基于STM32 的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

李志明

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京，210031）

0 引言

近年來，我國深入實(shí)施黨中央國務(wù)院提出的“藏糧于地，藏糧于技”農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略，加快建設(shè)農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技現(xiàn)代化。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在數(shù)字化、智能化進(jìn)行了全面升級改造。各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)勞作，提高了生產(chǎn)效率。在水果采摘領(lǐng)域，也有學(xué)者、工程師不斷進(jìn)行研究開發(fā)各種水果采摘機(jī)器人。

許子康老師在論文提出了基于STM32 的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人研究[2]，主要為了解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中噴霧，施肥，收割的農(nóng)業(yè)勞作，用仿生的方式解決機(jī)器人在勞作區(qū)域穩(wěn)定行走的問題。孫永芳老師提出GPS 位置定位功能為保證實(shí)時(shí)獲取農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的具體位置，用超聲波控制機(jī)械抓手與水果距離，實(shí)現(xiàn)水果采摘[1]。但是超聲波在實(shí)際應(yīng)用中會受到各種干擾，比如樹葉、樹枝和水果本身的反射、折射等等，給距離估算帶了不可忽略的誤差。閔小翠老師提出[3]，為提升農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)作控制性能，降低機(jī)器人碰撞概率，利用D-H 法優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)作控制系統(tǒng)防止多機(jī)器人協(xié)同工作時(shí)碰撞問題，這里主要解決了多機(jī)器人同時(shí)勞作時(shí)行走問題?？梢钥吹侥壳皩μ岣咚烧实难芯坎皇翘啵⑶宜烧獧C(jī)器人的成功采摘率還都有待提高。

本設(shè)計(jì)為基于STM32 單片機(jī)的水果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)。機(jī)器人系統(tǒng)通過使用矩陣鍵盤或者遠(yuǎn)程發(fā)出控制指令，用圖像識別方法確定水果位置，通過控制電機(jī)操控機(jī)械手對目標(biāo)水果進(jìn)行手動(dòng)或者自動(dòng)采摘。

1 水果采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)介紹

本系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖1 所示。水果采摘機(jī)器人采用STM32 單片機(jī)控制機(jī)械臂在三條直線導(dǎo)軌上進(jìn)行前后、左右和上下運(yùn)動(dòng)，完成三維自由采摘水果。X 軸為左右移動(dòng)導(dǎo)軌，Y 軸是上下移動(dòng)的導(dǎo)軌，Z 軸為前后運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌。每一條導(dǎo)軌都采用帶編碼器的直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在導(dǎo)軌兩端部同樣裝有一個(gè)防碰撞的行程開關(guān)。

圖1 水果采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2 水果采摘機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

Z 軸安裝的機(jī)械抓手采用舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，機(jī)械手內(nèi)側(cè)安裝了一個(gè)壓力傳感器，測量抓取果實(shí)的力量。機(jī)器抓手的下部裝有一個(gè)攝像頭，系統(tǒng)讀取攝像頭數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分析，判斷果實(shí)的顏色和位置，從而驅(qū)動(dòng)并控制機(jī)械抓手采摘水果。

系統(tǒng)還安裝了桿式電位器控制板，通過電線與控制器相連，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制采摘水果。

2 水果采摘機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由微處理器(STM32F103ZET6)控制傳感模塊、輸入輸出模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和無線模塊，整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊提供穩(wěn)定的直流電。

電源模塊主要完成220V 交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的12V，5V和3.3V 的直流電。

輸入輸出模塊主要由鍵盤、顯示器和語音播報(bào)模塊組成。系統(tǒng)可以通過鍵盤輸入控制指令，設(shè)置水果采摘機(jī)器人的采摘范圍和工作模式。手動(dòng)采摘模式下，通過手動(dòng)控制搖桿驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，采摘水果。自動(dòng)采摘模式下，系統(tǒng)通過掃描設(shè)定采摘范圍，自動(dòng)識別水果顏色和形狀大小，定位水果實(shí)際位置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)采摘水果，如果采摘成功，則可以語音播報(bào)當(dāng)前采摘水果的個(gè)數(shù)。

驅(qū)動(dòng)模塊包括直流電機(jī)和舵機(jī)以及相關(guān)電路，主要是完成機(jī)械臂的三維運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手的抓取動(dòng)作。三臺直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂在X 軸，Y 軸和Z 軸的導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂的前端安裝機(jī)械抓手。系統(tǒng)通過舵機(jī)控制機(jī)械臂，可以進(jìn)行0～180 度角度旋轉(zhuǎn)，方便準(zhǔn)確抓取水果。

