草莓采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

吳群彪 ，許侃雯 ，張洪源 ，蔡李花 ，徐 超

（1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)電與動力工程學(xué)院，江蘇張家港 215600；2.江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院，江蘇張家港 215600；3.北京郵電大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100876）

0 引言

當(dāng)前關(guān)于草莓采摘機(jī)器人的控制方面已有不少研究［1］，其中以草莓位置的圖像處理和識別居多。但目前關(guān)于草莓采摘機(jī)器人的機(jī)體控制研究成果較少，考慮到草莓生長地形的特殊性，草莓采摘機(jī)器人能夠自行實現(xiàn)在不同地形下直線的平穩(wěn)行進(jìn)是很有必要的，所以研發(fā)草莓采摘機(jī)器人機(jī)體控制系統(tǒng)成為亟待解決的問題。

現(xiàn)階段已有不少學(xué)者對草莓采摘機(jī)器人開展了系統(tǒng)避障、視覺系統(tǒng)和果實定位等研究。如馬瑛等［2］對草莓采摘機(jī)器人成熟果實識別及避障制系統(tǒng)研究，其系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以準(zhǔn)確識別成熟草莓果實且避開采摘途徑中的障礙物；李長勇［3］等對高架草莓采摘機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)研究，可以完成成熟草莓的識別、成熟草莓的空間坐標(biāo)定位以及實現(xiàn)草莓收獲的機(jī)械化和自動化；王糧局［4］基于視覺伺服的草莓采摘機(jī)器人果實定位方法，定位時間與相對誤差均有所減小。

本文針對草莓采摘機(jī)器人的缺點和不足，對其進(jìn)行外部電路的選擇和實物電路的測試，對行走機(jī)構(gòu)與圖像識別算法進(jìn)行了編寫以及測試，最后搭建草莓采摘機(jī)器人實物進(jìn)行試驗，設(shè)計并研發(fā)了一種新型面向壟作草莓的高效采摘控制系統(tǒng)［5］。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的草莓采摘機(jī)器人是針對我國目前較為常見的田壟式草莓種植而研發(fā)。主要實現(xiàn)該機(jī)器人能夠在田壟間行駛而又不損傷到植株，檢測到成熟草莓并進(jìn)行采摘，采摘后收集到收集箱中。該機(jī)器人需要控制的部分主要有行走系統(tǒng)、采摘系統(tǒng)和運輸系統(tǒng)。

基于該草莓采摘機(jī)器人所要實現(xiàn)的功能，在主控模塊用了K60單片機(jī)作為控制核心［6］；傳感器主要包括OpenMV攝像頭、編碼器、陀螺儀、光線感應(yīng)器等；電機(jī)驅(qū)動模塊選用L298雙路直流電機(jī)驅(qū)動模塊，該電機(jī)驅(qū)動模塊是工業(yè)級的驅(qū)動模塊，穩(wěn)定可靠而且能滿足草莓采摘機(jī)器人的功率要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of the control system

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 總體電路設(shè)計

草莓采摘機(jī)器人采摘部分涉及4個機(jī)械手臂，12個舵機(jī)的控制。十二個舵機(jī)分別控制至少需要12路PWM波端口，則該草莓采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)將通過兩個K60單片機(jī)控制，分別控制草莓采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)。

行走機(jī)構(gòu)電路部分包括驅(qū)動電機(jī)、傳動電機(jī)、轉(zhuǎn)向舵機(jī)以及編碼器等傳感器的控制電路。采摘部分電路包括機(jī)械手臂控制電路，圖像采集電路以及溫濕度傳感器等。其主要功能是在行走機(jī)構(gòu)穩(wěn)步運行的基礎(chǔ)上利用圖像識別和機(jī)械手準(zhǔn)確高效的采摘草莓并傳回草莓采摘過程中采集到的相關(guān)信息。

2.2 主要電路組件

2.2.1 單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動模塊

所選用的單片機(jī)是恩智浦公司的K60單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)部集成了大部分常用的模塊而且留有較多的I/O接口，滿足該草莓采摘機(jī)器人需要大量數(shù)據(jù)輸入和控制信號輸出的情況。所選用的電機(jī)驅(qū)動模塊是L298雙路直流電機(jī)驅(qū)動模塊，該模塊驅(qū)動包括行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)、傳送機(jī)構(gòu)電機(jī)及氣動裝置等動力元件。

2.2.2 穩(wěn)壓電路

采摘部分主要采用了兩種穩(wěn)壓電路［7］：LM2596穩(wěn)壓和MIC5209穩(wěn)壓。其中LM2596芯片可穩(wěn)定輸出較大的恒壓電流，主要用于舵機(jī)等元件的供電；MIC5209芯片外設(shè)簡單而且在不同工作條件下工作都較為穩(wěn)定，但是其額定電流只有500mA，無法用于舵機(jī)等高電流器件的供電，因此MIC5209在當(dāng)前電路中主要用于單片機(jī)和傳感器等元件的供電。

