滩涂作业机器人，帮助我国成为世界红树林面积净增加的国家之一

探墓秘史 11-21 25

前言：

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文|探墓秘史

编辑|探墓秘史

时代在前进，科技在进步，方今在农业中应用机械化辅助已司空见惯，农业在中国经济的发展中具有重要的支撑作用，农业机械化程度也得到了很大的提高,为此红树林种植修复机械化将会成为一种必然趋势。

红树林种植修复技术现状与局限

红树林种植修复的重要性与现行主要方式

生长在热带、亚热带海岸潮间带的以红树植物作为主体的常绿乔木或者以灌木来组合成的湿地木本植物群落叫作红树林。

在维护遗传、物种等多样性、防止水土流失、防风固浪等各方面都具有极其重要的作用，除此以外，其还是长鼻猴、红肛凤头鹦鹉、马岛斑麻鸭等珍稀濒危水禽暂时居住停留的地方。

为了将红树林的所有价值都得以最大程度地发挥出来，当务之急是保护红树林生态系统。

近些年，我国在红树林修复保护工作中取得了较为显著的效果，各地方政府高度响应政府所提出的“绿水青山就是金山银山”这一科学论断，初步改善了红树林面积急剧减少的局面。

但我国在红树林修复保护工作上仍然存在着总面积偏小、物种或物种群体赖以生存的生态环境退化、外来物种入侵等问题。

当前红树林种植修复采用较多的是在深水、潮间等区域人工培养红树林幼苗，然后采用人工种植的方式，当然还有少量采用红树林辅助种植机器人进行种植的方式，即采用泥膜覆盖和红树林种子批量定位种植。

但经查询现有资料后显示，机械化在红树林种植方面上的应用还是整体偏低的，仍然需要投入较多的人工劳动力来辅助完成，这样将大大降低红树林种植修复效率。为此我们研制了一款自动化程度高的红树林种植修复机器。

现存红树林辅助种植机器人的优势与局限

红树林生长于特殊的环境中，同时在红树林种植修复工作中主要采用人工种植修复，为此我国在红树林生态修复工作中存在着一定的局限性。

采用人工种植存在着种植效率低、种植难度大、难以在海水退潮的有限时间（红树林种植只能在海水退潮时进行）内完成以及因无法保证种植时的密度、深度等的均一性致使成活率较低的问题，同时也因红树林生长的特殊环境导致普通的农业种植机器无法适用。

红树林辅助种植机器人应运而生。这种辅助机器人可以一定程度上减少红树林种植的相关问题，提高种植效率、减少人员投入以及大大提高红树林幼苗的存活率。但现有红树林辅助种植机器人都存在着自动化种植红树林幼苗程度低、无法远程操作、适应地形较少以及行走结构在滩涂易损坏等问题。

针对以上问题我们在现有机器的基础上结合实践设计了一款具有水陆两栖、自动播种、自动规划路径、巡航检测、人机交互等集多种功能于一身的自动程度高的种植红树林的机器——红树林滩涂作业机器人。

红树林滩涂作业机器人设计需求与实现条件

控制系统硬件设计

现今机器人多数采用单核控制、主副核协调和多核协调这三种控制方式，由于多核协调控制方法具有实时性好、易于维护、局部响应快等优点，因此红树林滩涂作业机器人选用了多核协调控制的方法，从而能够更好地实现自动规划路径、自动播种、巡航检测、水陆两栖、人机交互等多种功能的协调运行。

硬件系统组成

由树莓派主控板、STM32ZET6控制板、超声波测距传感器、AQMH2407ND双路电机驱动模块、步进电机驱动模块、24V直流减速有刷电机、24V步进电机、USB转TTL模块、定位模块、电源电路及控制电路、TL720D陀螺转角仪、无线路由器、DC一路转多路输出模块等组成了红树林滩涂作业机器人的硬件控制系统。

控制系统软件设计

为了提高红树林滩涂作业机器人的灵活度与准确度，在主控制器程序设计和维护方面，采用了灵活的C语言编写，相较于传统的汇编语言，C语言程序将更倾向于模块化，因此开发效率将更高，可移植性将比汇编语言更强，且支持浮点运算、控制更精细、更精确，减少了汇编不支持浮点运算所引起的误差累积。

控制系统主程序设计

程序主要搭建在树莓派、STM32ZET6芯片上，由树莓派提供导航系统数据和图像处理数据，由STM32ZET6芯片控制输出、控制各种电机的信号。

红树林滩涂作业机器人功能结构设计及关键技术

整体功能结构设计

红树林滩涂作业机器人由驱动行走机构、送苗机构、种植机构和控制系统四部分组成。驱动行走机构负责整个机器的运动驱动，主要由履带和气垫组成，装有四个40W直流减速有刷电机，并且以斜齿轮作为传动结构。

送苗机构负责传送待种红树林幼苗，主要由齿轮与传送链条组成传动结构；种植机构负责树苗的种植，主要由待种套筒和四连杆机构组成，并且以四连杆机构作为传动结构；控制系统负责发出指令控制各部分执行相应的动作。

红树林滩涂作业机器人具有水陆两栖、自动播种、自动规划路径、巡航检测、人机交互等多种功能，其功能实现如下：

通过卫星获取种植区域，利用Yolov4和SBL-PRM算法得出最适路径并反馈至驱动行走系统和植树协同系统，然后通过步进电机控制送苗机构，将带基土的红树林幼苗依次运输至槽口处并掉落至待种套筒中，紧接着通过伺服电机带动四连杆机构完成下潜工作以及通过400kg·cm的大扭力舵机来控制刹车线完成待种套筒的张合工作，从而控制待种套筒下潜实现挖孔及种植操作，操作完成后种植机构归位，机器继续行走至下一个植树点继续工作。