傳感模塊主要包括遙感電位器、電容式位移傳感器和OV7725 攝像頭。在手動(dòng)采摘模式下，微控制器讀取遙感電位器的電位，通過電線與控制器相連，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制遙感采摘水果。在自動(dòng)采摘模式下，微控制器實(shí)時(shí)讀取電容式位移傳感器獲取機(jī)械臂的實(shí)時(shí)位置，并通過OV7725 攝像頭圖像處理模塊分析獲取目標(biāo)水果的位置信息，調(diào)整機(jī)械臂的位置。當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)合適的位置時(shí)，機(jī)械抓手在Z 軸移動(dòng)，并通過壓力傳感器反饋機(jī)械抓手抓取水果的抓力，保證既能順利采摘水果，又能保證水果不被機(jī)械手的抓力破壞。

無線模塊主要是實(shí)時(shí)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)能在遠(yuǎn)程發(fā)送控制指令，控制水果采摘機(jī)器人的工作。由于篇幅有限，本文主要介紹前三個(gè)模塊。

3 水果采摘機(jī)器人圖像識別算法仿真

（1）形狀識別仿真

因?yàn)樵趯?shí)際的水果采摘中，水果和樹葉相差甚大，只需要基本判斷圓形或者方形即可。例如，蘋果，李子，雪梨，石榴等等基本是圓形，還有一些是長橢圓形比如香蕉。在本仿真中，我們主要針對整塊形狀的仿真，特別是針對圓形進(jìn)行仿真識別。

第一步，讀取彩 圖像。仿真配置了一個(gè)有許多不規(guī)則物體的圖片，模擬實(shí)際環(huán)境的樹枝，樹葉等等，增加仿真的真實(shí)性。圖3 是讀取的形狀原圖。

圖3 圖像形狀識別原圖

第二步，將讀取彩 圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。針對圖像中可能有不同形狀的目標(biāo)物體（水果，葉子，樹枝，蟲子），需要進(jìn)行目標(biāo)篩選。系統(tǒng)先通過形狀小大判斷，過濾掉我們不需要的雜質(zhì)物體，極大地提高了圖像識別的效率。圖4 是去掉噪聲之后的二值圖。

圖4 圖像去噪后的二值圖

第三步，計(jì)算并識別目標(biāo)。首先進(jìn)行孔洞填充并進(jìn) 白色描邊，最后通過函數(shù)bwboundaries 確定圖像邊界。圖像邊界確定后，求取圖形的面積和周長等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

確定圓形 標(biāo)，求取圖形周長，圓，積，并計(jì)算根據(jù)公式計(jì)算形狀 Y，公式如下：

其中：S 為面積，L 為周長。

標(biāo)準(zhǔn)圓的值是1，在本系統(tǒng)中設(shè)置閾值為0.85，即形狀Y 于這個(gè)閾值的就是我們所需要的 標(biāo)物體。

最后一步，可以根據(jù)實(shí)際水果的形狀而調(diào)整。首先調(diào)整閾值計(jì)算，幾何中心的計(jì)算，然后就是閾值的大小。判定為水果后，需要根據(jù)幾何中心找出一個(gè)合適的位置確定成熟的水果的位置。顯示如圖5 所示。

圖5 圖像形狀識別結(jié)果

（2）顏色識別仿真

因?yàn)檎３墒焖麨榧t色和黃色，為了能準(zhǔn)確獲取成熟水果，我們對紅色，黃色進(jìn)行顏色識別仿真，以便更好地在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)水果采摘。圖6 是識別原圖，紫色和灰色是干擾形狀。

圖6 圖像顏色識別原圖

識別過程如下：

第一步，計(jì)算每個(gè)區(qū)域Lab 顏色空間中的樣本顏色。

在圖像中可以看到五種主要顏色：背景色、紅色、紫色、黃色和灰色。眼睛能在視覺上輕松區(qū)分這些顏色，但是對于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而言就是顏色數(shù)據(jù)。采用Lab 色彩空間能夠量化這些視覺差異，因此先將顏色空間轉(zhuǎn)換為Lab 顏色空間，

本文的算法是為每種顏色選擇一個(gè)小樣本區(qū)域，并在Lab 空間中計(jì)算每個(gè)樣本區(qū)域的平均顏色。您將使用這些顏色標(biāo)記對每個(gè)像素進(jìn)行分類。

第二步，使用最近鄰規(guī)則對每個(gè)像素進(jìn)行分類。

每個(gè)顏色標(biāo)記現(xiàn)在都有一個(gè)a 值，b 值。在本圖像中，可以通過計(jì)算像素與每個(gè)顏色標(biāo)記之間的歐幾里德距離L，來對圖像中的每個(gè)像素進(jìn)行分類。最小距離即該像素最匹配的顏色。例如，如果像素與紅色標(biāo)記之間的距離最小，則該像素將被標(biāo)記為紅色像素。因此不管是什么顏色，根據(jù)顏色標(biāo)計(jì)之間的歐幾里德距離，所有的顏色會都?xì)w類到距離最小的標(biāo)記顏色中，消除不固定的自然界中顏色多樣性。歐幾里德距離公式如下：

