基于視覺(jué)的智能移苗移栽小車設(shè)計(jì)*

張惠瑩 ， 楊秀芳 ， 吳忠林 ， 王 偉 ， 許小龍 ， 劉 冰 ， 侯文斌 ， 閆 鑫

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

2020 年全國(guó)兩會(huì)上，習(xí)近平總書(shū)記用“金扁擔(dān)”來(lái)比喻農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，設(shè)施農(nóng)業(yè)的育苗環(huán)節(jié)也迎來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)，出現(xiàn)了通信、電子、機(jī)械等領(lǐng)域的新技術(shù)[1]。在農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，大型移栽設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用[2-3]，我國(guó)在移苗移栽設(shè)備方面也進(jìn)行了大量研究，涵蓋了自主移動(dòng)溫室機(jī)器人[4]，導(dǎo)軌移動(dòng)的串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)構(gòu)型的移栽機(jī)械臂等[5-7]。

課題組研發(fā)了一款用于科研及高附加值經(jīng)濟(jì)作物育苗的小型溫室智能移苗移栽機(jī)器人，如圖1 所示。機(jī)器人可根據(jù)需要移動(dòng)至作業(yè)位置，末端預(yù)留安裝工具的接口，除移苗移栽外，還可完成噴藥、灌溉等任務(wù)，具有靈活的適應(yīng)性。

圖1 智能移苗移栽機(jī)器人

1 機(jī)器人底盤(pán)

小車底盤(pán)由麥克納姆輪、編碼器電機(jī)、霍爾編碼器及五路紅外循跡模塊組成。沿著預(yù)定軌跡，實(shí)現(xiàn)自主行走功能。

1.1 麥克納姆輪

麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是一種很成功的全方位輪。在中心輪圓周方向又布置了一圈獨(dú)立的、傾斜角度（45°）的行星輪，這些成角度的行星輪把中心輪的前進(jìn)速度分解成X 和Y 兩個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)及橫行。將四個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便地實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。如圖2 所示，四個(gè)麥克納姆輪分別連接到電機(jī)上，進(jìn)行獨(dú)立控制。機(jī)器人可以像四個(gè)普通車輪一樣前進(jìn)、后退和旋轉(zhuǎn)。

圖2 麥克納姆輪

1.2 編碼器電機(jī)

電機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 電機(jī)參數(shù)

開(kāi)環(huán)控制由于電機(jī)差異及環(huán)境影響，只能實(shí)現(xiàn)粗略的運(yùn)動(dòng)模型控制。閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制相比，更精確。將解算的電機(jī)驅(qū)動(dòng)賦值為電機(jī)的目標(biāo)速度，電機(jī)通過(guò)PID 控制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)速度跟隨控制。圖3 為四個(gè)編碼器電機(jī)的控制策略。

圖3 編碼器電機(jī)的控制策略

1.3 霍爾編碼器

小車采用增量式輸出的霍爾編碼器。編碼器有AB 相輸出，所以不僅可以測(cè)速，還可以辨別轉(zhuǎn)向[8]。根據(jù)圖4 可知，只需給編碼器電源5 V 供電，在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候即可通過(guò)AB 相輸出方波信號(hào)。編碼器自帶了上拉電阻，所以無(wú)需外部上拉，就可以直接連接到單片機(jī)I/O 口讀取。

圖4 霍爾編碼器

1.4 五路紅外循跡模塊

循跡模塊可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在白色的地板上根據(jù)黑色的線路行駛，采用的方法為紅外線探測(cè)法。紅外線探測(cè)法，就是利用紅外線在不同顏色的物體上具有不同的反射強(qiáng)度的特點(diǎn)[9]。因?yàn)榘咨瓷渌泄?，黑色吸收所有光。所以機(jī)器人在行駛的過(guò)程中向地面發(fā)射紅外線時(shí)，紅外線光遇到白色物體時(shí)便會(huì)被反射，反射出來(lái)的光會(huì)被裝在機(jī)器人上的傳感器所接收；遇到黑色的物體時(shí)，紅外線光便會(huì)被吸收。單片機(jī)接收以是否收到反射光來(lái)判斷和確定機(jī)器人的位置和行駛路線。五路紅外循跡模塊如圖5 所示。

圖5 五路紅外循跡模塊

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由云臺(tái)、機(jī)械爪、舵機(jī)、導(dǎo)軌滑臺(tái)模組、噴霧器、視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)等組成。

2.1 云臺(tái)和機(jī)械爪

如圖6 所示，課題組選用旋轉(zhuǎn)云臺(tái)與總線舵機(jī)配合，完成機(jī)械臂圓周范圍的運(yùn)動(dòng)。

圖6 云臺(tái)和機(jī)械爪

2.2 舵機(jī)

舵機(jī)是一種帶有輸出軸的小型伺服電機(jī)。當(dāng)控制信號(hào)發(fā)送至伺服器時(shí)，輸出軸可相應(yīng)地轉(zhuǎn)至指定位置，軸的角度位置隨著控制信號(hào)的改變而改變。舵機(jī)廣泛應(yīng)用于日常生活中的遙控飛機(jī)、遙控汽車、機(jī)器人等領(lǐng)域。

