摘 要: 農業信息采集主要收集農作物的生長狀況和所處的環境特征，作為農藝操作的依據。傳統的信息采集 主要依靠人工觀察記載或儀器測量記錄，獲得的數據量有限，參考價值不高。為 此，設計了一種以鋁合金框架車 體為平臺的輪式機器人，具有行走控制、路徑識別和信息采集的功能，且在農田環境中行走平穩，能 夠識 別田間的空行和作物并規劃行走路徑。試驗結果表明: 機器人采集的信息數據與人工測量數據之間差異很小，符合農田環境的實際情況，可以為農業的信息化和智能化提供技術支撐。

　　關鍵詞: 農田環境; 機器人; 信息采集; 機器視覺; 傳感器

　　0 引言

　　信息化和數字化應用在農業的多個方面( 如農 藝、生產監控和信息采集等) ，且信息采集是新型技術 在農業中應用效果最明顯的領域。信息采集收集農 作物的生長狀況和環境特征，為農藝操作提供依據。 我國的單個農業生產區域面積小，分布零散，增加了 信息采集的成本和難度[1]。傳統的農業信息采集主 要依靠人工觀察和記載，或者利用便攜式儀器測量記 錄。李金雷等設計了一種手持的信息采集設備，可以 測量溫室內的溫濕度，但缺乏數據處理的能力，存儲 空間也有限[2]。

　　由于受到各種因素的制約，傳統的農 業信息采集只能獲得單一或少數的特征數據，且缺乏 連續性，參考價值很小。因此，農業信息采集技術的 革新是農業現代化的重要內容，對實現農業的信息化 和數字化具有重要意義。 新時期農業信息采集使用最多的是無線傳感網 絡和物聯網。無線傳感網絡是一種將布置在環境中 的各種傳感器通過無線通信連接起來形成整體網絡 的技術，具有成本低、能耗少和可靠性強的優點[3]。

　　陳桂鵬等利用智能手機在我國大量普及的優勢，設計 了一種基于 Android 操作平臺的農業環境信息采集系 統，具有多種功能和很強的擴展性[4]。數據的采集只 是手段，真正的目的在于通過對數據的分析獲得有用的作物和環境信息，因此對采集的數據進行深入 分析和模擬仿真是發揮數據價值的關鍵[5]。王嘉鵬 設計了一套農業信息采集系統，利用云計算方法處理 農作物生長過程中產生的數據，分析得到了作物生長 的最佳環境條件[6]。

　　與無線傳感網絡相比，物聯網的 算法魯棒性較低、數據冗余嚴重，但可以通過算法優 化加以解決[7]。 基于無線傳感網絡和物聯網的農業信息采集系 統是固定安裝的，只能采集特定區域內的信息。若要 對廣闊的生產環境進行監控，則需增加信息采集設備 的數量，從而必然帶來成本的上升。移動式信息采集 機器人具有良好的機動性，可以覆蓋更大的農業生產 區域，有利于解決上述問題。推進電機作為移動機器 人的動力核心，其性能對機器人移動的機動性和穩定 性有著直接的影響。因此，早期的研究集中在對機器 人的行走控制上，使機器人獲得了較高的可靠性[8-9]。

　　隨后，人們又對機器人的信息采集設備和數據傳輸硬 件進行完善，構建了完整的農業信息采集系統[10-11]。 褚凌慧采用蟻群算法來規劃行走路徑，使機器人的軟 件得到了升級，從而擁有更強的路徑選擇能力[12]。 近年來，無人機技術迅猛發展并被引入到機器人 上，賦予了機器人在田間越障的能力，可以從空中采 集農業信息。王玉山等設計了一種地空兩用機器人， 包括飛行控制系統、地面行走系統和信息采集系統， 擴展了農業信息采集的范圍[13]。

