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正文

基于STM32的多功能遥控农业车控制系统设计

摘   要: 为解决农业车在不同地形( 尤其是在山地) 的作业问题,设计了一款基于 STM 32 F103 ZET6 单片机的多功能遥控农业车,可配套作为运输车、割草机及打药机等设备的动力底盘。智能遥控农业车采用遥控履带底盘,主要包括底盘机架、控制两侧行走的第一驱动电机和第二驱动电机。农业车通过内部程序和外部接收器进行遥控操控运动,保证在不同地形实现车的多角度运动。遥控农业车以 STM 32 F103 ZET6 为核心处理器,将遥控器接收机与单片机相连,通过输入捕获程序获取 PWM 脉宽值,再进行计算获取输入电机的电压,最后通过 DAC 转换成模拟量输出。电机油门线在输入电压为 0.8 V 时启动,3 V 时达到设定最大速度,控制器处理实现了数模转换,输出对应电压值。通过实地测试,水泥、泥泞和碎石道路均可正常通过,坡度角度可控制在 30 ° 以内。
关键词: 遥控农业车; 电机控制; 履带底盘; STM32 单片机; PWM
引言:随着科技飞速发展,智能农业机械发展也势不可挡,传统农业迎来新发展空间。智能化农业的改革、提高了农业生产效率,将是未来很长一段时间要努力发展的方向[1-3]。在国外,尤其是美国和德国,有关人工智能移动机械的研究经验和成果已经相对成熟: 一是研究起步早,二是各方面支持资金充裕。反观我国的农业机械,由于地域复杂、缺少核心技术、盲目引 进、市场不完善等原因,导致我国农业机械智能化水 平较低[4]。在移动机械设备中,农业车辆作为当代农 民基础的农业机械化应用,其智能化具有更广泛的应 用前景。针对上述问题,设计了一款操作简单并具有 遥控功能的智能农业车,可通过遥控完成前进、后退、左转、右转、原地转圈及在某处制动作业的要求。该农业车可配套作为运输车、割草机、打药机等多种设 备的动力底盘,满足山地、丘陵等困难地形的作业要求,具有很高的经济效益和社会效益。
一、农业车总体结构与主要功能
1、样机结构
      遥控农业车主要分为机械部分和遥控部分,如图1 所示。








1.       驱动电机    2.底盘机架    3.履带    4.负重轮
5.拓展机架    6.电瓶    7.电气控制箱    8.驱动轮。

图 1 农业车结构图
2、主要功能要求
      多功能遥控农业车要求作业范围较广,可适应多种地形,且具有一定的爬坡越障能力,还要求动作迅速平稳。因此,设计要满足以下要求:
(1)利用遥控操控多功能农业车的运动轨迹,考虑到使用者的知识水平有限,要保证操作简单易行。
(2)采用履带底盘,令田间或山地作业更加便利, 在斜坡工作时稳固,不易翻车,便于工作。
(3)使用闭环元件,并将工作的状态随时反馈给控制系统,从而使电气系统从一定程度上满足其可操作性与稳定性,为操纵系统的一系列指令提供数据基础,使农用车的动作满足一定的精度要求,避免死机现象。
二、控制系统硬件设计
1、主控制器
      本设计主控制器选择 ARM 公司生产的 M 系列意法半导体芯片 STM32F103ZET6,32 位微控制器,储存空间和内存较大,72M 频率令 CPU 运行速度最大化,多个定时器确保信号通道的独立性,使农业车接收信 号顺畅无卡顿,高速、低成本且可保证小车各个动作 的可控性[5]。
2、电源及中间继电模块
      为减小误差,实现控制器与农业车共地,选择农业车内电瓶为主控制器提供 24V 电源,设置两组电源输入/ 输出接口,其中两组 5V 输出口分别为接收机和继电器供应电压[6]。为防止传输过程中电流过高及更直观检测到信号的切换,将继电器与控制器数字量引脚连接。5V 电源输入输出如图 2 所示。








图 2 电源输入输出接口
3、启动模块
      设计采用一键式下载电路,提前设置好  BOOT0 =0,通过串口的信号自动配置。启动模块电路如图 3所示。








图3 启动模块
4、数模转化模块
      设计采用 12 位数字输入数模转换模块,通过该模块输出模拟量电压,且数据设置为向左对齐。数模转换模块设有 2 个输出通道,且每个输出通道配有独立的转换器。在双数模转换的方式下,所有通道既可单独工作,也可共同工作,且能够同步更新通道的输出。数模转化模块电路图如图 4 所示。








