘，提高每工時的生產效率。通過無線遠程控制流動站上的機械臂在果園中漫游，農戶可以使用固定有各種傳感器的手套遠程控制它，這些傳感器可以將機械臂遠程定位以收獲水果。本文討論了固定有各種傳感器的手套的設計、4自由度機械臂和無線控制接口的設計，并對系統的設置以及實驗室條件下的測試和評估進行了分析。

　　關鍵詞:智慧農業;無線控制系統;機械臂;傳感器

　　Abstract: The key work in the agricultural field is harvesting. With the development of agricultural modernization technology, the pursuit of safe, reliable and efficient harvesting of agricultural products is the focus of the development of smart agriculture. Based on the Internet of Things technology, this paper proposes a remote wireless control method to solve the semi-automatic fruit picking and improve the production efficiency per man-hour. By wirelessly controlling the robotic arm on the rover to roam the orchard. farmers can remotely control it using gloves fixed with various sensors, which can remotely locate the robotic arm to harvest fruit. This article discusses the design of gloves with various sensors fixed, the design of a 4-degrees-of-freedom robotic arm, and a wireless control interface, and analvzes the system setup and testing and evaluation under laboratory conditions.

　　Key words: smart agriculture, wireless control system, Robotic Arm; sensor

　　1 引言

　　農業收割作為智慧農業發展的一個重要領域，實現自動化運轉是推進農業現代化進程的關鍵，利用農業機器人完成除草、收割、噴施肥料、播種等農業日常工作，代替了大量的勞動力，提升了農作物的生產效率。本文基于農業機器人應用實踐，以水果收獲為研究對象，通過配置有機械臂和攝像頭的流動站佩戴固定各類傳感器的手套，用戶遠程控制該流動站，完成水果的大產量收割。

　　農業機器人技術在很多方面需要分析及研究，利用部分研究成果采用無人感應和機械系統設計實現了自動農用車實現農業收獲的自動精確收割。文獻[1]中將自動農用車輛分為四類：制導，檢測，行動和制圖，同時該文獻還討論了行動小組下使用的各種傳感器，包括LiDAR、測距激光傳感器、人工視覺系統、測距聲納傳感器等，并詳細討論了在地圖上定位自動駕駛汽車的各種算法;文獻[2]中介紹了使用多光譜特征的果園水果分割，詳細介紹了如何將圖像處理技術和算法應用于機器人農業監視任務的水果分割問題。當前用于農業細分的分類方法使用手工制作的基于應用程序的功能。相關研究結果證實結合特征學習算法和條件隨機場來應用多光譜圖像數據，可以為農業提供更優的服務。文獻3]中提出了基于視覺的導航機器人的類似工作，作為農業機器人中無人駕駛車輛不可或缺的一部分。文獻[4]中討論了精準農業(Pr-

　　ecision Agriculture，PA)中按需滴水的雜草控制，其中除草劑的施用被控制為單個小滴，文中討論了在用于雜草控制的此類機器人中控制液滴動力學的流體動力學和電子設計。文獻[5]中討論了用于修剪和水果收獲應用的低成本機械臂。

　　2系統設計

　　2.1 手套控制單元

　　如圖1所示為設計的手套原理架構圖，由用戶控制單元、機械臂收割單元組成。其中用戶控制單元內置有加速度計、陀螺儀和彎曲傳感器的手套，加速度計提供加速度和傾斜度，而陀螺儀提供角速度和方向。機械臂收割單元是固定手臂的流動站，通過嵌入傳感器，并與微控制器單元(單片機，MCU)連接。手套中嵌入了三個加速度傳感器，用于控制4個自由度臂的3個環節，通過兩個柔性傳感器來控制刀具心。

　　其中用戶控制單元是控制信號發送端，機械臂收割單元是控制信號接收端。發射端模塊包含所有傳感器、藍牙和MCU，均集成到可穿戴設備中，可穿戴設備將用戶手臂的實時關節角度傳輸到機械臂。

　　2.2傳感器設計

　　系統使用3個MPU6050 IMU(Inertial Measurement Unit，三軸加速度)傳感器，每個傳感器都具有集成在單個芯片上的3軸加速度計和3軸陀螺儀，使用PC串行接口。可穿戴設備的設計使其可以將IMU放置在用戶的手臂、前臂和手上。撓曲傳感器的平整電阻為25k歐姆，彎曲電阻為45k-125k，在本文的應用中，將撓性電阻器放置在手套的食指處以測量其彎曲量，柔性傳感器的實現如圖2所示為柔性傳感器電路圖[9]。

　　2.3藍牙模塊設計

　　Arduino Pro Mini MCU與可穿戴設備上存在的所有傳感器通信，Arduino Pro Mini是基于ATmega328的微控制器板。使用1C通信協議訪問IMU，并使用片上ADC采樣來自彎曲傳感器的輸入。MCU使用IMU數據計算手臂不同部分之間的角度，并通過藍牙模塊HC-05將這些角度和撓曲傳感器數據發送到機械臂。

　　3實驗

　　3.1 實驗設計

　　用于水果采摘的可穿戴手套具有固定的基座，整個機械臂都建立在該基座上。有三個帶有四個伺服電機的鋁通道，可在4.8-6V電壓范圍內工作，最大行程為199.5 度。該機械臂的設計類似于具有手臂、肩膀、肘部和腕部的關節的類人手臂。使用該機械臂可以實現總共四個自由度，其中三個是俯仰運動和側傾運動，末端執行器可以被認為是一種附加的自由度，在這種情況下，末端執行器可以通過以所需的方式切割來閉合其爪子。

