基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)設計

(大連海洋大學，遼寧 大連 116300)

0 引言

智能視覺技術是一種通過計算機對攝像頭采集的視頻信息進行自動分析與處理，完成視頻序列中目標區(qū)域的目標出現(xiàn)時間、目標運動軌跡等多種信息的捕獲，進而對捕獲的信息加以分析的技術[1]。割草機自動控制系統(tǒng)可代替或協(xié)助操作員完成割草的工作，在降低成本的同時減輕了操作員的負擔[2]。將智能視覺技術應用到割草機自動控制系統(tǒng)中，可以自動分析由割草機攝像頭拍攝到的草地圖像序列，并對草坪圖像中出現(xiàn)的異常目標做出及時響應[3]。傳統(tǒng)的割草機自動控制系統(tǒng)存在區(qū)域切換行為和避障行為能力差、邊緣覆蓋率低的問題。如若將智能視覺技術引入割草機自動控制系統(tǒng)中，可省略被動錄像事后處理過程、減少人力資源的浪費，通過捕獲的畫面信息，對草地異?，F(xiàn)象做好應對措施，有效降低了割草機操作誤差[4]。考慮智能視覺技術在割草機自動控制系統(tǒng)中的種種優(yōu)勢，提出設計一種基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)。

1 割草機自動控制系統(tǒng)路徑規(guī)劃分析

對基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)進行設計之前，需先對割草機自動控制系統(tǒng)中，最關鍵路徑規(guī)劃進行分析。結合直線循環(huán)推進覆蓋法和中心輻射擴展覆蓋法對割草機路徑進行最優(yōu)規(guī)劃，依據(jù)實際工作環(huán)境，做出最準確的路徑選擇。具體描述如下。

1.1 直線循環(huán)推進覆蓋法

割草機在工作時以一層為工作單位，對整個草地平面進行層層的推進，直線循環(huán)推進覆蓋法較為簡單。當割草機在草地的邊緣處進行180度的轉彎時，會出現(xiàn)割草機工作區(qū)域重疊的現(xiàn)象[5]。在使用直線循環(huán)推進覆蓋法時，割草機遇到障礙會選擇繞過，然后回到原來的路徑繼續(xù)進行割草的工作，該方法具有工作效率高、重疊區(qū)域小和覆蓋率高的特點，割草機在工作時使用該方法可以根據(jù)草地環(huán)境的不同，對割草機的工作路徑進行靈活的規(guī)劃，直線循環(huán)推進覆蓋法的路徑圖如圖1所示。

圖1 直線循環(huán)推進覆蓋法的路徑圖

1.2 中心輻射擴展覆蓋法

中心輻射擴展覆蓋法是在草地中選擇一個點作為割草機工作的中心點，然后以割草機工作的中心點向四周草地運動工作并輻射到整個草地平面的工作區(qū)域[6]。割草機使用該方法進行工作時可以最大程度的對工作區(qū)域進行覆蓋，如圖2所示。割草機使用該方法工作遇到障礙物時，可以通過基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的調節(jié)避開草地中的障礙物繼續(xù)進行割草的工作。

圖2 中心輻射擴展覆蓋法的路徑圖

利用以上割草機自動控制原理，對基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。

2 硬件設計

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的設計不需要人為的控制和遙控，其目的是使割草機可以自動工作。基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的結構圖如圖3所示。

圖3 基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)結構圖

首先設計割草機自動控制系統(tǒng)的硬件部分。硬件部分主要由控制單元、驅動單元、定位單元和供電單元組成。四個單元的具體設計描述如下。

2.1 控制單元

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的核心控制單元采用經(jīng)濟、簡單的MSP430F169單片機。控制系統(tǒng)的控制單元是16位的超低功耗的單片機，并通過RISC結構完成控制單元的指令，其周期在125 ns，控制單元中具有運算速度快和處理能力強的硬件乘法器，其工作電壓為1.8～3.6 V[7]。當基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)在1 MHz時鐘條件下進行工作時，其活動模式的工作耗能為280 μA，割草機在待機情況下的功耗為1.1 μA，在關閉狀態(tài)下割草機的耗能非常低僅達到0.1 μA。在基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)控制單元的單片機中設置了I/O端口、USART1及USART0串行通信、比較器A、TA及TB定位器、12位轉換D/A和12為A/D。