图 4  DAC 模 块
5、无线数传模块
      将 32 单片机与无线数据接收机相连,选用R12DS 型号接收机作为 2.4G 混合双扩频技术十二通道接收机,支持 SBUS 和PWM 信号同时输出。每个遥控器都拥有独立 ID 编码,使用设备前接收机必须与遥控对码; 对码完成后,接收机会贮存遥控器 ID 编码,且对码仅一次即可。无线接收机如图 5 所示[7]。







图5 R12DS 无线接收机
6、定时计数模块
      定时计数模块用于测量接收到的信号脉宽。计时器均设为独立运行,相互之间无资源共享,每个计数器设有 4 个独立通道,计数器时钟分频系数设定为1 ~ 65 535 之间的一个值。
三、控制系统软件设计
1、软件设计基本思路
     软件部分设计可通过库函数进行编程,也可直接利用寄存器。库函数就是封装寄存器的底层操作,两者操作大同小异。
2、姿态控制系统原理及设计设计
      主要针对多功能遥控农业车姿态控制系统。遥控接收器将遥控 PWM 信号发给 32 单片机,STM32F103 微控制器根据不同的 PWM 脉宽进行不同判断。为适应在不同地形行走,利用姿态控制算法对电机转速进行调整,依据公式输出不同电压给控制 器,进而控制电机运动方向及转速,实现前进、后退、左转、右转、原地转弯等功能[8-10]。
        图 6 为基于 STM32 多功能遥控农业车的前进后退流程图。当遥控接收机一个信号之后,接收机 CM3 通道接收到后传至单片机,判断其 PWM 脉宽是否在1550 ~ 1900μs 之间; 若接收到的 PWM 值位于此区间则执行下一步,通过( pwm - 1550)  × 8. 4 + 1000 进行计算,得出应输出的电压,并通过 DAC 数模转换传送出去,分别通过两个管脚供应给直流电机控制器,控制 器再传送至直流电机,电机正转、前进。如果此时接 收机接收到的 PWM 值不属于 1550 ~ 1900μs 之间,接着判断其是否属于 1080 ~ 1450μs 之间; 如果此时满足条件,则再利用姿态控制算法进行分析,通过公式得 出电压值。在输出电压之前,首先需要控制继电器开 关闭合,此时接通电机的反向线;  同前进一样,此时电机通过控制器控制反转,农业车后退。最后,如果输 入的值均不在这两个范围内,则农业车应处于制动状态。














图 6    前进后退流程图
       图 7 为基于 STM32 多功能遥控农业车的左右转流程图。此转向借鉴阿克曼转向原理,利用左右轮差 速进行转向。接收机 CM4 通道接收到 PWM 值后先进行判断,看脉宽是否小于 1 400μs; 满足条件后进行下一步,判断 PWM 脉宽是否在 1 100 ~ 1 200μs 之间。如果满足条件,需要继电器接收低电平信号开关闭合转接反向线,电机反转,PA4 输出电压上升,PA5 电压保持原输入不变,此时快速左转; 若不满足 PWM 脉宽在 1 100 ~ 1 200μs 之间,再一次判断,是否 PWM 位于 1 200 ~ 1 400μs 之间,此时令 PA4 电压输出降低, 而 PA5 电压输出保持不变,亦可进行缓速左转。当脉宽不小于 1 400μs 时,进行另一判断,看 PWM 信号是否位于 1 500 ~ 1 700μs。若满足这个范围,继电器开关闭合,接电机反向线,此时 PA5 输出电压上升,PA4电压保持原输入不变,农业车加速右转。接着进行判断,若此时 PWM 信号位于 1 500μs 到 1 700μs 之间,PA5 电压输出降低,而 PA4 电压输出保持不变,小车慢速右转。最后,若以上范围都不满足,小车应该选择制动[11-13]。













