基于機(jī)器視覺的農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主作業(yè)設(shè)計(jì)*

孫 丹

（常州市高級職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213161）

自古以來，農(nóng)業(yè)就是經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。隨著社會(huì)和科技的快速發(fā)展，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)等眾多行業(yè)也發(fā)生了翻天覆地的變化，但是城鎮(zhèn)化的飛速發(fā)展也間接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大幅減少，勞動(dòng)力成本不斷上升。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。農(nóng)業(yè)機(jī)器人自出現(xiàn)以來，就得到了人們的廣泛好評。自主導(dǎo)航機(jī)器人、快速采摘機(jī)器人和其他多功能機(jī)器人的發(fā)展，極大地提高了我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)存在的問題

1.1 作業(yè)對象的復(fù)雜性

許多農(nóng)作物非常容易受到損傷，這要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人在操作過程中柔軟靈活，以避免損壞作物。在不同農(nóng)作物的生長過程中，它們生長速度不同、形狀不同，所以農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)與使用也存在一定難度，大多是單一的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。

1.2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作對象的特殊性

農(nóng)業(yè)機(jī)器人操作人員主要是種植農(nóng)作物的農(nóng)民，農(nóng)民文化水平普遍比較低，農(nóng)業(yè)機(jī)器人需要具備穩(wěn)定性良好、故障率低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。此外，大多數(shù)農(nóng)民以家庭為單位進(jìn)行勞作。如果農(nóng)業(yè)機(jī)器人的價(jià)格太高，就很難推廣。

1.3 農(nóng)業(yè)機(jī)器人成本高

當(dāng)前的農(nóng)業(yè)機(jī)器人存在功能單一的情況，大多只能開展農(nóng)作物種植、施肥、收獲等其中一項(xiàng)作業(yè)。例如，采摘機(jī)器人只能用于采摘，切割機(jī)器人只能用于切割操作，除草機(jī)器人只能進(jìn)行除草操作[1]。所以，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的單一特性導(dǎo)致需要購買不同的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，以便在不同的生長階段處理相同的作物，這導(dǎo)致了高成本問題。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)亟待完善

農(nóng)業(yè)機(jī)器人具有非結(jié)構(gòu)化特征，通常比較復(fù)雜，需要智能化農(nóng)業(yè)機(jī)器人來適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境，例如識別和避免障礙的能力。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的智能化還需要進(jìn)一步研究，當(dāng)前水平無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。所以，需要建立一個(gè)更加完善的農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、機(jī)器視覺等關(guān)鍵技術(shù)，確保其精度和操作效率高。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主作業(yè)的主要目標(biāo)是農(nóng)作物，包括糧食、蔬菜、水果等農(nóng)作物。在這個(gè)項(xiàng)目中，主要原則是在作業(yè)工具不損壞農(nóng)作物的前提下，開展農(nóng)作物的日常澆水、施肥、除草等操作。所以，農(nóng)業(yè)機(jī)器人需滿足以下幾方面的要求：1）在自主行走的基礎(chǔ)上，對于雜草或農(nóng)作物進(jìn)行識別，系統(tǒng)可以控制工具來有效管理檢測到的作物或雜草。2）在農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主運(yùn)行期間，自主運(yùn)行的精度也必須得到保證，即原則上必須達(dá)到準(zhǔn)確率。3）對于不同的作業(yè)結(jié)構(gòu)，必須易于組裝和更換，因此工作工具可以在必要時(shí)輕松更換，并且可以輕松地從現(xiàn)有操作轉(zhuǎn)換為其他操作。農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)自主運(yùn)行工作原理圖如圖1所示。

圖1 農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)自主運(yùn)行工作原理圖

2.2 作業(yè)工具裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制工具系統(tǒng)的組成包括作業(yè)工具、執(zhí)行裝置。其中，作業(yè)工具主要用于噴灑操作中的噴灑作業(yè)、機(jī)械除草作業(yè)等；而執(zhí)行裝置的組成包括兩個(gè)直線步進(jìn)電機(jī)。常用的除草技術(shù)有機(jī)械除草技術(shù)、變量噴藥技術(shù)、熱除草技術(shù)、機(jī)電噴霧技術(shù)四種。機(jī)械除草切割器可分為圓盤式、滾刀式等多種類型[2]。

噴灑工具主要包括水箱、電磁閥、噴頭、水管等。電磁閥采用DC12 V二通電磁閥。當(dāng)設(shè)備正常關(guān)閉時(shí)，噴頭也將關(guān)閉。在開展噴灑作業(yè)時(shí)，通過繼電器控制農(nóng)業(yè)機(jī)器人通電，然后打開噴頭進(jìn)行噴灑作業(yè)。在除草作業(yè)中，采用機(jī)械除草技術(shù)能夠減少化學(xué)除草劑使用量，保證農(nóng)作物可以更好地生長。在選擇工具時(shí)，可以選擇設(shè)計(jì)相對簡單的圓盤式機(jī)械除草工具，其組成部分包括刀片、刀頭和連接軸等。操作工具時(shí)，只需控制直流電機(jī)的通斷，即可實(shí)現(xiàn)對刀具的控制。從配備的作業(yè)工具的角度來看，由于作物和雜草必須進(jìn)行作業(yè)，所以農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須能夠水平和垂直移動(dòng)，因此，經(jīng)過全面分析，決定使用X-Z平臺(tái)，以提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主作業(yè)水平。因?yàn)樵撈脚_(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，還可以進(jìn)行垂直移動(dòng)。自主作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 自主作業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)