2.2.3 OpenMV攝像頭

OpenMV攝像頭是當(dāng)前較為成熟的基于單片機(jī)開發(fā)的圖像處理模塊［8］，該模塊外形小巧，能耗低，具有較高的處理速度。本設(shè)計采用的OpenMV選用了STM32F765VI ARM Cortex M7作為其核心處理芯片，具有一個全速USB接口，可與電腦直接相連進(jìn)行編程開發(fā)。除了自帶的2 MB flash存儲空間之外該模塊還配備了SD卡槽，最高可以擴(kuò)充32 G的存儲空間，而且該SD卡槽的讀寫速度高達(dá)100 Mbs，允許OpenMV攝像頭進(jìn)行視頻錄制并把文件即時轉(zhuǎn)存至SD卡內(nèi)。

該模塊與本次控制核心K60單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸主要是通過I2C總線，OpenMV將所得到的圖像進(jìn)行處理分析后，將成熟度標(biāo)志和位置參數(shù)一同傳回單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)將通過這些參數(shù)判斷當(dāng)前采摘界面內(nèi)是否有達(dá)到成熟標(biāo)準(zhǔn)的草莓，如果有的話所處位置和采摘順序如何，之后控制機(jī)械手臂對草莓進(jìn)行定點采摘。

2.3 電路實物展示

手工焊接測試完成后的電路板經(jīng)測試，該電路板無論是穩(wěn)壓還是各傳感器部分均可正常工作，可以用作草莓采摘機(jī)器人的控制電路。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 行走電機(jī)控制

行走機(jī)構(gòu)電機(jī)的控制主要采用了串級的PID控制［9］，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 行走機(jī)構(gòu)電機(jī)控制結(jié)構(gòu)框Fig.2 Block diagram of motor control structure of the walking mechanism

其中將目標(biāo)方向Dire0作為最初始的輸入量，通過與加速度計的返回值Dire1作差得出比例項，再由陀螺儀的返回值得出微分項Dire_change，再結(jié)合設(shè)置的目標(biāo)速Speed代入PD公式的運算，得出當(dāng)前左右電機(jī)的目標(biāo)速度Speed1和Speed2，使左右電機(jī)產(chǎn)生一個差速對當(dāng)前的方向偏移量進(jìn)行糾正。PID的控制原理如圖3所示。

圖3 PID控制原理Fig.3 Schematic diagram of PID control

電機(jī)轉(zhuǎn)速控制使用增量式PID，將所得的目標(biāo)速度與編碼器返回的實際速度Speed1_R及Speed2_R作差，得出差速Speed1_Error及Speed2_Error作為比例項。將差速作一個累加作為積分項，再將差速與上次差速Speed1_Error_Last及Speed2_Error_Last作差得出微分項，最后代入?yún)?shù)調(diào)整合適的PID算術(shù)式中，計算輸出PWM波的具體占空比Speed1_Vol及Speed2_Vol進(jìn)而控制直流電機(jī)的速度。

在采摘過程中由于更多的需要在于穩(wěn)定的速度和穩(wěn)定的方向，不需要很高的速度和啟動速度，因此，在參數(shù)調(diào)試的過程中比例項參數(shù)取值較小，主要對積分項參數(shù)和微分項參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格調(diào)整，以此保證機(jī)器人能勻速平穩(wěn)行走且保證穩(wěn)定的運行方向。

3.2 圖像處理

在對采集到的草莓圖像進(jìn)行觀察后可以發(fā)現(xiàn)，在成熟期的草莓的顏色與其背景顏色差異還是較大的。而且草莓在成熟之后表面的顏色分布都是比較接近的，根據(jù)這一特征，本次圖像處理采用了一種在色彩空間的基礎(chǔ)之上，對草莓圖像進(jìn)行分割提取的算法［10］。成熟的草莓在圖像上表現(xiàn)為紅色，而背景圖片多是綠色或偏黃的枝葉以及黑色的土地，利用成熟草莓與其背景之間的顏色差異即可將其從背景中提取出來。整個處理流程如圖4所示。

圖4 圖像處理流程Fig.4 Image processing flow chart

3.3 上機(jī)位監(jiān)測

為響應(yīng)當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)的號召，進(jìn)一步提高草莓采摘的智能化，本次設(shè)計還進(jìn)行了草莓采摘監(jiān)測上位機(jī)的編寫。