关键技术

为了让红树林滩涂作业机器人能够在地质复杂的滩涂地上自由行走且顺利完成红树林幼苗的种植作业，驱动行走机构采用半履带半气垫船的结构，其中履带具有接触面积大、良好的越障性能、能承受较大的载荷等的特点；气垫能增加与地面的接触面积减少对地面的压力，同时气垫也能够增强浮力，从而使得红树林滩涂作业机器人在水陆两栖上完成作业成为可能。

核心算法

红树林智能控制系统

先将种植区域进行划分，然后发送预种植区域坐标给林业局，以获取该滩涂地的卫星图像，之后对该图像灰度转换，并通过二值化检测获取可种植区域的轮廓，最后把该区域图形结构发送给路线规划板块。

基于Yolov4自动路径规划算法

Yolo系列的原理：将输入图片作为一个整体，通过CNN通道进行预测输出，因其具有速度快、准确度低的特点，所以准确度成为其优化的主要方向。

Yolov4在Yolo系列的基础上在准确度方面得到了大幅度的提升，在GPU加持的情况下还能达到实时检测。

红树林滩涂作业机器人通过卫星实时获取当地的环境图像，然后通过Yolov4算法检测出种植的区域以及区域周围的障碍物等实地状况。

SBL-PRM路径规划算法

分为学习阶段和查询阶段两个步骤的图像搜索方法是PRM。连续空间和离散空间的转换是它的功能之一，实现该功能后便利用A*等搜索算法在给定的路线图像上寻觅到路线，从而使得搜索效率提高。

能够用相对较少的随机采样点来找到一个最优解是该方法显著的优点，对于大多数的问题来说，相对较少的样本已经足够将大部分的可行空间覆盖住，并且它能够找到路径的概率达到1。

由此可见，当采样点存在偏少或者分布不合理的问题时，PRM算法是存在明显缺点的，但是随着采样点的增加，缺点将会变得不突出。

红树林滩涂作业机器人，通过Yolov4算法识别种植环境中的障碍物，然后再采用障碍物的采样策略来聚焦障碍物边缘的路标点，从而得到的路标图覆盖狭窄通道概率更高，进而实现提高搜索成功率。

再对生成的路径进行平滑处理，通过连接路径的两个端点进行碰撞检测，如果路径安全则以新的路径代替，最终得到最优路径，从而使红树林的种植达到预期目标。

路线规划算法

有了卫星图像规划的种植区域，再通过Yolov4自动路径规划算法识别障碍物在区域中绘制相应障碍形状，最后通过SBL-PRM路径规划算法在该区域内进行路线规划，得到最优路线，从而让红树林滩涂作业机器人进行种植。

自动巡航监测

自动巡航监测板块由机械结构和算法结构两部分组成，机械结构采用半履带半气垫船的结构，从而能够实现水上行走。算法结构采用yolo算法，以提取图像里的树形特征来作为判断树种生长状态的依据。

红树林生长在海岸边的滩涂环境中，受海洋涨退潮的影响。所以本机器设计为具有在退潮时土上种植，涨潮时机器水上巡航的模式。巡航的作用主要在于将被海浪冲走或者遭受虫害而被损害的红树林苗种的相关信息及时反馈回来，以达到及时补种的效果，从而提高红树林幼苗的成活率。

人机交互

虽然红树林滩涂作业机器人是一款自动化程度高的种植机器人，但为了防止因意外情况导致机器失控，红树林控制软件，来控制红树林滩涂作业机器人。

用户库建立与管理

数据库的建立是采取SQL注册表来完成的，同时数据库的维护工作采取dbms来进行，以此来实现建立、修改和访问数据库等功能，并能够在多个应用程序、用户能用不同的方法同时或不同时进行且正常运行，从而实现用户的注册、登陆和找回。

abms维护用户数据库的操作原理图，用户通过界面输入信息，信息通过服务器转存到abms中从而方便调取与使用。

物联网RC控制

采用树莓派上位机，借助网卡的流量上传，接入万维网，设置IP接口，登陆红树林控制软件便可以实现实时、无距离地控制红树林滩涂作业机器人。

定位导航系统

为了使机器的种植和巡航板块有一个基准系，并方便观察红树林生态修复进程，在红树林滩涂作业机器人上加入了定位系统，并把机器人位置与红树林修复状态呈现在人机交互界面上。定位系统采用GPS北斗双定位模块，支持多种卫星导航系统，其中包含了32个跟踪通道，这样可以同时接收到六个卫星导航系统的GNSS信号，并且实现联合定位、导航与授时。

总结与展望

在现有红树林种植修复事业的大背景下，红树林种植修复作业机械化与信息化已成为必然的趋势。

红树林滩涂作业机器人通过对新技术的运用，在经过实践检验与改进后能够较好地克服现有机械的不足与缺陷，较好地满足了红树林种植修复的需求。

自动化、信息化等新技术的运用将有助于启发红树林种植行业的变革与升级，具有良好的发展前景。

机械化、信息化已然是产业升级的必然需求，在未来，红树林滩涂作业机器人将通过与一线红树林种植作业紧密合作等的方式得到改进与进一步应用，使该机械能够在经受实践考验的前提下得到进一步推广应用。

参考文献

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