论文总字数：17660字

摘 要

由于现阶段农田除草方法主要为化学除草方法，而化学除草法的除草成功率不是很高，并且使用化学方法除草时除草剂不仅会喷洒到杂草上，还极易残留在所种作物和土壤中，进而造成一定的环境污染。本文设计了一种利用机械除草的机器人，此种方法不会对环境造成污染，且理论上能够满足现阶段从事农业生产人员的要求。

本文的主要工作内容如下。首先，分析了除草机要实现的功能。根据其性能需求，确定了该除草机功能实现的各个模块，即主控模块及外围电路，电机驱动模块和无线遥控模块，并进行相关资料搜索，明确各个模块实现所需的结构和方法。其次，根据各个模块的功能，找出可实现的方案，然后对方法的可行性和简洁性进行了论证，选择了相较而言较优的方法。最后，根据各个模块的功能与结构，在proteus环境中设计了总的硬件电路图，并在KEIL环境中用C语言完成了相关软件部分的设计，生成了HEX文件并将其导入单片机中，进行仿真，得出相关结果，检验了方案的可行性。

关键词：除草机；单片机；电机驱动

Abstract

Since most of the weeding methods in farmland at this stage use chemical spraying, some of the drugs sprayed will enter the soil and some will spread into the air, which is bound to cause unnecessary environmental pollution. And it's relatively inefficient. In this paper, a kind of robot using mechanical weeding is designed. This way will not only pollute the environment, but also can meet the demand of agricultural production personnel at the present stage. The main work of this paper is as follows:

Firstly, the function of the mower to achieve the analysis, according to the required requirements, the mower to determine the function of the realization of each module, namely the main control module and peripheral circuit, motor drive module and wireless remote control module, and carry out a search of relevant information, clear the structure and method of each module to achieve the required. Secondly, on the basis of the function of each module, the feasible scheme was found out, and then the feasibility and simplicity of the method were demonstrated, and the optimal method was selected. Finally, according to the function and structure of each module, the general design circuit was built in proteus environment, and in KEIL environment with C language programming, and compiled into HEX file imported into the SCM, simulation, get the relevant results, tested the feasibility of the scheme.

Key words: lawn mower; Single chip microcomputer; Motor drive

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2除草技术发展概况 1

1.3国内外研究现状及分析 2

第2章 系统功能分析及各结构选型 4

2.1系统功能分析 4

2.2机器人整体结构设计 4

2.3系统方案选择 5

2.3.1 除草机主体选型 5

2.3.2 运动控制模块选型 6

2.3.3 杂草检测模块选型 7

2.3.4 除草执行机构选型 8

第3章 系统硬件设计 10

3.1主控芯片及外围电路 10

3.1.1单片机最小系统 10

3.1.2稳压模块设计 11

3.2电机驱动电路 13

3.3无线遥控电路 16

3.3杂草检测电路 17

3.5系统总电路设计 18

第四章 系统软件设计 20

4.1电机驱动电路 20

4.2无线通信电路 22

第五章 结果与展望 23

5.1调试结果 23

5.2总结 23

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1引言

农田里的杂草影响所种植物的生长，并且与所种植物抢夺水分，阳光，养分等，进而降低作物产量。以水稻为例，全世界每年因为水稻田里的杂草引起的水稻产量的减产率达10%以上。因此合理的除去杂草将会带来诸多好处。典型的除草方法有人工除草、化学除草、生物除草以及机械除草等。其中人工除草的成功率较低，同时将耗费大量人力物力；而化学除草则是利用相关机器喷洒相应除草剂完成除草，其除草成功率相较于人工法更高，但其极易产生环境污染，甚至杀死农作物，而且长时间使用化学除草还会使相关杂草产生抗性，不利于继续除草；而生物除草则是利用生物相克的特性来进行除草，这种方法也有一定的局限性，且效率较低^[1]。而机械除草则是通过相应机械机构进行除草，对环境污染小，且效率相较于其他方法也较高，也由于上述原因，使得基于机械除草原理的除草机器人的研究变得很有必要。