图 7   左转右转流程图
3、输入捕获配置步骤
(1)初始化定时器和通道对应的时钟;
(2)初始化 IO 口、定时器、输入捕获通道[14];
(3)开启捕获中断,使能定时器,设置中断服务函数。
4、数模转换设计
(1)开启 PA 口时钟;
(2)使能 DAC1 时钟;
(3)初始化 DAC 并设置 DAC 的工作模式;
(4)使能 DAC 转换通道;
(5)设置数模转换的输出值。
四、样机性能试验
       多功能遥控农业车样机如图 8 所示。通过对样机实地测试,测得不同情况下电机的最大转速和爬坡 角度、平均运行速度、遥控距离等参数,分别如表 1 和表 2 所示。由表 1 和表 2 可以看出: 遥控农业车在悬空状态下、水泥路、田间泥土地下行走时均可以保持 电机转速在 200r / min 左右。这说明,该车稳定可靠, 满足各种情况下的作业。在性能测试上,无论泥泞还 是水泥亦或多石路面,均可保证 30°爬坡能力; 平均运行速度保持 15km / h,速度均衡,便于作业; 可操控距离较长,操作人员可远距离跟随。








图 8 多功能遥控农业车样机
路况
爬坡角度
/( °)
平均运行速度
/km·h-1
遥控距离
/m
水泥路 30 15.0 500
田间泥泞道路 28 13.6 500
碎石道路 29 14.5 500










表1 农业车性能测试
 

电机
转动
方式
履带
悬空
水泥路
泥泞
道路
泥泞
道路
左侧电 正转 208 205 200 202
反转 206 203 198 200
右侧电 正转 208 205 197 199
反转 208 205 197 199