在基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中以比較輸出的方式使MSP430F169單片機的定時器產生PWM波，通過I/O端口將PWM波傳送到基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的驅動單元，完成直流電動機的控制。直流電動機的轉速由通過系統(tǒng)設定的定時器參數(shù)調整的PWM波控制，完成割草機停止、轉彎和執(zhí)行的控制?；谥悄芤曈X的割草機自動控制系統(tǒng)中MSP430F169單片機的定時器通過輸入捕獲的方式對割草機車輪的轉數(shù)進行記錄，實現(xiàn)對割草機路線的控制。

在基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的設計中，以增計數(shù)的方式對控制單元中單片機定時器的計數(shù)器進行設置，并將比較/捕獲通道1，2設定為比較模式，使引腳P1.3和P1.2進行PWM波的輸出。對PWM波的周期T進行控制時，采用寫入寄存器CCR0值的控制方法，其中控制通道1，2輸出PWM波的占空比分別由寄存器CCR1和CCR2進行控制。將P1.2和P1.3的PWM信號傳送到ENA和ENB調速端口，完成對電動機速度的控制，圖4為基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的PWM信號輸出圖。

圖4 PWM信號的輸出圖

2.2 驅動單元

以L298N驅動芯片為主對基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中的驅動單元進行搭建，L298N驅動芯片具有步進機動機和大電流直流兩用、高電壓的特點。L298N驅動芯片內含有電流橋式驅動器和兩個H橋高電壓[8]，并采用標準邏輯的電平信號對驅動L298N驅動芯片進行控制，L298N驅動芯片可以完成1臺步進電動機和兩臺5-36 V直流電動機的驅動工作。在基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中直流機M1和M2的驅動工作由L298N完成，其路線設計電路圖如圖5所示。

圖5 直流電動機控制電路圖

將L298N的調速端ENA和ENB與基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)MSP430F169單片機的引腳P1.32和P1.3進行連接，當基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的調速端為較高的電平時，割草機的電動機為制動或轉動，控制系統(tǒng)的調速端為較低的電平時，割草機的電動機為停止的狀態(tài)。割草機直流電動機M1和M2的方向是通過單片機引腳P1.0、P1.1、P1.4和P1.6不同的輸出組合值對應L298N輸入信號IN1、IN2、IN3和IN4的高、低電平組合控制的。當調速端ENA為較高的電平時，輸入信號IN1和IN2分別接入高電平和低電平，M1正轉。當調速端ENA為較低的電平時，輸入信號IN1和IN2分別接入低電平和高電平，M1反轉?；谥悄芤曈X的割草機自動控制系統(tǒng)中的直流電動機M2的轉動方向由輸入信號IN3和IN4控制。

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)在L298N輸入端和控制單元I/O引腳之間設置了光電隔離，避免了電動機停止和啟動產生的脈沖對控制單元的影響。

2.3 定位單元

在基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中定位單元可以準確的對割草機工作的路徑進行控制，定位單元的主要目的是使控制單元確定割草機在工作時的位置。在基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中定位單元的核心部件是增量型光電編碼器，其分辨率為100。割草機在工作時車輪轉動的圈數(shù)由后輪上編碼器技術程序完成記錄，編碼器通過技術程序對割草機行走的路線進行控制。

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中的編碼器可以輸出Z零位信號和方波信號。當編碼器轉動一圈時，基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中的每路信號輸出N個脈沖，基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)可以通過脈沖計數(shù)表得到割草機的位置和圈數(shù)增量?；谥悄芤曈X的割草機自動控制系統(tǒng)中編碼器的相位關系是由旋轉方向信號A、B之間反應的。將控制單元的比較模塊和捕獲模塊中的輸入端與編碼器的輸出信號進行連接，最后由基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的軟件進行技術和鑒相。

2.4 供電單元

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中邏輯控制部分和驅動部分中多種電壓值是由L7806、L7805和LM317搭建的降壓電路提供的。LM317中含有安全保護和過載保護等電路，滿足基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中驅動單元的電壓需求。L7906和L7805滿足基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中邏輯部分電壓的需求，供電單元可提供多種不同的電壓值，滿足割草機自動控制系統(tǒng)的需求。

