基于單片機(jī)的小型智能除草機(jī)器人設(shè)計(jì)

張新星 石慧君 邵逸帆 何仁宇 童丹繪

摘 要：介紹一種利用Arduino mega 2560單片機(jī)控制和圖像識別進(jìn)行除草的機(jī)器人設(shè)計(jì)。給出具體方案，包含樹莓派，單片機(jī)，超聲波，機(jī)械手等模塊。此設(shè)計(jì)具有功能豐富，易控制，工作可靠，速度迅速的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： Arduino;Opencv;樹莓派;雜草識別;農(nóng)業(yè)機(jī)械化;舵機(jī);超聲波

1 引言

農(nóng)業(yè)除草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中相對耗費(fèi)時間和金錢的一項(xiàng)活動，也是農(nóng)業(yè)機(jī)械化道路上的一大阻礙，本項(xiàng)目基于這一事實(shí)研發(fā)設(shè)計(jì)了一種小巧靈活能夠運(yùn)作于田壟間的除草機(jī)器人，能夠有效的識別作物與雜草的區(qū)別，并將雜草清除，大大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。國外在除草機(jī)器人這一方面已有一定的發(fā)展，而中國再此方面有待發(fā)展，正因此國家正在大力農(nóng)業(yè)機(jī)械化，江蘇大學(xué)也推進(jìn)極力推進(jìn)農(nóng)機(jī)自動化，故此次設(shè)計(jì)除草機(jī)器人，希望進(jìn)一步加速農(nóng)業(yè)機(jī)械化。

2 圖像識別

在圖像識別方面，采用攝像頭+opencv進(jìn)行雜草識別。

攝像頭的工作原理大致為：景物通過鏡頭（LENS）生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上﹐然后轉(zhuǎn)為電信號﹐經(jīng)過A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，再送到數(shù)字信號處理芯片（DSP）中加工處理，再通過串口等通訊工具，則可以通過顯示器顯示圖像了。

而opencv的作用是處理圖像，這里使用樹莓派運(yùn)行opencv，首先預(yù)處理，對得到的圖片進(jìn)行預(yù)處理，將復(fù)雜的圖像變成色彩塊，然后色彩提取，有了色彩塊，便可以對目標(biāo)的顏色進(jìn)行提取，進(jìn)而消除大部分背景;降噪，對于提取的前景需要去除一些噪聲點(diǎn)、塊，以方便之后的識別;建模，對你的前景進(jìn)行建模，建模的方式有很多中;匹配，用你的目標(biāo)和你提取的雜草模型進(jìn)行匹配。

3傳感器

為了保證機(jī)器人能在壟間穩(wěn)定的運(yùn)動壟間穩(wěn)定的運(yùn)動，而不會因?yàn)殄e誤的行駛而誤傷雜草。采用超聲波傳感器來進(jìn)行距離的測定與限制。超聲波測距的原理是由超聲波傳感器的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波遇到障礙物后，會被反射，利用單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時間和接收到回波的時間，根據(jù)超聲波的傳播速度，即可通過公式S=C*[T/2]（S為被測距離，C為空氣中聲速，T為回波時間，T=T1+T2）計(jì)算出超聲波傳播的距離，從而就得到了障礙物離測試系統(tǒng)的距離。測距原理如圖1所示：

4拔草裝置

拔草裝置由四個舵機(jī)和一個機(jī)械爪組成（如圖2所示）。舵機(jī)是一種帶有輸出軸的小裝置，當(dāng)我們向伺服器發(fā)送一個控制信號時，輸出軸就可以轉(zhuǎn)到特定位置，只要控制信號不變，其角度就不會變。：它由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統(tǒng)。通過發(fā)送信號，指定輸出軸旋轉(zhuǎn)角度。與普通直流電機(jī)的區(qū)別主要在，直流電機(jī)是一圈圈轉(zhuǎn)動的，舵機(jī)只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動，不能一圈圈轉(zhuǎn)。普通直流電機(jī)無法反饋轉(zhuǎn)動的角度信息，而舵機(jī)可以。正因此在確定了雜草的位置后，可以準(zhǔn)確的拔除雜草。

5機(jī)器人系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)的框架如圖3所示，超聲波檢測壟的距離，然后告知arduino，接下來arduino根據(jù)超聲波信息，控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)動以避免，傷到莊稼。同時攝像頭試試檢測雜草，并由樹莓派進(jìn)行圖像處理，檢測到雜草后，告知arduino停止行走，同時控制機(jī)械手去拔除雜草。

6總結(jié)

小型拔草機(jī)器人，在一定程度上豐富了農(nóng)業(yè)機(jī)械化，自動化。此機(jī)器人設(shè)計(jì)包含機(jī)械，電路，算法三個模塊，雖然需要大量基礎(chǔ)知識，此設(shè)計(jì)的大部分裝置已經(jīng)模塊化，通過適當(dāng)學(xué)習(xí)便可掌握。此機(jī)器人功能相對豐度，不僅可以用于拔出雜草，對于垃圾分類里等涉及到識別抓取的功能也可實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1][M]嚴(yán)洪穰、末進(jìn)、陳敏賢.超聲波測距在智能機(jī)器人中的開發(fā)與應(yīng)用、機(jī)電一體化，2000.

[2][M]東勇.除草機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動分析與控制[].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007 （ 8 ） .

[3][M]郭偉斌.除草機(jī)器人機(jī)械臂的逆向求解與控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009 （ 4） .