表2 电机转速测试
五、结论
       针对农业车在不同地形作业的问题,设计了一款多功能遥控农业车。以 STM32F103ZET6 微处理器为核心,通过相应算法对遥控信号进行一系列处理,最终以模拟量输出到电机,对农业车进行操作。试验表明: 农业车不仅操作简单,而且适用于山地、丘陵、公路、多石泥泞道路等多地形,可满足 30° 爬坡需求,具有驻车再启动等功能。与其它农业作业车相比较,该车除适用人群广、操作简单外,还具有较大的负载能力和更强的配套性,可以与割草机、打药机、旋耕机及施肥机等相搭配,使农业作业更加方便快捷,具有很高的经济和社会效益。
参考文献:
[1]   Se  S,Lowe  D,Little  J. Mobilerobot  localization  and  mapping with the unsafe use of scale-invariant Visual landmarks [J]. The International Journal of Researches,2002,21 ( 8) : 735-758.
[2]   Civera J,Davison A J,Montiel J M M. Inverse depth parame- trization for  monocular  SLAM[J]. IEEE  Transactions  on  Ro- botics,2008,24( 5) :  932-945.
[3]   Strasdat  H,Montiel  J  M  M,Davison  A  J.  Visual  SLAMrwhy filter?  [J].  Image and Vision  Computing,2012,30( 2) : 65-77.
[4] 段向敏,代荣. 精确农业背景下我国农业机械发展趋势[J].农机化研究,2013,35( 12) : 229-232.
[5]   刘军,张洋. 原子教你玩 STM32[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2013: 1-45.
[6]   周柱. 基于 STM32  的智能小车设计[J].  技术与市场,2011,18( 6) : 1-2.
[7]   王进.  车载 GPS 动态监控与智能交通平台[J].民营科技,2013( 7) : 30.
[8]   史雷鸣.变速器齿轮疲劳破坏的分析与研究[J].农机化研究,2013,35( 3) : 227-231.
[9] 罗文飞.嵌入式技术信息家电万能遥控器的设计与实现[J].信息系统工程, 2013( 2) : 25-26.
[10] 冯进成.农业机器人的研究与实际应用[J].科技致富向导, 2012( 8) : 156-156.
[11] 刘峰,吕强,王国胜,等.四轴飞行器姿态控制系统设计[J].计算机测量与控制, 2011, 19( 3) : 583-585.
[12] 张俊峰,李敬亚.山地果园遥控单轨运输机设计[J].农业机械学报, 2012, 43( 2) : 90-95.
[13] 蒋苹,胡文武,罗亚辉.机滚船遥控驾驶系统设计[J].农业工程学报, 2009, 25( 6) : 120-124.
[14] 孙士诚. 机床嵌入式数控系统中模拟量I /O 单元研究[D].广州: 华南理工大学, 2015.[11] 张蕴,赵政文,方海. 嵌入式电力控制系统中子系统的设计与实现[J]. 航空计算技术, 2009, 39( 2) : 72-75.
[15] 张晓莉,孙立斌. 步进电机精确控制算法在电力控制中应用[J]. 科技通报, 2014, 30( 2) : 86-89.
[16] 符晓芬. 拖拉机控制系统液压驱动与电力驱动性能分析[J]. 农机化研究, 2018, 40( 9) : 238-241.
[17] 奚秀芳. 电力自动控制系统应用于拖拉机的优越性分析[J]. 农机化研究, 2019, 41( 3) : 264-268.
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基于STM32的多功能遥控农业车控制系统设计
摘   要: 为解决农业车在不同地形( 尤其是在山地) 的作业问题,设计了一款基于 STM 32 F103 ZET6 单片机的多功能遥控农业车,可配套作为运输车、割草机及打药机等设备的动力底盘。智能遥控农业车采用遥控履带底盘,主要包括底盘机架、控制两侧行走的第一驱动电机和第二驱动电机。农业车通过内部程序和外部接收器进行遥控操控运动,保证在不同地形实现车的多角度运动。遥控农业车以 STM 32 F103 ZET6 为核心处理器,将遥控器接收机与单片机相连,通过输入捕获程序获取 PWM 脉宽值,再进行计算获取输入电机的电压,最后通过 DAC 转换成模拟量输出。电机油门线在输入电压为 0.8 V 时启动,3 V 时达到设定最大速度,控制器处理实现了数模转换,输出对应电压值。通过实地测试,水泥、泥泞和碎石道路均可正常通过,坡度角度可控制在 30 ° 以内。
关键词: 遥控农业车; 电机控制; 履带底盘; STM32 单片机; PWM
引言:随着科技飞速发展,智能农业机械发展也势不可挡,传统农业迎来新发展空间。智能化农业的改革、提高了农业生产效率,将是未来很长一段时间要努力发展的方向[1-3]。在国外,尤其是美国和德国,有关人工智能移动机械的研究经验和成果已经相对成熟: 一是研究起步早,二是各方面支持资金充裕。反观我国的农业机械,由于地域复杂、缺少核心技术、盲目引 进、市场不完善等原因,导致我国农业机械智能化水 平较低[4]。在移动机械设备中,农业车辆作为当代农 民基础的农业机械化应用,其智能化具有更广泛的应 用前景。针对上述问题,设计了一款操作简单并具有 遥控功能的智能农业车,可通过遥控完成前进、后退、左转、右转、原地转圈及在某处制动作业的要求。该农业车可配套作为运输车、割草机、打药机等多种设 备的动力底盘,满足山地、丘陵等困难地形的作业要求,具有很高的经济效益和社会效益。
一、农业车总体结构与主要功能
1、样机结构
      遥控农业车主要分为机械部分和遥控部分,如图1 所示。








1.       驱动电机    2.底盘机架    3.履带    4.负重轮
5.拓展机架    6.电瓶    7.电气控制箱    8.驱动轮。

图 1 农业车结构图
2、主要功能要求
      多功能遥控农业车要求作业范围较广,可适应多种地形,且具有一定的爬坡越障能力,还要求动作迅速平稳。因此,设计要满足以下要求:
(1)利用遥控操控多功能农业车的运动轨迹,考虑到使用者的知识水平有限,要保证操作简单易行。
(2)采用履带底盘,令田间或山地作业更加便利, 在斜坡工作时稳固,不易翻车,便于工作。
(3)使用闭环元件,并将工作的状态随时反馈给控制系统,从而使电气系统从一定程度上满足其可操作性与稳定性,为操纵系统的一系列指令提供数据基础,使农用车的动作满足一定的精度要求,避免死机现象。
二、控制系统硬件设计
1、主控制器
      本设计主控制器选择 ARM 公司生产的 M 系列意法半导体芯片 STM32F103ZET6,32 位微控制器,储存空间和内存较大,72M 频率令 CPU 运行速度最大化,多个定时器确保信号通道的独立性,使农业车接收信 号顺畅无卡顿,高速、低成本且可保证小车各个动作 的可控性[5]。
2、电源及中间继电模块
      为减小误差,实现控制器与农业车共地,选择农业车内电瓶为主控制器提供 24V 电源,设置两组电源输入/ 输出接口,其中两组 5V 输出口分别为接收机和继电器供应电压[6]。为防止传输过程中电流过高及更直观检测到信号的切换,将继电器与控制器数字量引脚连接。5V 电源输入输出如图 2 所示。








