Agriculture Robotic Vehicle Based Pesticide Sprayer With Efficiency Optimization

Aishwarya.B.V, Archana.G UG Scholars, Department of Easwari Engineering

Chennai, India

ash.joe05@gmail.com

C.Umayal

Assistant professor, department of EEE Easwari Engineering College

Chennai, India cumayal@yahoo.com

Abstract—This paper deals with the exposition of how robotics can be applied to various fields of agriculture. One of the most important occupations in a developing country like India is agriculture. It is very important to improve the efficiency and productivity of agriculture by replacing laborers with intelligent machines like robots using latest technologies. The paper proposes a new strategy to replace humans in various agricultural operations like detection of presence of pests, spraying of pesticides, spraying of fertilizers, etc there by providing safety to the farmers and precision agriculture. The developed system involves designing a prototype which uses simple cost effective equipments like microprocessors, wireless camera, various motors and terminal equipments which is an aid to the farmers in various crop field activities.

Keywords—pesticide sprayer, agriculture vehicle, robot, stepper motor, solar, Maximum Power Point Tracking, Sprinkler

1. INTRODUCTION

Agriculture in India constitutes more than 60% of the occupation. It serves to be the backbone of Indian economy. It is very important to improve the efficiency and productivity of agriculture by simultaneously providing safe cultivation of the farmers. Operations like spraying of pesticides, sprinkling fertilizers are very tedious. Though spraying of pesticides has become mandatory it also proves to be a harmful procedure for the farmers. Farmers, especially when they spray pesticides, take too many precautions like wearing appropriate outfits, masks, gloves etc so that, it does not cause any harmful effects on them. Avoiding the pesticides is also not completely possible as the required outcome has to be met. So, use of robots in such cases gives the best of the solutions for these problems, along with the required productivity and efficiency. Cost effective technology using components such as PIC Micro controller for the control of agriculture robot, wireless camera to track the path of the robot, stepper motors which facilitate the robot wheels to move and joysticks to guide the robotic movement are incorporated in this agriculture robotic vehicle to make all of the above feasible.

The advancement in the field of robotics has widened and the fields of its application extend from home automations to military. Application of Robotics in the field of machinery design and accomplishments of tasks using agricultural vehicles had resulted in increased investment and research.

Continuous supervision of agricultural field is possible with automatic performance of such agricultural field is possible with automatic performance of such agricultural vehicles[1]. Abilities of the agricultural vehicles can be categorized as guidance, detection, action and mapping. The way of navigation by the vehicle is termed as guidance, extraction of environmental features is termed as detection and execution of the assigned task is termed as action and mapping the field with its features is mapping. All four categories are independent.

This paper is based on developing a robotic vehicle used in agriculture for spraying harmful pesticides. This project involves usage of PIC Microcontroller to control the movement of robot with the help of joystick (transmitter) and a receiver. The wireless camera mounted on the top of the vehicle tracks the path taken by the robot. This cost effective robotic vehicle can improve productivity, safety in agricultural applications and meet the demand for labor.

An automatic vehicle which is used for main or secondary agricultural task is said to be a service unit[2-4]. An intelligent master-slave system between the agricultural vehicles developed a semi-autonomous agricultural vehicle (slave) to follow a leading tractor (master) with a given lateral and longitudinal offset [5]. To acquire aerial hypersprectral data, low-cost, small, lightweight hyperspectral sensor system that can be loaded onto small unmanned autonomous vehicle was developed [6]. This system works efficiently even under unstable illumination conditions. A vehicle capable of detecting obstacles on its way and adjusting its seed was developed for tree fruit orchards [7]. The methodology was based on the classification and clustering of registered 3D points as obstacles. Robots implemented with RTK-GPS sensors and Wi-Fi was devised which focused on the control of several robot with respect to a reference trajectory, which was computed off-line. In this work non-linear transformations permit to achieve a total decoupled model [8]. Process of applying chemicals can be controlled by means of wireless sensor network deployed on the field [9].

1. DESCRIPTION OF THE PROPOSED SYSTEM COMPONENTS The proposed robotics model provides a facility to control

the movement of agriculture vehicle by the use of a PIC micro

controller. The micro controller is programmed using Embedded C software according to the signals from the switches provided in the joystick which control the motors.

