基于藍(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)的研究分析

高 虎

(海口托貝樂(lè)科技有限責(zé)任公司，海南 海口 570105)

在社會(huì)科技進(jìn)步和相關(guān)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展下，藍(lán)牙技術(shù)開(kāi)始被人們廣泛地應(yīng)用到生活、生產(chǎn)的各個(gè)方面，藍(lán)牙作為一種短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，具備低成本、方便快捷的特點(diǎn)，其能夠替代數(shù)字設(shè)備和計(jì)算機(jī)外設(shè)之間的線纜連接，促進(jìn)數(shù)字化設(shè)備之間的無(wú)線組網(wǎng)。

在信息技術(shù)的快速發(fā)展下，越來(lái)越多的高新技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)信息技術(shù)進(jìn)入到新的發(fā)展時(shí)代，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人等被引入到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中。采摘機(jī)器人在農(nóng)產(chǎn)品采摘管理中的應(yīng)用能夠有效節(jié)省采摘成本，降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度。

本文以自主研發(fā)設(shè)計(jì)的蘑菇采摘機(jī)器人為平臺(tái)，打造出了在溫室環(huán)境下的作物采摘遙控系統(tǒng)，旨在借助蘑菇智能采摘運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)更好地把控采摘機(jī)器人的作業(yè)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展概述

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的支持下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，在社會(huì)范圍內(nèi)打造出了全新性能的智能數(shù)據(jù)采摘系統(tǒng)。數(shù)據(jù)智能采摘系統(tǒng)中的短距離無(wú)線傳輸信息技術(shù)、藍(lán)牙信息技術(shù)的發(fā)展能夠?yàn)閿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供重要支持[1]。

智能化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以高性能的微處理器為基本核心，在系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)會(huì)使用到高性能的傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片、數(shù)據(jù)通信模塊，在這些系統(tǒng)的配合作用下會(huì)提升數(shù)據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)速率，增強(qiáng)數(shù)據(jù)信息利用的安全性、可靠性。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集由高精準(zhǔn)度的傳感器負(fù)責(zé)，在傳感器的作用下會(huì)將外界的物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分能夠?qū)δM電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換之后將數(shù)字信號(hào)輸出到核心控制部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心控制功能由微控制器的軟硬件實(shí)現(xiàn)。微控制器在使用時(shí)能夠有效控制數(shù)據(jù)信息的傳遞時(shí)間、間隔時(shí)間和發(fā)展速率。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分可以用來(lái)存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)采集信息的間隔時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速率等參數(shù)全面記錄下來(lái)。數(shù)據(jù)通信模塊會(huì)為智能數(shù)據(jù)的采集和整理提供重要的功能支持，最終完成信息的長(zhǎng)距離傳輸和短距離傳輸[2]。

2 藍(lán)牙和其它無(wú)線通信技術(shù)的綜合比較

在通信技術(shù)和信息技術(shù)的深入發(fā)展下，以藍(lán)牙為代表的短距離無(wú)線通信技術(shù)也開(kāi)始進(jìn)入一個(gè)成熟的發(fā)展階段，在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展中扮演了十分重要的角色。

藍(lán)牙的有效范圍在10m左右，如果藍(lán)牙的發(fā)射功率增加，藍(lán)牙的有效范圍將會(huì)達(dá)到100m。在這個(gè)范圍內(nèi)，具有藍(lán)牙功能的設(shè)備都能夠進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，連接之后的藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率會(huì)達(dá)到每秒3Mb。在藍(lán)牙技術(shù)和寬帶技術(shù)的充分融合下會(huì)進(jìn)一步提升藍(lán)牙的通信速率。與其它頻段上的工作相比，藍(lán)牙的跳變時(shí)間和數(shù)據(jù)分組比較短暫，在運(yùn)作時(shí)有效提升了鏈路的穩(wěn)定性，能夠避免藍(lán)牙和ISM頻段上其它系統(tǒng)、微波爐系統(tǒng)的相互干擾[3]。

3 基于藍(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)

3.1 智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)