　　(1) 角度計算

　　MCU從每個IMU中獲取6DOF數據。每個IMU的角度都是使用加速度計和陀螺儀數據來計算的，陀螺儀給出繞特定軸的角度的時間變化率，陀螺儀的當前角度(方向)的計算如下：

　　(2) 數據采集與傳輸

　　Arduino MCU使用I2C通信協議與IMU傳感器通信。數據采集執行過程如下：a)每個IMU通過從睡眠狀態喚醒來初始化;b)Arduino通過一次向單個IMU分別提供+5V電壓來啟用每個IMU;c)啟動與所選IMU芯片的通信。MCU總共向傳感器請求12個寄存器，分別對應6個自由度，采集完所有寄存器后，通信中斷，MCU繼續讀取下一個傳感器;d)對采集的數據進行操作之前，MCU重復此過程三次，以從3個IMU傳感器中的每個采集數據。撓曲傳感器的值映射到50到230的合適范圍。計算完成后，將形成以下格式的字符串：，，，，Cend effecter-value>。字符串通過串行端口發送到藍牙模塊，藍牙模塊將字符串發送到接收器端的藍牙模塊。

　　(3)數據接收及解碼

　　Arduino將通過存儲從藍牙模塊獲取的值來處理接收到的數據，直到第一個逗號的值都將被存儲為肩角。讀取的所有角度將存儲在用逗號分隔的不同存儲位置中，測試解碼的角度的有效性，并且僅當每個角度在每個關節的指定范圍MIN_VALUE到MAX_VALUE中時才有效。

　　3.2實驗結果分析

　　系統測試設置包括一個4自由度機械臂，該機械臂帶有輕質鋁通道，其中一個用作固定鏈接，其余三個用作移動鏈接。切割器的末端執行器連接在最后一個鏈接上，在該測試設置中，該切割機將修剪保持在其范圍內的細樹枝。用戶戴上帶有傳感器和MCU設置的手套，如圖3所示，通過使用拇指和食指來模仿裁刀動作。

　　在所有用戶執行不同的預定義手勢(每個手勢10次，共定義了4中手勢，分別為G1、G2、G3、G4)的情況下，表1中列出了平均成功百分比。從表中可以看出，當用戶全部執行10次手勢時，G1的平均成功率均為99%，而G3和 G4均為98%。

　　對于每個手勢，都會捕獲手臂反應的視頻并分析反應時間，端到端藍牙發送和接收時間對于任何類型的手勢都是恒定的。類似地，發射器、手套和接收器之間的藍牙配對時間、機械臂也保持不變，可忽略延遲計算時間，延遲的變化僅取決于傳感器響應手勢的速度以及用戶控制單元處將信號提供給MCU的速度，以及該MCU將這些信號轉換為命令的速度。在機器人收割機一側，當接收到命令時，它們必須由MCU解碼，然后在每個自由度處將控制信號生成到相應的伺服電機。表2為用戶手勢的反應時間統計，四個不同用戶對所有四個手勢的反應時間在800到980ms的范圍內，定時差為180ms.

　　4 結束語

　　隨著農業機器人技術在所有發達國家帶來農業領域的革命，本文介紹了機械臂的設計和實現，該機械臂可以使用固定有各種傳感器的手套遠程控制。將使用戶能夠在控制室而不是在現場控制手臂，并在實驗室中進行的某些測試，包括成功/失敗測試和反應時間測量測試，結果證明本文所設計的系統在遠程控制性能方面較優。

　　參考文獻 :

　　[1] Auat Cheein F A,Carelli R.Agricultural Robotics:Unmanned Robotic Service Units in Agricultural Tasks[J].IEEE Industrial Electronics Magazine,2013,7(3):48-58.

　　[2]Calvin Hung，Juan Nieto，Zachary Taylor，et al.Orchard fruit segmentation using multi-spectral feature learningC//2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.IEEE，2014.

　　[3]Sharifi M，Chen X Q.A novel vision based row guidance approach for navigation of agricultural mobile robots in orchardslCV/International Conference on Automation.IEEE，2015：251-255.

　　[4]Urdal F，Utstumo T，Jan Kâre Vatne，et al.Design and Control of Precision Drop-on-demand Herbicide Application in Agricultural RoboticsC//13th Intemational Conference on Control，Automation，Robotics and Vision，ICARCV.IEEE，2014.

　　[5]Megalingam R K，Vignesh N，Sivanantham V，et al.Low cost robotic arm design for pruning and fruit harvesting in developing nationsCJ//2016 10th Intemational Conference on Intelligent Systems and Control(IS-CO).IEEE，2016：1-5.

　　[6]王雪，智慧農業遠程監控系統設計J.農業與技術，2019，39(8)：29-30，146.

　　[7]翟凌字，孫凱旋，基于云計算的智慧農業物聯網云平臺[J].軟件，2020，41(1)：258-262.

　　[8]邱宇，王持，齊開悅，沈耀，李超，張成密，過敏意.智慧健康研究綜述：從云端到邊緣的系統J.計算機研究與發展，2020，57(1)：53-73.

　　[9]王雪·智慧農業遠程監控系統設計J.農業與技術，2019，39(8):29-30,146.

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文章名稱： 基于物聯網技術的智慧農業無線控制系統設計

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