綜上所述，完善各硬件部分的創(chuàng)建方案，使其功能得到最大化實現(xiàn)，從而完成基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)硬件設計，為系統(tǒng)軟件設計提供最優(yōu)硬件環(huán)境。

3 軟件設計

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的控制要求為：操作簡單、割草機的轉向靈活，具有降低強度的特點、控制系統(tǒng)中的執(zhí)行結構要方便維護和簡單。通過對割草機自動控制系統(tǒng)操作流程、人機界面進行優(yōu)化，采用GC編程軟件實現(xiàn)自動控制程序，完成基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)軟件設計。具體描述如下：

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的設計特點要具有經(jīng)濟性、可靠性、靈活性和系統(tǒng)性，要便于操作者的控制和操作，利于運動狀態(tài)的顯示和參數(shù)的修改，并且要保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性?；谥悄芤曈X的割草機自動控制系統(tǒng)具有一次性復位的功能，可對各部件進行一次性復位。

3.1 自動控制系統(tǒng)操作流程設計

采用基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的割草機進行工作時，其工作流程如下：按下割草機的啟動鍵，基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)控制割草機中的設備回到初始的位置-切割刀保持靜止并架在上升的狀態(tài)，指示燈和刀架高度等信息顯示在LCD顯示屏上；可以根據(jù)工作環(huán)境的不同用手滑動數(shù)據(jù)對刀架的高度進行選擇，方便割草機的工作。結束割草機刀架的調整工作后，按下割草機的切割刀啟動按鈕；切割機結束了當前的工作后，自動向前運動并進行切割工作，減少了勞動時間和勞動力，可在基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)中的LCD顯示屏對切割速度進行調整，提高切割機的工作效率。給出割草機自動控制流程圖如圖6所示。

圖6 自動控制軟件實現(xiàn)流程圖

為了方便基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)程序的標志，對執(zhí)行元件和控制元件進行I/O地址的分配，表1為I/O地址的分配表。

表1 I/O地址分配表

3.2 人機界面設計

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)在工作時采用的人機界面為MCGS，在實現(xiàn)“軟按鍵”操作的同時完成了割草機工作的可視化。可以修改控制系統(tǒng)的人機界面結構以便適應不同的工作環(huán)境，使基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)操作更加簡單。

3.3 自動控制程序的實現(xiàn)

根據(jù)基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的I/O地址、程序設計和工作要求采用GC編程軟件對系統(tǒng)的程序進行編程。GC編程軟件具有操作簡單和實用性好的特點，可以完成SFC和梯形圖的編輯。圖7為采用基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)割草控制的程序圖。

圖7 割草控制程序圖

根據(jù)以上步驟，完成了基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)設計。

4 實驗結果分析

為了驗證所設計基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的性能，本次實驗環(huán)境為一塊公共綠地草坪，草坪的土壤較為結實且沒有坡度。區(qū)域切換行為能力、避障行為能力及邊緣覆蓋率是評估自動控制系統(tǒng)性能的三大重要指標。針對三項指標進行實驗。

基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)根據(jù)智能視覺技術對割草區(qū)域的位置信息進行定位，為了驗證基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的區(qū)域切換行為能力和避障行為能力，在進行測試的割草區(qū)域內放置一些障礙物，圖8為測試區(qū)域中的障礙物在三維空間的模型。圖中每一層代表的是割草機工作的中間路徑點，每一個方塊都代表著割草機工作區(qū)域中的障礙物。

圖8 障礙物三維空間模型

在割草機的工作區(qū)域中有一個燈柱為靜態(tài)障礙物，分別采用傳統(tǒng)該系統(tǒng)和改進系統(tǒng)對割草機的區(qū)域切換行為進行控制，使割草機的工作路徑為沿著灌木叢的邊緣前進，通過區(qū)域切換信號分析系統(tǒng)的區(qū)域切換行為能力，測得兩種不同系統(tǒng)區(qū)域切換信號對比結果如圖9所示。