图 2 电源输入输出接口
3、启动模块
      设计采用一键式下载电路,提前设置好  BOOT0 =0,通过串口的信号自动配置。启动模块电路如图 3所示。








图3 启动模块
4、数模转化模块
      设计采用 12 位数字输入数模转换模块,通过该模块输出模拟量电压,且数据设置为向左对齐。数模转换模块设有 2 个输出通道,且每个输出通道配有独立的转换器。在双数模转换的方式下,所有通道既可单独工作,也可共同工作,且能够同步更新通道的输出。数模转化模块电路图如图 4 所示。








图 4  DAC 模 块
5、无线数传模块
      将 32 单片机与无线数据接收机相连,选用R12DS 型号接收机作为 2.4G 混合双扩频技术十二通道接收机,支持 SBUS 和PWM 信号同时输出。每个遥控器都拥有独立 ID 编码,使用设备前接收机必须与遥控对码; 对码完成后,接收机会贮存遥控器 ID 编码,且对码仅一次即可。无线接收机如图 5 所示[7]。







图5 R12DS 无线接收机
6、定时计数模块
      定时计数模块用于测量接收到的信号脉宽。计时器均设为独立运行,相互之间无资源共享,每个计数器设有 4 个独立通道,计数器时钟分频系数设定为1 ~ 65 535 之间的一个值。
三、控制系统软件设计
1、软件设计基本思路
     软件部分设计可通过库函数进行编程,也可直接利用寄存器。库函数就是封装寄存器的底层操作,两者操作大同小异。
2、姿态控制系统原理及设计设计
      主要针对多功能遥控农业车姿态控制系统。遥控接收器将遥控 PWM 信号发给 32 单片机,STM32F103 微控制器根据不同的 PWM 脉宽进行不同判断。为适应在不同地形行走,利用姿态控制算法对电机转速进行调整,依据公式输出不同电压给控制 器,进而控制电机运动方向及转速,实现前进、后退、左转、右转、原地转弯等功能[8-10]。
        图 6 为基于 STM32 多功能遥控农业车的前进后退流程图。当遥控接收机一个信号之后,接收机 CM3 通道接收到后传至单片机,判断其 PWM 脉宽是否在1550 ~ 1900μs 之间; 若接收到的 PWM 值位于此区间则执行下一步,通过( pwm - 1550)  × 8. 4 + 1000 进行计算,得出应输出的电压,并通过 DAC 数模转换传送出去,分别通过两个管脚供应给直流电机控制器,控制 器再传送至直流电机,电机正转、前进。如果此时接 收机接收到的 PWM 值不属于 1550 ~ 1900μs 之间,接着判断其是否属于 1080 ~ 1450μs 之间; 如果此时满足条件,则再利用姿态控制算法进行分析,通过公式得 出电压值。在输出电压之前,首先需要控制继电器开 关闭合,此时接通电机的反向线;  同前进一样,此时电机通过控制器控制反转,农业车后退。最后,如果输 入的值均不在这两个范围内,则农业车应处于制动状态。














图 6    前进后退流程图
       图 7 为基于 STM32 多功能遥控农业车的左右转流程图。此转向借鉴阿克曼转向原理,利用左右轮差 速进行转向。接收机 CM4 通道接收到 PWM 值后先进行判断,看脉宽是否小于 1 400μs; 满足条件后进行下一步,判断 PWM 脉宽是否在 1 100 ~ 1 200μs 之间。如果满足条件,需要继电器接收低电平信号开关闭合转接反向线,电机反转,PA4 输出电压上升,PA5 电压保持原输入不变,此时快速左转; 若不满足 PWM 脉宽在 1 100 ~ 1 200μs 之间,再一次判断,是否 PWM 位于 1 200 ~ 1 400μs 之间,此时令 PA4 电压输出降低, 而 PA5 电压输出保持不变,亦可进行缓速左转。当脉宽不小于 1 400μs 时,进行另一判断,看 PWM 信号是否位于 1 500 ~ 1 700μs。若满足这个范围,继电器开关闭合,接电机反向线,此时 PA5 输出电压上升,PA4电压保持原输入不变,农业车加速右转。接着进行判断,若此时 PWM 信号位于 1 500μs 到 1 700μs 之间,PA5 电压输出降低,而 PA4 电压输出保持不变,小车慢速右转。最后,若以上范围都不满足,小车应该选择制动[11-13]。