　　王偉等和李超藝也 開展了相關的研究，對地空兩用機器人的行走機構和 控制 模 塊 進 行 優 化，增強了其對環境的適應能 力[14-16]。 目前的農業信息采集機器人在設施農業中表現良好，但在農田環境中的適用性還沒有得到驗證。農 田環境中因素復雜，條件惡劣，對機器人的適應性提 出了更高的要求。為此，設計了一種適應農田環境的 信息采集機器人，對行走控制、路徑識別和信息采集 功能進行了針對性的設計，并在自然條件下進行試驗 驗證，旨在為實現農 業信息智能化采集提供技術 支撐。

　　1 總體設計

　　農田環境信息采集機器人以鋁合金框架的車體 為平臺，整體質量 25kg，尺寸為 0.8m×0.3m×0.5m。車 身具有多層結構，上層安裝電源、攝像頭和射頻接收/ 發射裝置，下層安裝各型傳感器、動力裝置和行走裝 置。車體的穩定行好，布局合理，維護也很方便。

　　機器人在遙控模式下工作，具有自主行走和采集 信息的能力。控制人員在遠程通過射頻裝置發送任 務信息，并設定相關的參數，啟動機器人開始作業。 機器人自主行走和采集農田環境信息，并實時發送回 控制終端，接受控制人員的監控。在自主作業模式 下，機器人具有行走控制、路徑識別和信息采集的功 能，可以完成對農田環境信息的采集。

　　2 行走控制

　　農業機器人的行走裝置有履帶式、腿式和輪式 3 種，其中的輪式裝置結構簡單，應用最廣。本設計根 據農田的特殊環境，結合輪式機器人穩定性好、移動 迅速和容易控制方向的優點，采用 4 輪的行走裝置。 機器人以蓄電池為電源，采用直流電機提供動力。直 流電機的啟動性能良好，可以通過電子技術準確控制 轉速，適合驅動機器人的輪式行走裝置。驅動裝置按照集中控制—分布驅動的方式布置，在 4 個車輪上各 安裝一部電機，電機的轉速由車載單片機控制，使各 個車輪都能單獨轉動和轉向。

　　3 路徑識別

　　機器人的路徑識別功能依賴于安裝在上方的攝 像機和機器視覺分析模塊。攝像機為 HD720 型高清 CCD 攝像頭，安裝高度 1.2m，采用防抖動設計。攝像 頭光軸與豎直方向的夾角為 60°，俯視拍攝形成 800 萬像素的 JPEG 圖像，由圖像采集卡轉換后供主控模 塊進行機器視覺分析。 主控模塊為惠普 286 型計算機，配置包括 Intel i3 處理器和 4G 內存，速度和性能可以滿足視覺分析的 要求。計算機安裝 Windows10 操作系統和 MatLab7.0 工具箱，用于對圖像的分析。機器人在行走過程中拍 攝的圖像含有各種噪音，采用 5×5 中值濾波的預處理 去除。

　　以水稻田為例，預處理后的圖像由水稻植株和 水面組成，水稻植株為灰色，水面為白色。根據水稻田光照強度的特點，采用 HIS 色彩空 間的 I 分量對圖像做灰度化處理，以此增強黑白效果 和不同物體的顏色差異。機器人以 水稻田中的空白水面作為行走路徑，其與水稻植株的 顏色有明顯的差別，因此選用顏色特征進行路徑識 別。

　　對 I 分量做最大類間方差分析，經過二值化后得 到不同目標的顏色特征閾值，采用閾值分割方法來識 別背景和路徑。閾值分割所得的圖像中黑色部分為 背景，白色部分為識別目標。最后， 以 Canny 算子檢測路徑邊緣，提取同一水平線上的兩 個邊緣點的中心位置，連接成的一條曲線即機器人的 行駛路線。

　　4 信息采集

　　機器人的信息采集模塊以美國微芯科技公司的 PIC18F87 型單片機為核心，穩定性好，功率消耗低。 單片機的最高速度達到 64MHz，具有 24 個串口的 12 位 A /D 轉換器及 2 個尋址 USART 模塊，能夠滿足信 息采集的要求。單片機通過串口與傳感器連接，對采 集的數據信息進行轉換和發送。

