智能小车在智慧农业大棚中的研究与应用

关键字：智慧农业，智能小车，大棚监测，机械臂。

1 引言

随着农业现代化进程的加速，智慧农业逐渐成为农业发展的新趋势。大棚种植作为一种高效的农业生产方式，在全球范围内得到广泛应用。然而，传统大棚种植依赖人工经验管理，存在诸多弊端，如病虫害监测不及时，空气流通差导致细菌病毒滋生，影响作物生长与品质；人工管理成本高昂，大规模种植时人力投入大且易出现失误；人工管理难以保证对环境温度湿度的精准控制，影响作物产量与经济效益。本文所研究说明的智能小车，旨在解决以上问题，提升大棚种植的智能化水平。

2 研究背景与意义

2.1 大棚管理现状与挑战

在现代农业中，大棚作为一种重要的种植设施，为作物生长创造了相对稳定的小气候环境。然而，大棚同时作为一个相对封闭的空间，也带来了一系列棘手的问题。

大棚内容易滋生病虫害。温暖湿润且相对封闭的环境，对于许多害虫和病菌来说，简直是理想的滋生地。像常见的白粉虱，它们繁殖速度极快，在大棚中能迅速扩散，其成虫和若虫会吸食植物汁液，导致叶片褪绿、变黄、萎蔫，严重时甚至整株死亡；还有霜霉病，一旦在大棚内爆发，会在短时间内感染大量植株，使叶片出现水渍状病斑，随后逐渐干枯，极大地影响作物的产量和质量。

大棚内的空气流通状况较差，这使得各种细菌和病毒容易在其中积聚。由于空气无法及时更新，细菌和病毒有更多机会接触并感染作物。例如，灰霉病，光照不足、低温（20C 左右）、高湿（ 相对湿度 90% 以上 ）是灰霉病发生蔓延的重要条件而刚好温室大棚内一般光照不足，气温低，湿度大，结露持续时间长，非常适合灰霉病发生从而感染作物的花、果、叶等部位 [1]，不仅影响作物当下的生长，还会降低其储存性和商品价值，使得原本可以成为优质农产品的作物大打折扣。

目前，大棚种植的管理方式仍较为传统，主要依赖人工管理。管理人员需要频繁穿梭于大棚内植株之间，只能凭借个人经验来判断作物是否缺水、缺肥，所处环境的湿度温度是否合适，是否发生病虫害。但是这种方式效率低下，一个人能管理的大棚面积有限，而且容易出现判断失误。比如，在病虫害初期，可能由于经验不足而未能及时察觉，导致病情延误。另外，随着人工成本的持续攀升，大规模大棚种植的管理成本也水涨船高，大棚面积越大雇佣的人越多意味着更高的工资支出，这对于种植户来说，是一笔不小的负担，也在一定程度上限制了大棚种植产业的规模化发展。

2.2 智慧农业的发展趋势

在当今科技飞速发展的时代，智慧农业正以前所未有的态势，重塑着传统农业的生产格局。智慧农业是一种利用物联网、大数据、云计算等信息技术手段来提高农业生产效率和质量的新型农业模式 [2]，开启了农业生产的全新篇章。通过在农田、大棚等各类农业场景中部署大量的传感器和智能设备，智慧农业能够实时采集农作物生长环境的各类数据，像是土壤湿度、养分含量、空气温湿度、光照强度等，这些数据被源源不断地传输到数据中心，经过大数据技术的深度分析与处理，为农业生产决策提供精准且科学的依据，真正实现了对农业生产过程的智能化管理。

3 设计与实现

智能小车主要由小车，底板，机械臂三部分构成，主要模块包括红外感应模块，WiFi 控制模块，自动巡航模块。机械臂主要材料为PLA，聚乳酸合成开始向绿色生产方法上转变，出现了整齐聚合和酶聚合等方法，可以有效避免PLA 合成技术中有害溶剂的影响[3]。

3.1 红外感应模块

3.1.1 环境动态监测与路径规划

应用场景：温室环境复杂，C51 小车搭载红外模块可移动式巡检，实时监测不同区域的温度、光照或障碍物分布。结合红外反射传感器或热释电传感器（PIR），检测植物密度、设备状态。

3.1.2 作物健康状态监测

应用场景：植物病害或缺水时，叶片温度会发生变化，红外热成像模块（需较高成本）可检测温度分布差异。

低成本方案：通过红外反射传感器枯萎导致反射率变化间接判断叶片状态。

高成本方案：在小车顶部安装红外反射传感器阵列，扫描植物叶片反射的红外信号强度，对比健康植株的反射特征，标记异常区域。结合C51 单片机记录异常位置，生成病害分布图供管理人员参考。

红外避障：在小车前端安装红外反射传感器HC－SR505，

通过发射红外线并接收反射信号，判断前方是否有障碍物（如设备、植物过密区域），实现自动绕行。红外检测采用HC－SR505传感器，利用传感器 检测农业大棚内是否有人。