3.1.1 蘑菇采摘的本體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

蘑菇采摘本體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由圖像運(yùn)輸采集、多軸帶動(dòng)抓手運(yùn)動(dòng)、托盤(pán)放置運(yùn)動(dòng)、本體運(yùn)行系統(tǒng)等共同組成，在這些系統(tǒng)的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蘑菇采摘、蘑菇放置等一系列操作的精準(zhǔn)化控制。

3.1.2 蘑菇升降調(diào)動(dòng)采摘車的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

在開(kāi)展蘑菇采摘操作時(shí)，為了能夠提升采摘的效率，需要使用多個(gè)智能采摘車同時(shí)完成蘑菇的采摘操作。在蘑菇采摘的過(guò)程中為了能夠?qū)崿F(xiàn)多層系統(tǒng)的共同使用和調(diào)度管理，需要將升降系統(tǒng)引入到蘑菇采摘工作中。

3.1.3 蘑菇智能盛放更換托盤(pán)跟隨系統(tǒng)

蘑菇智能盛放更換托盤(pán)跟隨系統(tǒng)在運(yùn)作時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行運(yùn)作，在采摘的蘑菇數(shù)量超過(guò)一定比例時(shí)可以在第一時(shí)間更換蘑菇的托盤(pán)系統(tǒng)。

3.2 基于藍(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)

基于藍(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度管理中為了避免出現(xiàn)線纜跟隨的問(wèn)題，在各個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)多使用鋰電池，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式強(qiáng)化各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部的連接。無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)在蘑菇智能采摘運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制工作開(kāi)展的過(guò)程中起到十分重要的促進(jìn)作用，在這個(gè)過(guò)程中可以使用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)增強(qiáng)各個(gè)子系統(tǒng)的連接，在藍(lán)牙技術(shù)和通信技術(shù)的作用下可以通過(guò)統(tǒng)一軟件調(diào)度控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)督控制[4]。

基于藍(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)時(shí)性的圖像來(lái)識(shí)別蘑菇，在識(shí)別蘑菇之后會(huì)通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙通信技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤管理，根據(jù)管理結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)換設(shè)置，將有用的采摘信息切換到平臺(tái)系統(tǒng)上。

3.2.1 系統(tǒng)硬件模塊的設(shè)計(jì)

3.2.1.1 數(shù)據(jù)信息的采集處理模塊

數(shù)據(jù)采集信息模塊能夠完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)應(yīng)用，整個(gè)信息模塊是系統(tǒng)運(yùn)作的核心模塊。數(shù)據(jù)信息采集模塊不僅能夠處理傳感器收集上來(lái)的數(shù)據(jù)信息，而且還能夠處理轉(zhuǎn)入到ADC的外界傳感信號(hào)。

整個(gè)系統(tǒng)模塊包含模擬溫度傳感器AD22103、單軸加速度傳感器ADXL103和雙抽加速度傳感器ADXL203。這些傳感器能夠用來(lái)收集作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的信息。ADC采用了MAX197BCNI傳感器，傳感器設(shè)置了8個(gè)模擬輸入通道、12個(gè)二進(jìn)制輸出、100ksps采樣速率、6μs轉(zhuǎn)換時(shí)間，經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換之后能夠滿足系統(tǒng)運(yùn)作需求[5]。

3.2.1.2 藍(lán)牙通信模塊

在藍(lán)牙模塊的作用下能夠?qū)⑺{(lán)牙和其它關(guān)聯(lián)設(shè)備連接在一起，整個(gè)系統(tǒng)模塊在設(shè)計(jì)時(shí)參考英國(guó)某公司的生產(chǎn)方案，將藍(lán)牙芯片的加工作為設(shè)計(jì)核心。藍(lán)牙芯片是一個(gè)2.4GHz的系統(tǒng)，會(huì)根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)際情況進(jìn)行集成射頻和天線的設(shè)計(jì)。

3.2.1.3 處理器和電源模塊

在綜合比較多個(gè)類型處理器能力、性價(jià)比的基礎(chǔ)上，選擇使用愛(ài)特梅爾公司生產(chǎn)的ATmegal128L處理器作為核心處理器，整個(gè)處理器包含8位AVR單片機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)信息顯示出較強(qiáng)的處理性能。同時(shí)，這個(gè)處理芯片在連接8MHz晶體時(shí)，其CPU會(huì)顯示出較強(qiáng)的處理能力。在系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)根據(jù)各個(gè)芯片、模塊對(duì)電力資源的使用需求設(shè)計(jì)出5V和3.3V 2個(gè)電源。

