طراحی، ساخت و ارزیابی یک روبات متحرک برای انجام عملیات سمپاشی در گلخانه

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه مهندسی مکانیک ماشین‌های کشاورزی و مکانیزاسیون دانشگاه شهید چمران اهواز

2 استاد گروه مهندسی مکانیک ماشین‌های کشاورزی دانشگاه تهران

3 دانشیار دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف

چکیده

وجود عملیات سخت و طولانی در بخش کشاورزی و اهمیت انجام صحیح هر یک از این عملیات که مستقیماً بر کیفیت و کمیت محصولات این بخش اثرگذار است، لزوم استفاده از تجهیزات مکانیزه و خودکار را امری بدیهی می­نماید.  هدف اصلی از این تحقیق، خودکار کردن عملیات سمپاشی گلخانه­ها به کمک یک وسیله نقلیه خودکار بوده که برای تحقق این هدف یک روبات متحرک ساخته شد و مورد ارزیابی قرار گرفت.  دستگاه ساخته شده یک روبات متحرک با دو چرخ محرک در قسمت عقب و یک چرخ هرزگرد در قسمت جلو و با فرمانگیری دیفرانسیلیاست.  از تابع کنترلی تناسبی (P) برای کنترل و هدایت روبات استفاده شده است. آزمون­های عملی در یک گلخانه در داخل راهروهایی با عرض 98/0 متر به منظور ارزیابی عملکرد روبات در پیمودن یک مسیر U شکل روی سطح سیمانی و همچنین ارزیابی عملکرد واحد سمپاشی آن انجام شد.  برای تعیین میزان انحراف روبات از مسیر واقعی در آزمون­های گلخانه­ای از شاخص آماری RMSE استفاده شد.  بر اساس نتایج ارزیابی عملکرد روبات در گلخانه، با افزایش سرعت پیشروی روبات، مقدار میانگین RMSE انحراف جانبی روبات نیز افزایش یافت.  حداقل مقدار میانگین RMSE در سرعت 15/0 متر بر ثانیه، 93/4 سانتی­متر و بیشترین مقدار آن در سرعت 35/0 متر بر ثانیه، برابر 51/6 سانتی­متر بود.  با افزایش سرعت پیشروی روبات، شعاع دور زدن، میزان پراکندگی مسیرهای دور زدن در تکرارهای مختلف از یکدیگر و فضای مورد نیاز برای دور زدن روبات در انتهای راهرو افزایش یافت.  از آزمون ارزیابی عملکرد واحد سمپاشی روبات نیز میانگین دقت واحد سمپاشی در "سمپاشی" 47/99 درصد و در "عدم سمپاشی" 92/99 درصد و در کل 69/99 درصد به­دست آمد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Design, Fabrication and Evaluation of a Mobile Robot for Spraying in Greenhouses

چکیده [English]

In recent years, researchers have tried to develop robots for agricultural applications. Robots make it possible to reduce human exposure to pesticide application risk. The aim of this research was to develop an automated method of spraying of plants in greenhouses. A three-wheel differential steering vehicle was designed and constructed to act as the greenhouse sprayer. Power was transmitted from two DC motors to two drive wheels through a gearbox and shaft system. A proportional controller was developed and tested to control the left and right motors, which navigated the aisles using information provided by ultrasonic sensors. After design and fabrication, the robot was tested on concrete surfaces at 0.15, 0.25 and 0.35 m/s inside a greenhouse along a U-shaped path 0.98 m in width. Spraying, safety and obstacle detection units of the vehicle were evaluated. The tests results showed that the average RMSE of the vehicle position was between 4.93 and 6.51 cm at different speeds. Increasing the speed increased the RMSE of the vehicle position. The performances of the safety and central station units of the vehicle were acceptable. The accuracy of the spray function was 99.47% and the no-spray function was 99.92%, which are acceptable for greenhouse applications.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Greenhouse
  • Mobile robot
  • Proportional control
  • spraying
  • Ultrasonic sensor
Aghkhani, M.H. and Abbaspour-Fard, M.H. 2009. Automatic off-road vehicle steering system with a surface laid cable: Concept and preliminary tests. Biosystems Eng. 103, 265–270.

Barawid, O.C., Mizusshima, A., Ishii, K. and Noguchi, N. 2007. Development of an autonomous navigation system using a two-dimensional laser scanner in an orchard application. Biosystems Eng. 96(2): 139-149.

Cho, S.I. and Ki, N.H. 1999. Autonomous speed sprayer using machine vision and fuzzy logic. T. ASAE. 42(40):1137-1143.

Daniel, R. and Parsons, S.D. 2003. Sprayer Technology-Controlling Application Rate On-The-Go, Agricultural and Biological Engineering Department Case R. Medlin Botany and Plant Pathology Department.

Iida, M. and Burks, T.F. 2002. Ultrasonic sensor development for automatic steering control of orchard tractor, Proceedings of the Automation Technology for Off-Road Equipment Conference. July 26-27, 2002. Chicago, Illinois. USA. pp. 221-229.

Kise, M., Noguchi, N., Ishii, K. and Terao, H. 2002. Enhancement of turning accuracy by path planning for robot tractor. Proceedings of Automation Technology for Off-road Equipment Conference. July 26-27, 2002. Chicago, Illinois, USA. pp. 398-404.

Kise, M., Zhang, Q. and Rovira-Más, F. 2005. A stereovision-based crop row detection method for tractor-automated guidance. Biosystems Eng. 90(4): 357-367.

Massah, J. 2004. Design, fabrication and evaluation of a robotic cultivating manipulator and end effectors with force control system. Ph. D. Thesis. Department of agricultural machinery engineering. Faculty of agriculture. Tarbiat Modares University. Tehran. Iran. (in Farsi)

Misao, Y. 2001. An image processing based automatic steering power system. ASAE Paper No. 013106. St. Joseph, Mich.: ASAE.

Shariati, S.I. 2004. Design and fabrication of a prototype manipulator for fruit detection in a special path. M. Sc. Thesis. Department of agricultural machinery engineering. College of agriculture. University of Tehran. Karaj. Iran. (in Farsi)

Shin, B. and Kim, S. 2001. Autonomous guidance system for small orchard sprayer with ultrasonic sensors. ASAE Paper No. 011193. St. Joseph, Mich.: ASAE.

Singh, S., Burks, T.F. and Lee, W.S. 2005. Autonomous robotic vehicle development for greenhouse spraying. T. ASAE. 48(6): 2355−2361.

Stombaugh, T.S., and Shearer, S.A. 2001. DGPS-based guidance of high-speed application equipment. ASAE Paper No. 011190. St. Joseph, Mich.: ASAE.