水田用小型除草机器人的研发

水田用小型除草机器人的研发福井工业高等专科学校机械工学科龟山建太郎＜多数采用的设计理念＞•大・中型车体•通过crawler将杂草碾碎•运行时通过图像处理等避开秧苗问题：失去控制时，有可能伤及秧苗研究背景：近年，通过无农药／少农药化生产农产品趋向高附加值化，另外随着老龄化加重劳动人口减少，出于以上多种原因，将工业技术应用于农业的相关研究变得十分活跃。。代表除草机器人：岐阜县信息技术研究所稻田作业领域：研发除草机器人小型除草机器人的概要•尺寸（单位：[mm]）•质量：３~5[kg]（包含电池）小型除草机器人的概要：理念：小型・轻量像鸭子一样游走于水田的机器人水平运行实验的情形（福井县农业实验场有机水田H26.May）容器直径长宽高180320280180前进方式：•车身浮动，通过左右车轮翻搅泥水获取推动力（不是车轮而是桨）•设定水深：30~50[mm]与以往机器人的不同：导引的思维＜以往的除草机器人＞按照“用履带碾碎杂草”的设想进行除草操控的前提是绝对不接触秧苗＜建议的除草机器人＞机器人对秧苗的影响很小，稍微接触不是问题（假定）→不需要精确的导引↓因为是假定，需要验证→与以往机器人的不同：除草方式＜链条除草＞该除草方法是通过人力等牵引链条，对深度在20[mm]左右的种子施以损害，防止杂草发芽、长大理念：链条式除草的机器人化‘’采用这一方法，在水稻移栽2-4天起，每隔5-7天进行4-5次操作，可将发芽期的杂草存活数减半”出处：新潟农总研，有机栽培水田简易链条除草机的制作方法及除草效果，“2010年度关东东海北陆农业”研究成果信息，2010．与以往机器人的不同：除草方式运用小型机器人的优点人／大型机械在移动时会搅拌土壤，会将深部的种子翻到表面，会生长杂草→小型机器人不会引起上述问题（假定）理念：链条式除草的机器人化除草期间：40~70[mm]150～300[mm]将5月中旬（插秧）～7月上旬（晒田）设定为使用期间原因：晒田时期稻子遮挡阳光，会阻碍杂草的生长1～1.5月研究内容：•「不影响水稻生长的小型除草机器人」确认理念的有效性•小型机器人的行驶性能（抗障碍性能，速度，行驶时间）•机器人对秧苗的影响•除草効果→运用无线设备进行水田行驶实验（2015~）•开发自动行驶系列•通过单独定位GPS与方位传感器开发导引式产品•通过模拟导引／探讨应用方法关于机器人对水稻成长的影响／除草効果的调查高专正门水田日野川＜所在地＞＜全景＞实验水田概要：•使用无农药水田（30x30[m]）（提供:e-komeechizen公司)•此水田采用的普通栽培（插秧~收获）实验概要／结果：确定行驶性能（2015）結果：约80[mm/sec]，（约30分，约150[m]）→100[m2]（1[a]）除草所需时间：约60分•用无线操控器进行实验•电池组：9.2[v],20000[mAh]（2500[mAh]×24本）目的：确定行驶持续时间，行驶距离，行驶速度方法：按蓝色路线行驶实验概要：确认对水稻的影响／除草効果（2015）＜手动除草机＞目的：1.确认对水稻的影响2.