3.2 自动巡航模块

3.2.1 环境感知模块

3.2.1.1 红外避障传感器

型号：HC－SR505

功能：通过发射红外线并检测反射强度，判断前方障碍物距离（约2-30cm）。

安装：通常在小车前端安装 3-5 个传感器（左、中、右），形成多方向检测。

3.2.1.2 超声波传感器

型号：HC-SR04

功能：提供更精确的障碍物距离测量（ 2-400cm ），用于复杂环境下的避障。

3.2.1.3 巡线传感器（路径跟踪）

型号：红外对管阵列

功能：识别地面黑色引导线，实现循迹巡航（适用于温室固定路径巡检）。

3.2.2 控制核心模块（C51 单片机）

主控芯片：STC89C52

功能：接收传感器数据，执行控制算法，驱动电机动作。

扩展接口：通过GPIO 连接传感器，PWM 控制电机速度。

3.2.3 运动执行模块

3.2.3.1 电机驱动模块

型号：L298N

功能：接收C51 的PWM 信号，控制直流减速电机的转速和方向。

3.2.3.2 轮系结构

差速驱动：左右轮独立控制，通过差速实现转向（如左轮停、右轮转→右转）。

3.3 四轴机械臂模块

3.3.1 基座（Base）

3.3.1.1 作用

支撑整个机械臂，提供稳定性和基础旋转自由度。

3.3.1.2 组成

固定底座：通过螺栓固定在工作台或地面，确保机械臂稳定。

旋转平台：通过电机（如舵机或步进电机）驱动，实现机械臂整体的水平旋转（绕Z 轴）。

轴承：使用16004 深沟球轴承少旋转摩擦，提高运动精度。

3.3.2 连杆（Links）

3.3.2.1 作用

连接各关节，传递动力并支撑负载。

3.3.2.2 类型

大臂（肩部连杆）：连接基座与肘关节，机械臂的水平伸展范围，活动范围为 60-300mm_⨀ 。

小臂（肘部连杆）：连接肘关节与腕关节，影响末端执行器的垂直运动范围 100-300mm 。

3.3.2.3 设计特点

通常采用轻量化镂空结构（如三角形框架），兼顾强度和重量。同时增加加强筋，防止弯曲变形。

3.3.3 关节（Joints）

四轴机械臂包含四个旋转关节，每个关节对应一个自由度：

基座关节（轴1）：控制机械臂整体水平旋转（左右转动）

肩关节（轴2）：控制大臂的垂直抬升（上下摆动）。

肘关节（轴 3）：控制小臂的弯曲（上下摆动），调节末端执行器的高度。

腕关节（轴4）：控制末端执行器的旋转和开合。

3.3.4 末端执行器（End Effector）

3.3.4.1 作用

该机械臂应用于植株病变部分切割并对可治疗部分进行喷洒药剂。

3.3.4.2 常见类型

夹持器（机械爪）：通过连杆或齿轮传动实现开合，采用舵机控制板向舵机发送不 同脉宽的脉冲信号，实现舵机不同角度的转动。 负责病变部分切除，喷洒药剂治疗植株。

3.3.5 传动部件

3.3.5.1 作用

将驱动器的动力传递至关节或末端执行器。

3.3.5.2 部件

同步带与滑轮：轻量化传动，减少振动。

齿轮组：放大扭矩。

连杆机构：将旋转运动转化为直线运动。

3.3.6 辅助结构

线缆管理：内置走线槽或柔性套管，防止线材缠绕。

紧固件：螺栓、螺母、销钉，用于组装3D 打印部件轴承与衬套：减少关节摩擦，使用608ZZ 轴承、黄铜衬套。

3.3.7 有限元报告

3.3.7.1 概述

本报告基于有限元分析方法，对采用 PLA（聚乳酸）材料的四自由度机械臂关节进行静力学仿真分析。通过输入剪切力、位移及应力数据，评估材料在典型工况下的力学性能及变形行为，验证其结构安全性与可靠性。聚乳酸合成开始向绿色生产方法上转变，出现了整齐聚合和酶聚合等方法，可以有效避免PLA 合成技术中有害溶剂的影响。

3.3.7.2 模型与参数

3.3.7.2.1 材料属性材料：PLA弹性模量：3.5 GPa泊松比：0.36

屈服强度：30-60 MPa（典型值）

密度： 1.24g/cm³

3.3.7.2.2 边界条件

固定约束：关节与基座连接面（Z 轴方向位移为0）

载荷：剪切力 0.397MPa （作用面根据实际工况设定

网格类型：六面体单元，局部细化关键区域

3.3.7.3 仿真结果

3.3.7.3.1 应力分析

等效应力（Von Mises Stress）：最大值为 0.688MPa ，远低于 PLA的屈服强度（ 30-60MPa ），表明材料在静态载荷下处于弹性变形阶段，无塑性失效风险。