其中：a，b 是固定分類顏色的Lab 顏色空間的a 值和b 值；color.a，color.b 是獲取當(dāng)前圖像像素的a 值和b 值。

創(chuàng)建一個(gè)包含顏色標(biāo)簽的數(shù)組，即 0=背景、1=紅色、2=紫色、3=灰色和 4=黃色。

第三步，顯示最近鄰分類的結(jié)果。

標(biāo)簽矩陣包含設(shè)定圖像中每個(gè)像素的顏色標(biāo)簽。使用標(biāo)簽矩陣按顏色分隔原始設(shè)定圖像中的對象。圖7 就是把紅色（圖7(a)），黃色（圖7(c)）分離出來的結(jié)果。圖7(d)是原圖的二值圖，圖7(b)是除了黃色，紅色物體之外的其他物體圖。

圖7 圖像顏色識別

這樣分離對后續(xù)識別非常有幫助。比如，如果是紅色成熟水果，則可以用紅色的Lab 顏色空間的a 值和b 值進(jìn)行顏色緊鄰分類，分類后則系統(tǒng)只保留了紅色的形狀，其余形狀都已經(jīng)過濾，這給形狀識別帶來便利。

如圖7 所示，圖7(d)是原圖的二值圖像，如果本次采摘水果是紅色蘋果，則可以采用圖7(a)的分離結(jié)果進(jìn)行形狀識別，減少了非常多的干擾項(xiàng)，效率大大提高。如果本次采摘水果是黃色芒果，則可以采用圖7(c)的分離結(jié)果進(jìn)行形狀識別，效率和準(zhǔn)確率大大提高。

4 水果采摘機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)移植了Matlab 圖像識別的算法，并實(shí)現(xiàn)水果采摘機(jī)器人的智能化設(shè)計(jì)。

（1）首先主程序的主要功能是循環(huán)按鍵掃描根據(jù)不同按鍵值讀取進(jìn)入不同子程序繼續(xù)執(zhí)行掃描；

（2）如果按鍵為1，則進(jìn)入?yún)^(qū)域設(shè)定功能，完成設(shè)定后繼續(xù)進(jìn)行按鍵掃描；

（3）如果按鍵為2，則進(jìn)入手動(dòng)采摘功能。通過手工控制遙桿，單片機(jī)通過讀取電容位移傳感器和壓力傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)與遙桿實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。輸出PWM 信號驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和舵機(jī)控制機(jī)械抓手實(shí)現(xiàn)手動(dòng)采摘水果。

（4）如果按鍵為3，則進(jìn)入位置控制功能。通過電容位移傳感器實(shí)時(shí)獲取機(jī)械抓手位置，并通過PWM 輸出驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，配合鍵盤輸入信息完成機(jī)械抓手位置設(shè)定和調(diào)整。

（5）如果按鍵為4，則進(jìn)入自動(dòng)采摘功能。系統(tǒng)在設(shè)定區(qū)域進(jìn)行圖像掃描，通過攝像頭模塊采集當(dāng)前圖像數(shù)據(jù)，通過圖像識別算法分析是否遇到水果以及確定水果位置。如果沒有遇到水果則繼續(xù)掃描，直到遇到水果或者掃描完整個(gè)設(shè)定區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

（6）如果掃描到水果，則利用電容傳感器實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前機(jī)械抓手位置，輸出PWM 信號驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)控制機(jī)械手位置、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制機(jī)械抓手。系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取機(jī)械手的壓力傳感器數(shù)據(jù)，調(diào)整機(jī)械手抓力大小，準(zhǔn)確無傷地實(shí)現(xiàn)水果采摘并放到系統(tǒng)指定位置。

（7）系統(tǒng)的所有控制也可以通過無線模塊接收遠(yuǎn)程指令并控制。系統(tǒng)總體工作流程所圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)流程圖

5 測試結(jié)果與改進(jìn)方向

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，在位置數(shù)據(jù)測試調(diào)整完畢后，進(jìn)行了水果采摘測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)能根據(jù)圖像采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并確定水果實(shí)際位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制機(jī)械抓手順利完成水果采摘實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)能有效區(qū)分紅，黃，綠三種顏色的水果，并在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下，根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)準(zhǔn)確采摘指定顏色的水果，很好地完成了水果采摘任務(wù)。采摘實(shí)驗(yàn)如表1 所示。易采壞成熟的水果，這樣達(dá)不到替代人工采摘的設(shè)計(jì)初衷。另外，在實(shí)驗(yàn)室模擬條件下不能完全模擬在農(nóng)場中實(shí)際采摘時(shí)的噪聲，因此圖像識別算法還要在實(shí)際農(nóng)場采摘中優(yōu)化和改進(jìn)。

表1 水果采摘成功率