确认除草效果方法：•从5月11日到6月4日的25天，几乎每天都运行（装配链条）•发生故障时用手动除草机进行除草为了对比，分三个区域进行实验A：在水稻间行驶B：在水稻上行驶C：不采取任何措施A：稻间区A，B：稻上区B株間150[mm]条間300[mm]实验概要：确认对水稻的影响／除草効果（2015）行驶前行驶后成长后实验结果：行驶对水稻产生的影响＜稻间区A＞卷入部实验结果：行驶对水稻产生的影响＜稻上区B＞行驶前行驶後生长后結果：在这两个区没有发现对水稻的生长产生较大影响问题点：被卷入的部分出现发育不良实验结果：确认除草效果确认方法：•用肉眼观察确认•对水田所有者进行听取调查结果：与其他区域相比，行驶区一年生杂草减少无除草范围稻间区AB无无A＜一年生杂草＞由种子发芽＜多年生杂草＞由地下块茎发芽萤蔺鸭舌草稗子问题点：确认方法只凭借肉眼→导入定量评估方法在以往有关链条式除草的报告中也曾指出“一年生杂草减少”这一结果，因此是合理的。无法行驶的状态，可分为以下4个情况因垄高低差搁浅Case1因长大的水稻搁浅Case2实验结果：行驶时出现的问题（机器人搁浅）Case3因枯草等障碍物搁浅因撞上长大的水稻而停止Case4发现水稻被卷入的问题总结：水田行驶实验．关于“小型·轻量型除草机器人”，通过在栽种有水稻秧苗的水田中进行实验，确认了以下几点：行驶性能：可以在水田中行驶•实际测量行驶速度和时间（80[mm/sec]）•发生因障碍物搁浅／卷入秧苗→考虑变更机体形状／开发搁浅检测程序对水稻的影响：对产量无大影响除草効果：一年生杂草减少（肉眼测量）→实施定量性评估自动行驶系统的开发与以往机器人的不同：导引的思维＜以往的除草机器人＞按照“用履带碾碎杂草”的设想进行除草操控的前提是绝对不接触秧苗＜建议的除草机器人＞机器人对秧苗的影响小，稍微接触没有问题。（假设）↓•对导引精确度的要求降低•需要对理念进行验证→自动除草相关问题的整理小型除草机器人必备的能力•移动时不波及整块水田•掌握水田形状／设定路线／掌握除草完毕的区域•向指定方位（未除草的地方）移动•→考虑不需要精确的导航（探讨增加躲避局部秧苗功能的接触传感器等）除草机器人导引系统的构成•使用单独GPS定位和方位传感器指定位置/导引•GPS：AdafruitUltimateGPSV3（定位精度1.8[m]）•方位传感器：搭载HMC5883L传感器模块（SparkFun）GPS(GTPA013)方位センサ(HMC6352)プッシュスイッチ(PAS7B2M1CES3-5)ArduinoMEGAシリアル通信データ要求16bit信号電圧ON/OFFI2C通信LCDキャラクタディスプレイ16bitの信号M/D10bitの信号前後進，右・左旋回，停止動作PWM信号（2bit）MM2bitの信号PWM信号除草机器人导引系统的构想：系统构成GPS接收器开关×3方位传感器串行通讯数据要求电压方位传感器按钮开关的的字符显示器前进后退、左右旋转、停止动作×××××××××××××××除草机器人感应系统的构想：行驶路线：机器人：机器人×：秧苗基本导引程序1.水田左下方为基准点2.根据水田４角的坐标，掌握水田的形状3.为记录除草情况，将水田分块4.生成基本路线、（目标点）－－－－－－－－－－－4.巡回目标点（×）实验概要/结果：通过地上试验确认基本导引能力ロボットの通過跡（2回目）1.08m距離[m]時間[sec]制御期間[sec]11.143:140.521.081:110.131.041:09结果：确认在GPS定位精度内行驶实验方法：•在机器人10m外指定目标点，让其移动•重复直进/旋回等简单动作•评估最接近距离・时间实验概要：通过地上试验开发目标点巡回功能设定条件：•假定划分50[m]×5[m]的区域•目标点假定在以划分区域的顶点为中心长宽1.25[m]内。•ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー算法：1.根据开关定义分区的形状／自动设定目标点→开始行驶2.进入目标四周1m内视为到达，向下一个目标点行驶。实验概要：根据地上试验开发基本导引程序通过显示器确认目标点号码的变化（１→２）•构建适用于小型除草机器人这一概念的导引系统，通过地上试验确认其基本功能。•根据单独GPS定位，确认将机器人带至目标点的导引功能及巡回功能。•今后的课题：•在水田中，通过基本导引程序进行行驶试验•通过数据模拟对研究中的移动程序等进行实际操作总结：自动行驶系统的开发附录H21,22H23H24H25H26H27装置电路软件实验等本体试制品第二试制品除草剂试制品控制模拟M/D大型化初步试验模拟水田的行驶试验模型化运行系统探讨GPS测试自动化水田行驶试验（农业试验场）开发过程水田行驶试验（e-komeechizen公司）新一代农业研究会农业试验场(株)SHIMANO(株)eno越前※参考：＜采样估产是？＞应用预定：采样估产计算产量/除草效果的量化确认将一坪※稻作物分多个区域进行收割，从收割的重量预测水田整体的产量。（※约3.3[m2]）在A、B、C区域收割稻作物/杂草，分别比较其收割量。对杂草与秧苗影响的调查：在e-komeechizen公司的协助下实施（2015）（提供高专附近的无农药水田（30x30[m]）实施内容：将部分水田分成3部分（不行驶/陇上行驶／秧苗上行驶）核实内容：除草効果／确认对秧苗的影响（实施中）确定具有一定的除草效果，不会对秧苗的生长产生较大影响。关于改变车体的探讨1.防止Cese1至Case3の碰撞造成的车轮空转车轮直径的变化2.防止稻作物被卷入其中车宽的缩小3.防止因Case4的碰撞到稻作物导致无法前进本体底部形状的改变4.处理重量及重心变化浮标的设计关于改变车体的探讨1.车轮直径的变化目的：防止碰撞造成车轮空转内容：・车轮直径180mm→200mm・防止车轮接地变浅2.车宽的缩小内容：・将容器从圆柱体变成长方体・改变电池配置，设计用于固定的容器。・在保证容积的同时削减两侧空间・车宽：270mm→240mm目的：防止稻米被卷入其中目的：防止发生因碰撞到稻作物出现无法前进的情况内容：将浮标和容器底部做出弧度3.改变本体底部的形状4.浮标的设计目的：应对重量及重心的变化假设：・机器人浮在水面上保持水平・浮标沉入40[mm]水中・泥不会产生反作用力・能够忽略容器和浮标的质量・马达、电路、容器、浮标各有重心，车轮、电池的重心在车轴上。内容：根据力平衡和力矩平衡的关系，决定前浮标长𝑥1及び后浮标长𝑥2必要的整体浮力F𝐹=𝑀1+𝑀2+𝑀3𝑔车轮浮力𝐹1𝐹1=𝜌𝑔𝑉1必要容器和浮标的浮力𝐹2𝐹2=𝐹−𝐹1必要容器和浮标的排除体积𝑉2𝑉2=𝐹2𝜌𝑔机器人全长L𝐿=𝑉2𝐴A：容器及浮标的截面积目的：决定机器人全长L容器及浮标的中心与车轴距离𝑥𝐹2𝑥−𝑀1𝑔𝑙1−𝑀2𝑔𝑙2=0↓𝑥=(𝑀1𝑔𝑙1+𝑀2𝑔𝑙2)𝐹2𝐹2𝑥：容器及びフロートによるモーメント𝑀1𝑔𝑙1：モーターによるモーメント𝑀2𝑔𝑙2：回路によるモーメント前浮标长𝑥1𝑥1=𝐿2+𝑥−𝑙3前浮标长𝑥2𝑥2=𝐿2−𝑥−𝑙4目的：决定前浮标长𝑥1和后浮标长𝑥2其他零部件的设计内容：设计容器盖内容：追加护罩目的：设置防水开关目的：阻隔电机噪音密封护罩