此外，除草机器人的实现能够在一定程度上产生许多好处。其可以帮助人们完成除草工作，减轻工人的劳动量，此外还可以变相的增加粮食产量。而且近几年，我国第一产业的劳动力大量下滑，使得人工成本不断升高，而研究除草机器人可以减少相应农田种植中的人工成本，所以研究农业除草机器人具有重要意义。此外农业机器人技术水平能从侧面反映一个国家的农业自动化平，而农业自动化水平又是一个国家农业现代化水平的重要标志^[2]。因此农业机器人的研究具有一定的意义，也是未来农业现代化发展的必然。

1.2除草技术发展概况

自20世纪90年代以来，在美国等发达国家，由于农业机械设计和制造技术的成熟以及信息技术的迅猛发展，一些机电一体化产品已经开发并安装在农业机械上，从而使某些农业生产操作已经完成了机械化和自动化^[3]。以此为背景，衍生了许多种除草方法，例如生物法除草，化学法除草和机械法除草。以下为对各除草方法的优缺点进行分析。

生物除草是通过相关病原体、食杂草昆虫和一些植物来控制杂草。这项技术的最大特点是无污染。但是该除草方法也有一定的局限性，其只适合某些特定的场合，且除草效率不高，也正是由于这些原因，该技术的运用仍处于初级阶段，而且应用范围也不是很广^[4]。而化学除草是通过化学除草剂进行除草，具体应用于实际中则为在除草过程中采用药剂喷洒在杂草上的方式进行除草，虽然实施较简单，但该种方法极易对环境造成污染以及污染农作物，同时对人体也有一定的危害，此外由于大面积除草时往往会喷洒在农作物上，因此其除草效率一般也不高，其应用也不广^[5]。而机械方法除草则利用除草刀具等对杂草进行清除，其对环境产生的污染较小，且效率相较于生物除草和化学除草则更高。其既有其他方法的优点，也避免了这些方法本身的缺点，正是由于这些原因，现在国外关于除草方面的前沿研究依然是机械除草方面，从长远的角度来看，机械除草方法也有很大的发展前景。

1.3国内外研究现状及分析

我国早在2005 年就开始了对农业除草机的研究，其发展过程为由从化学除草法向机械除草法，再到智能化除草法的转变。首先，有人研制了基于化学方法除草的除草机器人系统，其主要用到的技术为与机器视觉相关的技术，包括通过机器人末端机构定位杂草位置的研究、依据模糊控制原理的导航算法研究、可按照输出改变相关控制参数的化学除草方法研究^[6]。其次，则主要进行了关于机器人运动过程中的导航算法和杂草精确识别的研究，并以此为依据研制了相关基于化学除草方法的机器人。该机器人的主体采用电机驱动，杂草的识别则是通过主控制器对杂草和农作物图像的处理后得到，识别杂草的依据为相关形态特征和密度特征。同时，在软件算法中加入相关程序以克服外接环境因素的系统识别准确率的干扰。最后，关于智能除草机器人的研究，我国在21世纪初研制了相关智能除草机器人，该系统采用的是机械除草方式，其传感与检测模块则根据杂草和农作物的图像特征来识别杂草，其主要用到的技术为模式识别技术。相关机械结构采用的是相关除草刀轮，将该系统投入运行后，对杂草的识别成功率约在85%，但由于相关成本原因，该系统的正式商用依然需要一定的时间。

由上可知，虽然目前我国逐渐重视农业机器人的研究，并肯定农业科技对农业生产带来的巨大影响，但目前我国的农业机器人研究仍处于初级阶段，并且农业机器人的发展还有很大空间，所以研究机械除草机器人具有一定的意义以及一定的前景。

对于国外的相关研究现状和分析如下，美国的科学家在20世纪90年代研制出了基于化学除草方法的除草机器人。其对于杂草的识别依靠机器视觉完成，该系统利用杂草和作物之间的形状特征并结合相应分离函数，从而识别出农作物和杂草。主控制器在接收到相关信号后，相应执行器工作，将药剂喷洒在杂草上，进而实现除草的功能^[7]。