1. Mother board

The motherboard consists of the PIC16F87X micro controller, crystal oscillator, and filters. The PIC microcontroller is the main controller which drives the entire robot. It gives command signals to the driver circuit which drives the stepper motor to run the robot. Optocouplers are present in the motherboard; these are optically coupled and electrically isolated with the driver circuit. This protec

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基于农业机器人车辆的农药喷雾器效率优化

Aishwarya.B.V, Archana.G UG Scholars, Department of Easwari Engineering

Chennai, India

ash.joe05@gmail.com

C.Umayal

Assistant professor, department of EEE Easwari Engineering College

Chennai, India cumayal@yahoo.com

摘要 :本文论述了机器人技术如何应用于农业的各个领域。像印度这样的发展中国家农业是最重要的产业之一。通过使用最新技术的机器人等智能机器取代劳动者，提高农业的效率和生产力是非常重要的。本文提出了一种新的思路，让机器人为农民提供安全和精准的农业方式，在各种农业活动中取代人类，如检测害虫，喷洒农药，喷洒肥料等。此次开发的系统涉及设计原型，该原型使用简单的、成本有效的设备，如微处理器，无线摄像机，各种电机和终端设备，这有助于农民进行各种田间务农活动。

关键词：农药喷雾器，农用车辆，机器人，步进电机，太阳能，最大功率点跟踪，洒水器

1. 介绍

印度的农业占所有产业的60％以上。它是印度经济的支柱。所以通过提供农民的安全养殖来提高农业的效率和生产力是非常重要的。喷洒农药，洒肥等操作非常繁琐，虽然喷洒农药已成为强制性要求，但研究表明他对农民来说是一种有害的行为。是当他们喷洒农药时，采取过预防措施，如穿着合适的服装，口罩，手套等，就不会对他们造成任何有害影响。由于必须满足上述的所以也不可能完全避免使用杀虫剂。因此，在这种情况下使用机器人可以为这些问题提供最佳解决方案，以及提高所需的生产率和效率。这种农业机器人车辆采用了具有成本效益的技术，其中包括用于控制农业机器人的PIC Micro控制器，用于跟踪机器人路径的无线摄像头，便于机器人车轮移动的步进电机以及用于引导机器人运动的操纵杆，使所有上述可行。

近年来机器人领域进步飞速，其应用领域从家庭自动化扩展到军事领域。机器人技术在机械设计和使用农用车辆完成任务方面的应用导致了投资和研究的增加。

通过这种农用车辆的自动巡航，可以对农田进行持续监测[1]。农用车辆的工作可以分为指导、检测、行动和制图。车辆导航的方式被称为引导，环境特征的提取被称为检测，并且所分配的任务的执行被称为动作并且映射具有其特征的字段的映射。所有四个类别都是独立的。

本文的基础是开发一种用于农业喷洒有害农药的机器人车辆。该项目涉及使用PIC单片机在操纵杆（发射器）和接收器的帮助下控制机器人的运动。安装在车辆顶部的无线摄像头跟踪机器人所采用的路径。这种具有成本效益的机器人车辆可以提高生产率，农业应用的安全性并满足劳动力需求。

用于主要或次要农业任务的自动车辆被称为服务单元[2-4]。农用车辆之间的智能主从系统开发了一种半自动农用车（从动），以跟随具有给定横向和纵向偏移的主导拖拉机（主）[5]。为了获得航空超级数据，开发了可以装载到小型无人驾驶自动驾驶汽车上的低成本，小巧轻便的高光谱传感器系统[6]。该系统即使在不良的照明条件下也能有效工为树果园开发了一种能够检测路上障碍物并调整其种子的车辆[7]。该方法基于注册的3D点的分类和聚类作为障碍。设计了用RTK-GPS传感器和Wi-Fi实现的机器人，其重点在于相对于参考轨迹控制多个机器人，该参考轨迹是离线计算的。在这项工作中，非线性变换允许实现完全解耦模型[8]。施加化学品的过程可以通过现场部署的无线传感器网络来控制[9]。