图 7   左转右转流程图
3、输入捕获配置步骤
(1)初始化定时器和通道对应的时钟;
(2)初始化 IO 口、定时器、输入捕获通道[14];
(3)开启捕获中断,使能定时器,设置中断服务函数。
4、数模转换设计
(1)开启 PA 口时钟;
(2)使能 DAC1 时钟;
(3)初始化 DAC 并设置 DAC 的工作模式;
(4)使能 DAC 转换通道;
(5)设置数模转换的输出值。
四、样机性能试验
       多功能遥控农业车样机如图 8 所示。通过对样机实地测试,测得不同情况下电机的最大转速和爬坡 角度、平均运行速度、遥控距离等参数,分别如表 1 和表 2 所示。由表 1 和表 2 可以看出: 遥控农业车在悬空状态下、水泥路、田间泥土地下行走时均可以保持 电机转速在 200r / min 左右。这说明,该车稳定可靠, 满足各种情况下的作业。在性能测试上,无论泥泞还 是水泥亦或多石路面,均可保证 30°爬坡能力; 平均运行速度保持 15km / h,速度均衡,便于作业; 可操控距离较长,操作人员可远距离跟随。








图 8 多功能遥控农业车样机
路况
爬坡角度
/( °)
平均运行速度
/km·h-1
遥控距离
/m
水泥路 30 15.0 500
田间泥泞道路 28 13.6 500
碎石道路 29 14.5 500










表1 农业车性能测试
 

电机
转动
方式
履带
悬空
水泥路
泥泞
道路
泥泞
道路
左侧电 正转 208 205 200 202
反转 206 203 198 200
右侧电 正转 208 205 197 199
反转 208 205 197 199













表2 电机转速测试
五、结论
       针对农业车在不同地形作业的问题,设计了一款多功能遥控农业车。以 STM32F103ZET6 微处理器为核心,通过相应算法对遥控信号进行一系列处理,最终以模拟量输出到电机,对农业车进行操作。试验表明: 农业车不仅操作简单,而且适用于山地、丘陵、公路、多石泥泞道路等多地形,可满足 30° 爬坡需求,具有驻车再启动等功能。与其它农业作业车相比较,该车除适用人群广、操作简单外,还具有较大的负载能力和更强的配套性,可以与割草机、打药机、旋耕机及施肥机等相搭配,使农业作业更加方便快捷,具有很高的经济和社会效益。
参考文献:
[1]   Se  S,Lowe  D,Little  J. Mobilerobot  localization  and  mapping with the unsafe use of scale-invariant Visual landmarks [J]. The International Journal of Researches,2002,21 ( 8) : 735-758.
[2]   Civera J,Davison A J,Montiel J M M. Inverse depth parame- trization for  monocular  SLAM[J]. IEEE  Transactions  on  Ro- botics,2008,24( 5) :  932-945.
[3]   Strasdat  H,Montiel  J  M  M,Davison  A  J.  Visual  SLAMrwhy filter?  [J].  Image and Vision  Computing,2012,30( 2) : 65-77.
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[5]   刘军,张洋. 原子教你玩 STM32[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2013: 1-45.
[6]   周柱. 基于 STM32  的智能小车设计[J].  技术与市场,2011,18( 6) : 1-2.
[7]   王进.  车载 GPS 动态监控与智能交通平台[J].民营科技,2013( 7) : 30.
[8]   史雷鸣.变速器齿轮疲劳破坏的分析与研究[J].农机化研究,2013,35( 3) : 227-231.
[9] 罗文飞.嵌入式技术信息家电万能遥控器的设计与实现[J].信息系统工程, 2013( 2) : 25-26.
[10] 冯进成.农业机器人的研究与实际应用[J].科技致富向导, 2012( 8) : 156-156.
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