2.3 圖像處理

在農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器視覺系統(tǒng)是重要的組成部分。從功能角度來看，機(jī)器視覺系統(tǒng)可分為單目機(jī)器視覺系統(tǒng)、雙目機(jī)器視覺系統(tǒng)。筆者選擇單目機(jī)器視覺系統(tǒng)，將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航、相關(guān)圖像處理、目標(biāo)識別等方面。機(jī)器人視覺系統(tǒng)的工作原理為：利用圖像采集相機(jī)采集物體之后，將物體轉(zhuǎn)換成圖像信號，并通過數(shù)據(jù)線、串行端口，將圖像信號傳輸給專用的圖像處理軟件，并結(jié)合圖像信號中的像素、亮度、顏色等信息，將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而得到需要的信息[3]。

機(jī)器人視覺系統(tǒng)中的硬件組成包括：圖像采集設(shè)備、圖像處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、照明設(shè)備，在夜間使用時(shí)可以考慮增加照明系統(tǒng)。圖像采集設(shè)備通常是根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需要和成本效益比進(jìn)行選擇；圖像處理系統(tǒng)通?？梢允褂肕ATLAB軟件編寫相關(guān)程序；計(jì)算機(jī)是這項(xiàng)技術(shù)的主要載體，圖像采集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)均是以計(jì)算機(jī)為載體，需要根據(jù)系統(tǒng)操作環(huán)境和相關(guān)設(shè)備的要求選擇計(jì)算機(jī)。

圖像處理組成主要有圖像采集、彩色圖像分割、形態(tài)學(xué)處理、雜草與作物坐標(biāo)的確定四個(gè)模塊[4]。圖像采集模塊的功能是控制攝像機(jī)采集圖像；彩色圖像分割模塊主要負(fù)責(zé)將圖像中的綠色作物和土壤分離，從而得到作物圖像；形態(tài)學(xué)處理模塊負(fù)責(zé)進(jìn)行雜草和農(nóng)作物的識別；雜草和作物坐標(biāo)的確定模塊負(fù)責(zé)確定農(nóng)作物坐標(biāo)和雜草坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)雜草和農(nóng)作物具體位置的準(zhǔn)確定位，從而提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主作業(yè)的準(zhǔn)確性[5]。

2.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)十分重視控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)是農(nóng)業(yè)機(jī)器人自主運(yùn)行的關(guān)鍵部分，是實(shí)現(xiàn)其自主操作和各種操作的主要支撐模塊。筆者設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)涉及硬件和軟件兩大部分[6]?？刂葡到y(tǒng)的硬件由上位機(jī)硬件系統(tǒng)和下位機(jī)硬件系統(tǒng)兩部分組成。其中，上位機(jī)硬件系統(tǒng)需完成圖像采集和處理系統(tǒng)的操作，因此需要相對較高的速度來計(jì)算和處理圖像信息[7]。其中，微控制器模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，然后處理數(shù)據(jù)，控制農(nóng)業(yè)機(jī)器人相應(yīng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行一系列的操作，從而完成農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)。不同的控制器參數(shù)情況如表2所示，中級微控制器可以滿足本研究需求，選擇Basic ATOM系列的單片機(jī)Basic ATOM Pro40。另外，有必要考慮戶外工作的具體條件。上位機(jī)系統(tǒng)通常應(yīng)具備防墜落、防水和電池長期運(yùn)行的特性，并可選擇堅(jiān)固型的工程筆記本電腦；下位機(jī)硬件系統(tǒng)的組成則主要有單片機(jī)電源模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。在設(shè)計(jì)下位機(jī)硬件系統(tǒng)時(shí)，需要考慮到簡單、舒適、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、易于維護(hù)和方便升級等需求[8]。

表2 不同微控制器參數(shù)對比

農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，不僅要具備硬件系統(tǒng)，還需要相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)主要是完成各種既定要求動(dòng)作的程序，所以對于軟件系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性具有較高的要求[9]。從農(nóng)業(yè)機(jī)器人的軟件系統(tǒng)來看，其必須具備簡單性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等特點(diǎn)。從農(nóng)業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的角度來看，控制軟件系統(tǒng)的組成包括自主行走導(dǎo)航、自主作業(yè)兩個(gè)部分。其中，自主行走導(dǎo)航的組成包括上位機(jī)系統(tǒng)中的自主導(dǎo)航軟件系統(tǒng)、作物與雜草定位軟件系統(tǒng)；而自主作業(yè)則是由下位機(jī)系統(tǒng)中的作業(yè)工具軟件系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)軟件系統(tǒng)所構(gòu)成的[10]。必須根據(jù)作物管理的需要以及生長情況來靈活設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)某绦蚝土鞒獭?/p>

3 總結(jié)

綜上所述，農(nóng)業(yè)機(jī)器人有助于農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展，能夠在一定程度上解放勞動(dòng)力，提高農(nóng)作物的種植質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的自主作業(yè)體系設(shè)計(jì)也需要根據(jù)農(nóng)業(yè)的實(shí)際作業(yè)需求進(jìn)行。總之，農(nóng)業(yè)機(jī)器人是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流方向，必將助推鄉(xiāng)村振興。