3.2.2 系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計(jì)要注重與系統(tǒng)硬件配合在一起，具體包含數(shù)據(jù)信息采集、數(shù)據(jù)信息整理、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互。為了能夠完善以上系統(tǒng)的功能，需要完成模塊驅(qū)動(dòng)程序的編制、操作系統(tǒng)的移動(dòng)、文件系統(tǒng)的打造、人機(jī)交互程序的繪制等。

3.2.2.1 系統(tǒng)模塊驅(qū)動(dòng)程序以及文件系統(tǒng)

模塊驅(qū)動(dòng)程序包含多個(gè)形式的系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)形式，在具體實(shí)施操作時(shí)，人機(jī)交互程序是對(duì)鍵盤(pán)運(yùn)作的一種初始化處理，這個(gè)程序在運(yùn)作時(shí)能夠精準(zhǔn)檢測(cè)用戶按鍵數(shù)值，根據(jù)需要完成相應(yīng)的操作[6]。

3.2.2.2 系統(tǒng)應(yīng)用程序和編譯的下載

系統(tǒng)應(yīng)用程序在運(yùn)作時(shí)可以對(duì)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行自由轉(zhuǎn)換，這些能夠自由切換的程序包含系統(tǒng)的啟動(dòng)管理、系統(tǒng)運(yùn)作的信息收集、藍(lán)牙設(shè)備的監(jiān)督控制、異常數(shù)據(jù)信息的處理。各個(gè)應(yīng)用程序的運(yùn)作以PC機(jī)作為重要平臺(tái)，在WinAVR的環(huán)境下完成信息的編寫(xiě)，之后通過(guò)下載軟件和ISP總線接口將編寫(xiě)的程序文件下載到芯片區(qū)域。核心處理器在復(fù)位之后會(huì)自動(dòng)運(yùn)行程序存儲(chǔ)區(qū)的信息。

4 基于藍(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)架構(gòu)和分支實(shí)現(xiàn)原理

4.1 圖像識(shí)別分支原理

蘑菇分類采摘通過(guò)蘑菇直徑大小來(lái)進(jìn)行區(qū)分，在這個(gè)期間需要在精準(zhǔn)確定蘑菇坐標(biāo)位置的基礎(chǔ)上完成智能化采摘。而以上工作的順利實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)圖像識(shí)別技術(shù)?；谒{(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能化采摘調(diào)度管理架構(gòu)會(huì)使用200萬(wàn)像素的黑白工業(yè)相機(jī)獲得蘑菇圖像。

在黑白工業(yè)相機(jī)的使用下將整個(gè)拍攝區(qū)域劃分為幾個(gè)獨(dú)立的相機(jī)拍攝范圍較小的區(qū)域，在相機(jī)拍攝完成后使用實(shí)時(shí)性的軟件接收和處理圖像信息，之后對(duì)蘑菇的傘面直徑進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，通過(guò)蘑菇傘面直徑大小判定其是否符合采摘要求，在這個(gè)期間還需要給出符合采摘要求的蘑菇橫縱軸坐標(biāo)位置信息，這些信息會(huì)通過(guò)激光測(cè)距系統(tǒng)來(lái)完成供應(yīng)和輸出[7]。

4.2 多軸運(yùn)動(dòng)控制分支實(shí)現(xiàn)原理

系統(tǒng)圖像在經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算分析會(huì)給出符合采摘要求的蘑菇的坐標(biāo)位置，在確定好坐標(biāo)位置之后會(huì)將這些信息傳輸?shù)蕉噍S運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)軟件系統(tǒng)，蘑菇智能采摘系統(tǒng)的橫縱軸會(huì)在指令的命令下自動(dòng)帶動(dòng)抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