總線舵機(jī)是舵機(jī)派生出來(lái)的一種特殊舵機(jī)。單總線回讀數(shù)字舵機(jī)采用單總線通信方式，內(nèi)部裝有主控芯片，完成了對(duì) PWM 的內(nèi)部控制，具有角度回讀、多角度工作模式切換功能。并采用了簡(jiǎn)單的控制方式，僅用一條指令，用戶就能實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。與傳統(tǒng)舵機(jī)相比，其內(nèi)部的組成結(jié)構(gòu)和工作原理基本相同，主要區(qū)別在于總線舵機(jī)之間可以串聯(lián)，最多可使255 個(gè)舵機(jī)級(jí)聯(lián)。

結(jié)合本課題設(shè)計(jì)的具有視覺(jué)識(shí)別功能的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作環(huán)境、目標(biāo)物的尺寸重量等多方面因素，本課題選取ZX20S 智能串行總線舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊，尺寸如圖7 所示。其中，一個(gè)總線舵機(jī)安裝在云臺(tái)處，用于負(fù)責(zé)機(jī)械臂整體圓周運(yùn)動(dòng)；一個(gè)總線舵機(jī)安裝在機(jī)械臂Y 軸末端，用于負(fù)責(zé)末端執(zhí)行器腕關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)；另一個(gè)總線舵機(jī)安裝在末端執(zhí)行器上，通過(guò)齒輪嚙合控制末端執(zhí)行器的開(kāi)合以實(shí)現(xiàn)抓取。

圖7 ZX20S 智能串行總線舵機(jī)

2.3 導(dǎo)軌滑臺(tái)模組

導(dǎo)軌滑臺(tái)模組由兩個(gè)導(dǎo)軌滑臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的上下和左右移動(dòng)。圖8 為其中一個(gè)導(dǎo)軌滑臺(tái)三維模型，可以實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。

圖8 導(dǎo)軌滑臺(tái)

2.4 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)

OpenMV 是一個(gè)機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)組件，使用Python編程，具有易使用、低成本的特點(diǎn)，可以幫助用戶完成機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，如測(cè)距、掃碼識(shí)別等[10]。

具有視覺(jué)識(shí)別功能的機(jī)械臂視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)選用星瞳科技提供的OpenMV 機(jī)器視覺(jué)模塊，如圖9 所示。該機(jī)器視覺(jué)模塊具有輕便小巧、功耗低、成本低等特點(diǎn)，以STM32H743II ARM Cortex M7 為處理器，具有480 MHz主頻、1MB RAM、2 MB flash。所有的 I/O 引腳輸出3.3 V，并且5 V 耐受。OpenMV4 H7 Plus 默認(rèn)配置的OV5640 感光元件處理2 592×1 944（5MP）圖像。在QVGA （320×240）及以下的分辨率時(shí)，大多數(shù)簡(jiǎn)單的算法可以運(yùn)行（25～50）FPS。

圖9 OpenMV 機(jī)器視覺(jué)模塊

3 試驗(yàn)分析

OpenMV 搭載了MicroPython 解釋器，允許用戶使用Python 對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行編程。Python 簡(jiǎn)化了機(jī)器視覺(jué)算法的編程過(guò)程。OpenMV 能夠?qū)崟r(shí)顯示圖像，實(shí)時(shí)查看顏色直方圖，通過(guò)代碼可以使試驗(yàn)中識(shí)別數(shù)據(jù)的方面更加簡(jiǎn)潔與直觀。

用戶可以使用OpenMV 專用的IDE 進(jìn)行編程，該軟件配置了圖像窗口，可以直接看到攝像頭拍攝到的圖像，圖像窗口下的直方圖包含了該圖像的詳細(xì)信息。使用OpenMV-IDE，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的采集及失真校正和圖像的處理及分析，完成了機(jī)械臂的視覺(jué)識(shí)別。

采用Python 編程調(diào)用圖像處理的算法進(jìn)行開(kāi)發(fā)。OpenMV 機(jī)器視覺(jué)模塊的程序設(shè)計(jì)前，預(yù)先將各幼苗種植時(shí)間進(jìn)行分類記錄，并利用相應(yīng)軟件生成對(duì)應(yīng)QR 碼。視覺(jué)模塊工作時(shí)，采用視覺(jué)識(shí)別算法，獲取QR 碼對(duì)應(yīng)幼苗的信息，通過(guò)模塊內(nèi)置系統(tǒng)的時(shí)間，與幼苗種植時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，判斷該幼苗需進(jìn)行移苗操作或是澆灌操作。圖10 為智能機(jī)器人試驗(yàn)過(guò)程，按照黑色標(biāo)記線進(jìn)行循跡，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成了精準(zhǔn)的移苗作業(yè)。

圖10 智能機(jī)器人移苗作業(yè)

4 結(jié)論

課題組設(shè)計(jì)了一款智能移苗移栽機(jī)器人，底盤(pán)主要實(shí)現(xiàn)循跡功能，由麥克納姆輪、編碼器電機(jī)、霍爾編碼器及五路紅外循跡模塊組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由云臺(tái)、機(jī)械爪、舵機(jī)、導(dǎo)軌滑臺(tái)模組、噴霧器與OpenMV視覺(jué)模塊組成。機(jī)器人可根據(jù)需要移動(dòng)至作業(yè)位置，末端預(yù)留安裝工具的接口，除移苗移栽外，還可完成噴藥、灌溉等任務(wù)，具有靈活的適應(yīng)性。