Ⅱ.拟议系统组件的说明

系统组件的描述所提出的机器人模型提供了控制设

施通过使用PIC微型农业车辆的运动控制器、微控制器

使用嵌入式C软件根据操纵杆中提供的控制电机的开关

信号进行编程。

A.主板

主板由PIC16F87X微控制器，晶体振荡器和滤波器组成。PIC单片机是驱动整个机器人的主控制器。它向驱动电路发出命令信号，驱动步进电机运行机器人。光学耦合器存在于主板中;它们与驱动电路光耦合并电隔离。这可以保护微控制器并确保数据离开微控制器，并且没有外部数据进入微控制器。它可以保护控制器免受大背电动势的影响，否则可能会损坏组件。要编程微控制器嵌入式C的使用。程序控制步进电机的运动。引脚图和信号如下图1所示。

图1. PIC单片机的引脚图

PIC16F8XX的核心功能包括高速闪存，在线调试能力，低功耗等[10]。微控制器采用哈佛架构，具有地址和数据总线，算术和逻辑单元以及寄存器等单元。这三种寄存器是

• • 通用寄存器，为8位，用作静态RAM
  • 工作寄存器也是8位容量，用于ALU操作
  • 特殊功能寄存器用于控制设备的操作，并由CPU和外围设备使用。

B.发射器和接收器

发射机的框图如图2所示。发射器板主要由IC（12E），434MHz频率的无线发射器，开关和a组成9V电池驱动电路。发射器IC由一个载波信号发生器（振荡器）和一个调制信号发生器组成，载波信号发生器产生434MHz频率的载波，调制信号发生器根据用户给出的指令产生调制信号，混合器混合信号和放大器增加然后将调制信号发送到发射机。发射器发射该信号。以下框图说明了工作原理。

图2.发射器的流程图

接收器板由IC（12D），434 MHZ的无线接收器和LED组成。接收器IC包括捕获RF信号的天线，放大弱信号的RF放大器，调谐器和解码器，其从载波信号解调特定频率的信息信号并执行所需的控制动作。接收机的框图如图3所示。

图3.接收器的框图

图4所示的发射器板主要由IC（12E），一个434MHz频率的无线发射器，开关和一个9V电池组成，用于驱动电路。发射器IC包括一个产生434MHz频率载波的载波信号发生器（振荡器），根据用户给出的指令产生调制信号的调制信号发生器，混合信号的混频器和增加的放大器然后将调制信号发送到发射机。发射机发射该信号[11]。

图4.发射器和接收器的硬件

C.无线摄像头和电视

无线摄像机用于作物图像的实时传输和远程用户（农民）的路径。无线摄像头安装在机器人顶部[12]。也可以调整相机的视角。基于RF的实时视频采集模块由无线摄像头和内置发射器组成。该发送数据由RF接收器接收，并使用适当的终端设备（电视）观看。实时流式传输允许农民专门引导和导航机器人。使用此功能可以远程操纵机器人。

而不是使用单独的微控制器，RF发射器，具有内置发射器的RF通信控制器无线摄像头，操纵杆和单个微控制器来控制机器人的整个工作，以简化和降低成本。

D.可再生能源（风）

动力对于驱动整个机器人运动来说至为重要。由于电池成本增加，重量和电池消耗被证明是使用可再生电源的主要原因。使用驱动电动机的风能产生动力。其他可再生能源如太阳能电池板也可用于发电和利用。

E .步进电机

步进电动机是无刷DC电动机，其通过多个步骤来进行旋转。根据来自控制器的输入电流脉冲，它通过固定的角度步进旋转。

使用步进电机而不是其他电机的原因：

• • 可以使用微处理器，计算机和可编程控制器直接控制步进电机
  • 它非常适用于各种自治系统中需要精确定位和精确速度控制的情况。
  • 它非常适用于开环控制系统，因为输出取决于发送到电机的脉冲计数，因此无需传感器或反馈系统，因此可以获得精确的输出，因此降低了总成本。
  • 步进电机没有失速问题。它可以长时间运行而不会产生回电动力，并且由于大电流而导致烧坏。因此，机器人将能够在特定位置喷洒杀虫剂所需的时间间隔。
  • 步进电机具有非常高的步进速率（每秒20000步）的能力
  • 与直流电机相比，步进电机的惯性非常小。对机器的控制将是精确和即时的。