本次上位機(jī)主要是利用MATLAB軟件開發(fā)，基于C++與Java語言進(jìn)行程序編寫。利用上位機(jī)可以直接查看草莓圖像的處理結(jié)果，返回搜集到的溫濕度信息以圖表的形式直觀展示出來，并根據(jù)當(dāng)前草莓生長階段所需的溫濕度給出合理建議，最后還能實時返回成熟草莓及半成熟草莓的采摘個數(shù)。草莓采摘機(jī)器人與上位機(jī)之間通過藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸方式為串口通訊，在MATLAB中有針對串口數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送函數(shù)，藍(lán)牙數(shù)據(jù)讀取的代碼編寫如下：

接收到數(shù)據(jù)后將通過MATLAB自帶的畫圖功能將溫濕度信息以折線圖的形式展現(xiàn)出來。而通過對草莓種植相關(guān)資料的查詢，我們了解到在草莓生長的不同階段對環(huán)境溫濕度的要求差距很大，因此在上位機(jī)中設(shè)置了草莓生長階段選項，并將不同生長階段草莓生長所需的溫濕度儲存在上位機(jī)內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而給出環(huán)境控制的相關(guān)建議。

該上位機(jī)修改和維護(hù)都相對簡單，在實際應(yīng)用中還可以繼續(xù)完善部分功能，并根據(jù)需求拓展新功能。

4 樣機(jī)相關(guān)調(diào)試

4.1 運輸機(jī)構(gòu)調(diào)試

運輸機(jī)構(gòu)的運行阻力主要來自機(jī)構(gòu)之間的摩擦與機(jī)構(gòu)自重，而運輸機(jī)構(gòu)當(dāng)前運輸?shù)牟葺畟€數(shù)也會對運行阻力有所影響，但相較于機(jī)構(gòu)自重等因素來說影響較小。因此參數(shù)調(diào)整較簡單，在參數(shù)調(diào)整之前運輸機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)速度的時間較長，且在到達(dá)目標(biāo)速度之后也極不穩(wěn)定。調(diào)整參數(shù)前后的效果分別如圖5和圖6所示。

圖5 運輸機(jī)構(gòu)速度返回圖（調(diào)整前）Fig.5 Speed return diagram of transport mechanism（before adjustment）

圖6 運輸機(jī)構(gòu)速度返回圖（調(diào)整后）Fig.6 Speed return diagram of transport mechanism（after adjustment）

4.2 草莓識別功能調(diào)試

在將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSV格式后，通過自適應(yīng)閾值構(gòu)建掩模圖像如圖7所示；可以看到草莓本身的草莓籽和環(huán)境光照的原因造成圖像上存在大量噪點，對草莓的定位和識別都會有較大干擾，故要對圖像進(jìn)行進(jìn)一步濾波。故經(jīng)去噪后的圖像如圖8所示，該圖像更容易被識別。

圖7 草莓掩模圖像Fig.7 Strawberry mask image

圖8 去噪后的草莓圖像Fig.8 Strawberry image after denoising

在實際應(yīng)用中對草莓實現(xiàn)識別和定位需要注意的是，當(dāng)前草莓識別算法對圖像質(zhì)量有一定要求，即不能識別在強(qiáng)光或者在光線不佳的情況下采集到的草莓圖像。而為了解決這一問題，在攝像頭旁裝備了照明燈，能夠為攝像頭圖像采集提供一個良好的圖像采集環(huán)境，為之后的草莓識別提供了便利。經(jīng)測試，當(dāng)前使用的草莓識別算法對成熟草莓的識別準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。

4.3 上位機(jī)界面調(diào)試

上位機(jī)共涉及兩個功能，一個是圖像處理，一個是采摘信息的檢測與分析。圖像處理界面可以對圖像進(jìn)行讀取和圖像的初步處理，也可以對圖像濾波及草莓識別算法進(jìn)行驗證；設(shè)計溫濕度監(jiān)測模塊系統(tǒng)可對采摘信息做出實時監(jiān)測。經(jīng)測試，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地返回實時信息，并提供可靠建議。

5 結(jié)語

針對我國目前較為常見的田壟式草莓種植本方案設(shè)計并開發(fā)了一套草莓采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括了行走、采摘和運輸三大模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)草莓采摘機(jī)器人在田壟間穩(wěn)定行走，精準(zhǔn)識別草莓成熟度采摘到成熟的草莓，并能夠檢測草莓生長環(huán)境，從而為果農(nóng)進(jìn)行草莓種植提供相關(guān)地建議。通過樣機(jī)調(diào)試驗證了本次控制系統(tǒng)的設(shè)計可達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，為后期草莓采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)優(yōu)化提供了一定的參考意見。