剪切应力：最大值为 0.397MPa ，与 PLA 的剪切强度（约 20-30MPa）相比，具有显著安全余量。

3.3.7.3.2 位移分析

X 轴位移：最大 0.0357mm ，主要由剪切力引起的横向变形。

Y 轴位移：最大 0.0002mm ，可忽略不计。

Z 轴位移：约束为 0mm ，符合边界条件设定。

3.3.7.3.3 变形评估

最大总变形量： 0.0357mm （集中于载荷作用区域），对机械臂关节的运动精度影响微小，满足常规机械臂定位要求（通常误差允许±0.1mm ）。

3.3.7.4 安全系数计算

安全系数（SF） σ=σ 材料屈服强度 / 最大等效应力 Σ=Σ 30 MPa / 0.688MPa≈43.6

结论：安全系数极高，设计冗余充足。

3.3.7.5 关键结论

强度验证：PLA 关节在给定载荷下应力远低于屈服极限，满足静 态承载需求。

刚度验证：最大变形量 0.0357mm ，对四自由度机械臂的精度影响可忽略。

材料适用性：PLA 适用于轻载、低速机械臂场景，但在长期交变载荷下需考虑蠕变风险。

3.3.7.6 优化建议

轻量化设计：可减少材料用量以降低制造成本，同时保持安全系数 >10 。

动态分析补充：建议增加疲劳寿命分析，评估循环载荷下的耐久性。

温度影响评估：PLA 在高温（ >60^∘ C）下软化，需校核热环境性能。

4 大棚中的应用场景

4.1 监测大棚内温湿度

温度是影响大棚作物生长的第一重要因素，在作物的生长发育过程中，温度过低会迟缓作物的生长发育，而温度过高则会导致作物容易发病。湿度对大棚内植物也有同样大的影响，湿度过高抑制蒸腾作用，促进病毒细菌滋生，湿度较低则影响植物的生长发育。

4.2 切除植株病变部分

植物病变是指植物受到病菌、真菌、病毒、细菌等病原体的感染，导致植物生理、形态结构或功能异常的情况，可能对植物生长、发育和产量造成负面影响。为解决植物病变问题，小车采用在机械臂上安装视觉系统的方法进行处理。

在小车上方机械臂的头端装有视觉系统，对植株进行现场拍照扫描，传输到终端进行分析。通过 OPENMV4 H7 PLUS 将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，图像系统会对这些数字化信号进行各种复杂且精密的运算，比如边缘检测、形状识别、颜色分类等，以此来抽取目标的关键特征，得到被摄目标的形态信息。根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制机械臂对病变部分进行切除。

4.3 自动巡航随时监控

现在大棚监空主要依靠人工巡航，需要大量的人力实践，导致劳动力成本提高不说，全凭经验判断植株情况存在一定风险，容易导致水资源浪费，施肥不精确，不能及时发现植株病虫害等问题，影响作物产量。

智能小车通过运用自动巡航系统解决此问题。智能小车自动巡航监控部分融合多种技术，具备多种功能，在硬件、软件及应用场景等方面发挥重要作用，小车装有红外扫描模块，车头前方装有接收及发射装置，在环境中布置黑线时，小车能够自动巡航的同时也可通过操控柄对小车进行实地操控，将其移动到合适的点位。

自动巡航方面通过 WiFi 和红外遥控自动巡航系统对智能小车进行操控，其中 WiFi 模块可实现远程控制，红外循迹模块使小车可以根据地上的黑带自动行驶，姿态传感器模块通过检测小车位置变化传出数据，经过处理后改变小车行进方向。由此实现手动或通过程序化控制定时操作，满足智慧农业系统内各种场景的应用需求。

5 结语

在当今科技飞速发展的时代，农业领域也正经历着深刻的变革，智慧农业成为了推动农业现代化发展的关键力量。本文提出了一种基于智能小车的智慧农业子产品，旨在通过智能化的设备提高大棚管理的效率，降低人工成本，降低测量误差，并实现对作物生长状况的实时监测。可预见，随着技术的不断进步，智能小车在大棚管理中的应用前景将更加广阔。未来，智能小车有望与更多的农业设施和技术深度融合，形成更加完善、智能化的农业生产管理体系，为智慧农业的发展提供源源不断的动力，推动农业产业向着更加高效、可持续的方向迈进。

参考文献

[1] 代秀莲 ， 申璐岚 ， 刘琴 . 设施蔬菜灰霉病的发生与防治 [J]. 中国园艺文摘 ，2015，31（02）：182+214.

[2] 汤思成 . 玉米栽培中的农机与农艺融合 [ J] . 当代农机 ，2024（2）：33，35.

[3] 张阿里布米 ， 吕旭彦 ， 路学成 . 聚乳酸的制备及其复合材料力学性能、结晶度改性研究进展 [J/OL]. 塑料科技 ，2025，（02）：187-192[2025-03-20].https：//doi.org/10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2025.02.034.

作者简介：李佳怡，2004 年12 月生，性别：女，民族：汉族，籍贯：山东省潍坊市，学历：高中，黄河科技学院农业工程专业学生研究方向：农业工程

基金项目：2024 年河南省大学生创新创业计划项目，项目名称：植株医生——智能小车在大棚中的实践与应用（项目编号S202411834020 ）研究成果之一；河南省机械工程名师工作室研究成果之一；郑州市机械电子工程名师工作室研究成果之一；河南省青年骨干教师资助项目：危险环境作业机器人研究与设计（项目编号：2021GGJS185）的研究成果之一。