基于機(jī)器視覺與云平臺監(jiān)控的助農(nóng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

鄭雨萱，周建華，胡捷，黃海銘，孔祥潞

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412000）

目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)雖然范圍廣，但生產(chǎn)水平與生產(chǎn)效率仍處于劣勢地位。近年來，隨著人們對農(nóng)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展越來越重視，現(xiàn)代機(jī)械化農(nóng)業(yè)裝備逐漸成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要支撐。本款多功能助農(nóng)機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定點(diǎn)定位噴藥除草、施肥、播種等功能。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

助農(nóng)機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)分為三大部分，分別是履帶式底盤設(shè)計(jì)、輪距調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、二維機(jī)械手裝置，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

履帶式底盤設(shè)計(jì)：機(jī)器人采用履帶底盤，擴(kuò)大了主體與地面的接觸面積；精準(zhǔn)的底盤高度搭配合理功率的步進(jìn)電機(jī)，讓機(jī)器人能夠平穩(wěn)、迅速通過各種地形復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對雜草、農(nóng)作物的初定位。

輪距調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通過外界給予動(dòng)力，傳給轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪通過鋁棒帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒條左右平移，帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與直線導(dǎo)軌左右平移，從而調(diào)節(jié)履帶輪輪距，使裝置適應(yīng)不同寬度的田壟。

圖1 整體機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

二維機(jī)械手裝置：主要利用兩套絲桿步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)垂直交叉組合。水平定位系統(tǒng)和豎直定位系分別控制水平和豎直距離，實(shí)現(xiàn)定位功能。

2 控制執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制執(zhí)行系統(tǒng)硬件整體框圖

本文主要設(shè)計(jì)一款以STM32為核心控制器，由圖像處理、定位及功能實(shí)現(xiàn)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺監(jiān)控、現(xiàn)場上位機(jī)監(jiān)控、光伏發(fā)電五大功能模塊組成。控制執(zhí)行系統(tǒng)的總體系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.2 控制芯片-STM32

項(xiàng)目采用STM32單片機(jī)為主要芯片，工作頻率為72MHz，處理速度快，16個(gè)外部中斷，4個(gè)16位定時(shí)器。以滿足其數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)行、信息人機(jī)交互等需求。

2.3 圖像處理模塊

圖像處理模塊是助農(nóng)機(jī)器人的核心模塊。本文設(shè)計(jì)通過圖像處理模塊完成農(nóng)作物識別、目標(biāo)定位及反饋。

農(nóng)作物識別：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)建立一個(gè)圖像數(shù)據(jù)庫，通過掃描雜草樣本，向數(shù)據(jù)庫添加雜草葉片樣本。樹莓派通過對攝像頭掃描抓取的清晰圖像進(jìn)行處理，得到雜草葉片圖片后，與數(shù)據(jù)庫樣本進(jìn)行比對，識別出作物種類，并記錄相應(yīng)作物所需施肥、農(nóng)藥量。

目標(biāo)定位及反饋：攝像頭根據(jù)拍攝的實(shí)地圖片返回一個(gè)梯形區(qū)域，通過計(jì)算將梯形區(qū)域逐步糾正為一個(gè)水平的矩形區(qū)域并假定坐標(biāo)，定位每一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)。樹莓派計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)像素，對應(yīng)到平面中的中心點(diǎn)坐標(biāo)，確定目標(biāo)在其中的具體位置，并將目標(biāo)所在位置以及雜草所需噴藥量反饋到STM32處理器。

圖2 總體系統(tǒng)框圖

2.4 定位及功能實(shí)現(xiàn)模塊

該模塊主要完成兩個(gè)步驟，一是機(jī)器人與二維機(jī)械手的精準(zhǔn)定位；二是除草、施肥功能的具體實(shí)現(xiàn)。

（1）機(jī)器人與二維機(jī)械手的精準(zhǔn)定位。通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前后精準(zhǔn)定位。STM32根據(jù)來自圖像處理的定位信息，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)初定位。通過二維機(jī)械手定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)噴頭精準(zhǔn)定位控制。

（2）除草、施肥功能的具體實(shí)現(xiàn)。利用電磁閥控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能。采用二位三通電磁閥作為電磁閥驅(qū)動(dòng)控制部分的主要控制器。單片機(jī)通過調(diào)整PWM打開關(guān)斷電磁閥，完成噴灑動(dòng)作。電源向壓力泵供電，藥箱里的液體變?yōu)楦邏阂?，?shí)現(xiàn)霧狀噴霧。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺

物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺模塊是助農(nóng)機(jī)器人和操作者信息交互的平臺。本文設(shè)計(jì)通過STM32、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺和智能APP終端/PC網(wǎng)站網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制的問題。擬采用兩種不同的監(jiān)控方法——上位機(jī)基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺遠(yuǎn)程控制、觸摸屏人機(jī)界面現(xiàn)場設(shè)置，幫助助農(nóng)機(jī)器人能在不同的場合下順利工作運(yùn)行。

2.6 光伏發(fā)電模塊

光伏發(fā)電模塊由光伏發(fā)電太陽能板、光伏發(fā)電控制器、鋰蓄電池組成。將太陽能板安置在機(jī)器人頂部，通過光伏發(fā)電控制器將太陽能轉(zhuǎn)為電能一部分儲存在鋰電池中，另一部分直接向系統(tǒng)模塊供電，提高能源利用率。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該多功能助農(nóng)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件采用模塊化編程方式，主要包括圖像處理程序、移動(dòng)控制程序、物聯(lián)網(wǎng)云平臺監(jiān)控通信協(xié)議程序三個(gè)部分?？刂屏鞒虉D如圖3所示。

首先對當(dāng)前農(nóng)田中的作物進(jìn)行圖像采樣，與大數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比。助農(nóng)機(jī)器人按照事先規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)路徑工作，實(shí)時(shí)識別檢測當(dāng)前所在農(nóng)田是否有目標(biāo)作物。識別確認(rèn)為目標(biāo)作物，確定作物類別以及作物對農(nóng)藥化肥的最佳劑量，進(jìn)行精準(zhǔn)定位子程序和噴藥施肥子程序。按照規(guī)劃路徑反復(fù)執(zhí)行，直至完成所有路徑，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控子程序起實(shí)時(shí)監(jiān)控調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié)語

本文對該基于圖像識別與物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控的多功能助農(nóng)機(jī)器人的機(jī)械、硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單的介紹。可滿足定點(diǎn)定位噴藥除草、播種、施肥的功能，精確用藥，減少農(nóng)藥使用量，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)該助農(nóng)機(jī)器人的模型設(shè)想為后續(xù)的成果制作轉(zhuǎn)化奠定一定基礎(chǔ)。

圖3 控制流程圖