在不同类型的步进电机中，我们使用混合式步进电机，因为它包含VR步进电机和PM步进电机的功能。在混合式步进电机中，如果A和B是两相，则它们交替激励，一次一个，首先是正的然后是负的，在逆时针方向上产生18°的旋转。[13]。两相步进电机如图5所示。

图5.两相步进电机

表I相步进电机真值表

A	B	角度
	0	0̊
0		18̊
-	0	36̊
0	-	54̊
	0	72̊

表I给出了两相步进电机的真值表。当步进角进一步减小时，机器人的平稳运动是可以实现的。

F.喷水马达

喷水马达用于喷洒农药。高速电动机用于以适当的速度和压力喷洒农药。农民使用操纵杆打开洒水马达。进行农药的预混合以实现更快和有效的田间结果。因此可以有效控制喷洒的农药量。由于电机的控制权在农民手中，因此可以在所需位置特定喷洒农药。可以使用各种新技术来提高喷射速率的效率和控制。

G.司机板

驱动板由预驱动电路，电源驱动电路组成。驱动板从微控制器接收2.4mA的电流。驱动电路由晶体管将信

2015年IEEE农业和农村发展信息通信技术创新国际会议（TIAR 2015）

号驱动至24mA。信号被发送到电源驱动器电路，电路

驱动器电路进一步驱动电流并提供驱动电机所需的电

流。它基于自动增益控制方法工作。信号从驱动电路

发送到步进电机。步进电机根据从驱动电路接收的脉

冲工作。驱动电路从电源变压器接收电源。

Ⅲ.可行方案

本文基于农业自动车辆的实施，该农业机器人车辆基于农民在运动开关的帮助下使用操纵杆给出的指令在作物之间导航。该车辆使用更便宜的部件，从而使车辆具有成本效益。来自操纵杆（发射器）的指令传输，接收器处的接收以及机器人的相应移动被描绘为如图6中所示的框图。

图6.机器人运动的流程图

机器人在作物之间导航时，提供了一种使用无线摄像头查看机器人的作物或路径的方法。在操作端接收信号并使用电视观看。因此，非常可能且简单地识别受害虫影响的作物。还示出了描绘视频传输的流程图。

A.视频传输

视频传输用框图描绘，如图7所示。

图7.视频传输

除了提议的项目的效率之外，还可以使用诸如风车或太阳能源之类的可再生能源，从而消除频繁的电池充电和机器人的中断功能，使得该车辆对于任何农民来说都非常可行和经济。完成的项目如图8所示。

图8.工作模型

此外，所提出的设计还包括喷洒马达。当相机检

查作物如茎蛀虫的作物时，能够同时在农作物上喷洒

杀虫剂，肥料，除草剂等。该项目有助于减轻农民的

辛勤劳动，并证明非常经济和有效。实验装置如图9所

示。步进电机安装在车轮上，车轮足够坚固，可以固

定在能够在几乎所有类型的地形中移动的车轮上。使

用步进电机，因为它的惯性几乎为零。这是一种陆地

载体，以便于目视检查受害虫如茎螟影响的作物，并

在特定位置均匀喷洒杀虫剂。无人机的效率不高，因

为无人机的推进风扇，几乎不可能检测到螟虫，并且

作物间的导航也可能导致叶片或作物其他部分的损坏

。由于使用电视而不是Android或PC接口，这种方法

对于所有在低规模和大规模种植的农民来说都是非常

经济和可行的。

图9.实验装置

这里存在很低的发生电池电源电压不足的可能。因

此为了提高机器人在现场工作期间的效率，使用电压电

平指示器，以便给出低电源电压的指示，这避免了机器

人的中断。

2015年IEEE农业和农村发展信息通信技术创新国际会议（TIAR 2015）

Ⅳ.技术附加的未来范围

1. 太阳能板

建造的车辆主要基于风能供电。在本文中，我们还提出了一种利用太阳能进行发电的方法，并且还使用最大功率点跟踪系统进行优化，该系统包括跟踪太阳光，从而将面板移向最大太阳能的点。辐射导致最大输出电压。有两种方法可以进行跟踪。他们是

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