丹麦的科学家于2002年也研制了一种用于除草的机器人。其主体为一个四轮小车结构，且其各种动作通过电机驱动模块控制电机来完成。其使用一台摄影机作为传感与检测模块，用以识别杂草和农作物。并且其还携带有相关的识别程序，使用多种不同的参数用以描述不同的杂草和农作物的不同，增加了其的适用范围。其导航模块则通过全球定位系统来实现^[8]。该机器人在试验田里的除草结果为其可识别并清除杂草，进而减少化学药剂的使用量。这种机器人的最新型号可以仅利用几克药剂，直接除去杂草，并且效率很高^[9]。但设计者的初衷是研发出来具有思考能力的利用机械法除草的机器人，直接拔出无用植株，而不是使用除草药剂。

荷兰的科学家也一直对除草机器人的研究投入了大量精力，科学家根据甜菜地的特性和生长环境研究出一种除草机器人，它利用摄像头作为机器人的双目进行杂草的识别^[10]。在实验中，在0.3m/s的速度下，科学家们成功把导航和实际环境的误差缩小到1mm内，并使转向偏差趋近于0。

澳大利亚昆士兰理工大学的学者们也研制了一种智能化的除草机器人。该机器人为四轮结构，其转向则通过控制后面两轮的速度差来完成，可实现前进，后退，转向等功能。且驱动轮与机器人主体连接处加入了固定机构，从而提高了其工作过程中的稳定性^[11]。其采用了机械法和化学法相结合的除草方法，即机械除草方法为主，化学除草方法为辅。除草时机器人移动到杂草处，除草刀轮转动除去杂草的主体，然后在切割后的断面上喷洒相应除草剂，除去杂草并减少杂草的再生率。该机器人除草的有效范围约为 1m ，只能除去农田行间的杂草，而不能去除行内的杂草，因此其应用范围也大大受限。

总之，虽然目前国外某些国家对除草机方面的研究大幅领先我国，但由于农业环境的差异以及作业对象的不同等原因，农业用的除草机还没有实现商品化，更没有大面积范围的使用^[12]。

第2章 系统功能分析及各结构选型

由于系统的总体方案设计将直接影响该系统的可行性与可实施性。因此系统各模块的选型也至关重要。本章的主要内容包括对所设计系统进行功能分析，根据相关功能确定其各个模块。然后对各个模块可选择的方案进行了比较和选择。

2.1系统功能分析

所要设计的除草机要能实现的功能是：除草机主体可沿作物行间半自主行走，且能识别出行内的杂草与农作物，若识别出杂草，则执行机构工作去除行内的杂草。其具体功能分析如下。除草机要实现行走功能，则其主体则为一小车式结构，故可通过单片机控制相应电机作为驱动器，即可实现行走功能。行走的除草机沿作物行间直线行走，期间通过红外传感器进行检测，如果行驶中如果红外传感器检测到了杂草，则主控制器控制向和执行器末端电机运转以除草，电机正转为断根除草作业，割草和断根，除草的功能通过除草电机带动刀盘的高速转动完成 。最后，要求可无线遥控控制除草机，可通过相关无线遥控模块通过RS232总线与单片机连接即可。

2.2机器人整体结构设计

根据机器人所要完成的功能，将系统划分为三大部分。第一部分电机驱动模块，第二部分为传感与检测模块，第三部分为无线遥控模块。此处简单介绍以上三大部分的基本构成，系统的总原理图如图2.1所示。详细的设计细节将在后续章节中进行讨论。

(1)电机驱动部分：此部分主要负责将无线遥控部分给主控制器发出的命令进行判断和执行，进而将其转换为电机驱动控制信号来完成主体的运动。且其运动可通过无线遥控模块控制，则可通过相关无线传输模块控制主控制器，进而实现对主体运动的控制。电机驱动部分要控制的电机有两种，即移动驱动电机和除草执行电机^[13]。

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