圖9 兩種不同系統(tǒng)區(qū)域切換信號對比結果

由圖9可知，圖9(a)為傳統(tǒng)系統(tǒng)區(qū)域切換信號，信號波譜較弱，平均區(qū)域切換信號保持在30 dB到60 dB之間。圖9(b)為改進系統(tǒng)區(qū)域切換信號，信號波譜較強，平均區(qū)域切換信號保持在40 dB到100 dB之間。對比改進系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的實驗結果，改進系統(tǒng)的區(qū)域切換信號遠遠強于傳統(tǒng)系統(tǒng)的區(qū)域切換信號，充分說明改進系統(tǒng)的區(qū)域切換行為能力更強，驗證了改進系統(tǒng)的實用性。

分別將傳統(tǒng)系統(tǒng)和改進系統(tǒng)裝入割草機中，對割草機進行避障行為能力進行測試，在割草機的工作區(qū)域中存在6個障礙物，記錄兩種系統(tǒng)的避障路徑，得到兩種不同系統(tǒng)的避障避障路徑對比結果如圖10所示

圖10 兩種不同系統(tǒng)避障路徑對比結果

觀察圖10可知，圖10(a)為實際規(guī)劃避障路徑，圖10(b)為傳統(tǒng)系統(tǒng)避障路徑，與實際規(guī)劃避障路徑相對比，傳統(tǒng)系統(tǒng)的避障路徑大大偏離了實際規(guī)劃避障路徑，路徑總距離長，說明傳統(tǒng)系統(tǒng)的避障行為能力較弱。圖10(c)為改進系統(tǒng)避障路徑，與實際避障路徑近乎一致，且在障礙物拐點處選取的路徑比實際避障路徑拐點處路徑短，總避障路徑縮短，提高了系統(tǒng)的避障速率。改進系統(tǒng)控制的割草機，可以連續(xù)平穩(wěn)的工作在景觀物的邊界，能夠最大程度的靠近景觀物的邊緣工作，使割草機的工作范圍完整的覆蓋在景觀物周圍的區(qū)域。對比改進系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的實驗結果，充分說明改進系統(tǒng)的避障行為能力更強，驗證了改進系統(tǒng)的有效性。

為了驗證基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)的性能，需要對基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)進行測試，分別采用改進系統(tǒng)和基于PLC的割草機自動控制系統(tǒng)進行實驗，通過跟蹤軌跡得到割草機的工作路徑，對比兩種不同系統(tǒng)控制的割草機在障礙物邊界旁區(qū)域的工作覆蓋率，得到兩種系統(tǒng)邊緣覆蓋率對比結果如圖11所示。

圖11 兩種不同系統(tǒng)邊緣覆蓋率對比結果

分析圖11可知，在一個有邊界的工作區(qū)域內進行測試，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)控制的割草機在貼近邊緣進行工作時，其邊緣覆蓋率曲線偏離實際邊緣覆蓋率曲線，無法實現(xiàn)對邊界區(qū)域草坪的準確切割，邊緣覆蓋率較低。采用改進系統(tǒng)控制的割草機在貼近邊緣進行工作時，其邊緣覆蓋率曲線與實際邊緣覆蓋率曲線基本保持一致。對比兩種系統(tǒng)的實驗結果可得，改進系統(tǒng)的邊緣覆蓋率更高，說明改進系統(tǒng)的控制精度高，對割草機的控制效果更好。

綜合以上實驗可得，所設計的基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)，其區(qū)域切換行為和避障行為能力強，便捷覆蓋率高，對割草機的控制效果更好，具有一定的實用性和有效性。

5 結論

為解決傳統(tǒng)割草機自動控制系統(tǒng)存在區(qū)域切換行為和避障行為能力差、邊緣覆蓋率低的問題，設計了一種基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)，主要對割草機的區(qū)域切換行為和避障行為能力、邊緣覆蓋率進行研究，通過在場地進行測試，驗證了所設計的基于智能視覺的割草機自動控制系統(tǒng)區(qū)域切換行為和避障行為能力強，邊緣覆蓋率高，在割草機運行應用方面具有很大的實用性。但在控制速度方面仍有欠缺，未來將針對這一問題進行深入研究。