系統(tǒng)的Z軸會(huì)根據(jù)高度信息運(yùn)動(dòng)到蘑菇上方適合的位置，抓手會(huì)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)抓取操作，在抓取蘑菇之后將其放在托盤(pán)中。為了能夠提升運(yùn)動(dòng)效率，多軸運(yùn)動(dòng)是并行的狀態(tài)，在具體運(yùn)動(dòng)時(shí)需要實(shí)時(shí)查詢運(yùn)動(dòng)的位置信息，確保多軸之間不會(huì)出現(xiàn)碰撞的問(wèn)題。同時(shí)，在這個(gè)過(guò)程中為了增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性，在多軸運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中要保證運(yùn)動(dòng)的合理，一系列運(yùn)動(dòng)之間不能夠出現(xiàn)聯(lián)動(dòng)性碰撞，在彼此不發(fā)生碰撞的情況下會(huì)有效提升運(yùn)動(dòng)效率。

4.3 多層共用采摘系統(tǒng)升降分支實(shí)現(xiàn)原理

蘑菇種植框架采取的是6層架構(gòu)，在具體實(shí)施操作時(shí)為了提升蘑菇的采摘成本，6層中每一個(gè)采摘操作完成之后需要將采摘系統(tǒng)及時(shí)升降到另外一層進(jìn)行采摘，而這樣的采摘實(shí)現(xiàn)需要得到升降系統(tǒng)的支持。為了保證升降操作的精準(zhǔn)性，要盡可能將升降系統(tǒng)上升到高速大液壓泵、低速小液壓泵，在泄壓時(shí)要采取快速卸壓的方式，在實(shí)施液壓操作的過(guò)程中借助升降平臺(tái)、采摘系統(tǒng)藍(lán)牙耳機(jī)實(shí)現(xiàn)信息的交互處理[8]。

4.4 蘑菇智能更換盛放托盤(pán)分支實(shí)現(xiàn)原理

蘑菇采摘系統(tǒng)在將一定數(shù)量的蘑菇放在托盤(pán)上之后就需要更換托盤(pán)，而托盤(pán)的更換離不開(kāi)智能系統(tǒng)的支持，在智能升降系統(tǒng)的作用下會(huì)根據(jù)蘑菇采摘的需要來(lái)調(diào)節(jié)升降操作，在這個(gè)過(guò)程中還需要注重對(duì)采摘系統(tǒng)的前后跟進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤(pán)的精準(zhǔn)定位。

智能托盤(pán)系統(tǒng)和采摘系統(tǒng)之間可以選擇使用無(wú)線藍(lán)牙通訊設(shè)備進(jìn)行彼此連接，并在系統(tǒng)密切聯(lián)系之后對(duì)蘑菇采摘系統(tǒng)的運(yùn)作情況進(jìn)行全方位的調(diào)查研究，精準(zhǔn)確定蘑菇采摘前后的上下位置。

4.5 蘑菇智能圖像識(shí)別無(wú)損傷采摘系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況

蘑菇采摘圖像識(shí)別系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)精密的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)化測(cè)試分析之后會(huì)對(duì)蘑菇直徑的大小做出精準(zhǔn)辨別和定位，在具體實(shí)施的時(shí)候蘑菇采摘識(shí)別系統(tǒng)能夠根據(jù)需要在無(wú)損傷抓取、托盤(pán)智能化發(fā)展之間相互轉(zhuǎn)換，通過(guò)轉(zhuǎn)換來(lái)提升蘑菇采摘效率，降低蘑菇采摘的人工消耗。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用到蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)，能夠在藍(lán)牙無(wú)線通訊技術(shù)的支持下減少線纜跟隨所誘發(fā)的一系列問(wèn)題，提升蘑菇智能化采摘運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)信息傳遞交換效率。在使用一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，基于藍(lán)牙技術(shù)的蘑菇智能采摘多運(yùn)動(dòng)調(diào)度控制系統(tǒng)能夠充分滿足蘑菇智能化采摘的要求，提升了蘑菇的采摘效率。在現(xiàn)代工業(yè)和信息科技的深入發(fā)展下，越來(lái)越多的智能化技術(shù)形式開(kāi)始被引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，蘑菇智能化采摘系統(tǒng)就是時(shí)代背景下的一個(gè)重要發(fā)展。無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)在蘑菇智能化采摘中發(fā)揮出了十分重要的作用，在無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)的支持下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蘑菇智能化采摘的無(wú)線管理，充分提升蘑菇采摘的通訊效率，促進(jìn)蘑菇采摘工作的深入發(fā)展。