　　農田環境主要由空 氣、土壤和作物組成，因此信息的采集也針對這 3 個 部分。采集的空氣信息為空氣溫濕度、二氧化碳濃度 和光照強度; 土壤信息為土壤濕度及作物信息為作物 長勢。空氣溫濕度傳感器采用建大仁科的 RS - YS - GPRS 型記錄儀，結構緊湊，體積較小，可以方便快捷 地通過串口與單片機連接和數據傳輸。

　　二氧化碳濃 度由煒盛科技的 MH-Z14 型傳感器測量，采用模擬電 壓輸出，靈敏度和分辨率高，抗干擾性強。光照度傳 感器為精訊暢通的 JXBS - 3001 -GZ 型，體積較小、測 量精度高，通過 RS485 的模擬電壓輸出。土壤濕度傳 感器采用建大仁科的 RS-WS-N01 型，具有 16 位高精 度處理器，測量精度比傳統方法提高了 3 ～ 5 倍。

　　傳感器的感應部件為不銹鋼針，由機械臂將鋼針插入土壤 中檢測濕度，然后通過 RS485 的模擬電壓輸出。作物長勢信息的采集設備與路徑識別所用的機器視覺設 備相同，CCD 攝像頭的安裝高度為 1.5m，全方位轉動拍攝。以油菜為例，經過預處理和灰度化后，仍然通 過顏色特征參數識別油菜植株。 閾值分割所得的圖像中黑色部分為識別目標，白色部 分為背景，依據圖像中的植被覆蓋率來反映油菜的長勢。

　　5 試驗結果與分析

　　在本單位的油菜田中驗證信息采集機器人的各 種功能，設定任務參數后機器人自主行走并進行信息 采集作業。在機器人的行走路線上選取 5 個采樣點， 讀取機器人采集的空氣溫度、CO2濃度和土壤濕度的數據; 然后，利用便攜式儀器進行人工測量，比較兩種方法所得數據之間的差異。 試驗結果表明: 作業過程中，機器人行走平穩，狀 態穩定，沒有受到地勢起伏的影響; 機器人能夠識別 田間的空行和油菜植株，通過規劃行走路徑成功避開 障礙物，從而完成了信息采集作業。機器人采集的信息數據與人工測量數據之間的差異很小，符合農田環境的實際情況。

　　農業論文投稿期刊：《安徽農業科學》是由安徽省農業科學院主管主辦的綜合性農業學術期刊，國內刊號CN：34-1076/S;國際刊號ISSN：0517-6611，郵發代號26-20。主要刊登全國范圍的農、林、牧、副、漁業基礎理論、應用研究及農業經濟研究、農史研究等與農業有關的學術研究論文，追蹤報道各學科的最新實用的農業科技成果。

　　6 結論

　　為了在農田惡劣的環境中采集信息數據，設計了 一種以鋁合金框架車體為平臺、采用 4 輪行走裝置的 機器人，具有行走控制、路徑識別和信息采集的功能。 在自然條件下進行農田環境信息采集試驗，結果表 明: 機器人行走平穩，能夠識別田間的空行和作物，通 過規劃行走路徑避開障礙物。機器人采集的信息數 據與人工測量數據之間差異很小，符合農田環境的實 際情況。

　　參考文獻:

　　[1] 楊洪坤，周保平，王亞明，等.農業信息采集技術研究綜述 [J].安徽農學通報，2016，22( 22) : 109-112.

　　[2] 李金雷，張馨，鄭文剛，等.農業低功耗手持信息采集系統 研究[J].農機化研究，2015，37( 6) : 225-228.

　　[3] 陳誠，李必軍，張永博. 基于無線傳感器網絡的農業信息 采集系統設計[J]. 安徽農業科學，2016，44 ( 10) : 242 - 245.

　　[4] 陳桂鵬，嚴志雁，瞿華香，等.基于 Android 手機的農業環 境信息采集系統設計與實現[J]. 廣東農業科學，2014，41 ( 13) : 178-181.

　　作者：蘇 燕，梁 武