基于安卓系統農業智能移動機器人的系統設計

初留珠，白皓然，李 娟，王方艷，郭若皓，孫 陽

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

針對提高農業移動機器人遠程控制的便捷性、安全性和可操作性，提出了一種應用于安卓智能手機上的移動智能機器人遙控系統的方案。目前，美國和德國在機器人的研究中處于領先地位，開發了各種類型的農業機器人[1]。尤其近年來，隨著網絡智能技術的高速發展，推動了多功能農業機器人更廣泛地為農業服務[2]。

目前，經過多年開發和研究，各種性能的農業機器人層出不窮，如采摘機器人、移栽機器人、扦插機器人及嫁接機器人等[3]。丹麥農業方面科學家對農田除草的機器人做了深入的研究。該機器人利用15種參數來描述雜草和布局的環境因子情況，雜草定位通過GPS來實現[4]。到了20世紀末，經過幾年的努力，對農業機器人的研究也取得了不錯的成績，如草莓采摘機器人及噴藥機等[5]。2005年，中國農業大學設計出了套管式蔬菜嫁接機器人[6]；2009年，東北農業大學研究了果實采摘機械手及其控制系統[7]；2011 年，中國農業大學成功研究了黃瓜采摘機器人，基于深度學習和圖譜識別完成黃瓜的采摘[8]。本文研究利用安卓系統實現手機遠程遙控操作，采用WiFi模式及其4G網絡實現與ARM的通訊，進而完成農業環境信息的智能感知和圖譜識別，構建靶向目標的可視化操作。

1 機器人硬件部分

硬件的核心部分是STM32F407單片機，主要由多個重要的模塊組合成，包括供電模塊、L298N電機驅動模塊、電動推桿模塊、HLK——RM04海陵型WiFi模塊和視頻采集模塊、LM2596S穩壓模塊及機械臂模塊等，如圖1所示。

圖1 硬件組成的整體框架

1.1 電源供電模塊穩壓電路

農業智能機器人在農田完成作業任務時，地面阻力較大，因此本設計采用兩個電源來對該移動機器人持續地提供能量。設計移動機器人小車電源電壓為12V，小車攜帶電池的總容量為6 000mA/h；選用STM32作為該機器人的單片機，單片機電源電壓為5V，單片機的電源電池容量為2 200mA/h。兩種電源應用零歐姆的電阻單點共地的工作方式，使得電源能夠源源不斷地提供3.3V的電壓供給STM32單片機，保障其正常地工作。

1.2 小車L298N電機驅動模塊

本文設計的農業機器人選擇大電流電機驅動芯片，采用15引腳封裝；內含有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，能夠用來驅動直流電動機和進步電動機。 本系計劃配有4個直流電動機，電動機選用的是掌控直流減速電機，L298N電機進行機器人的驅動。因為負責驅動機器人的電機需要特別大的功率，所以要通過單片機發出相應的PWM信號增加L298N驅動電電路，從而實現對小車、發動、前進及停止的控制。

1.3 控制繼電器模塊的H橋模塊

本文設計的智能移動機器人的驅動系統由控制器、電機驅動模塊及電機3個主要部分組成，確保了電動機驅動體系擁有高轉矩質量比、寬調速范疇和高可靠性。系統采用了易控制、高性能、供電便利的直流電機驅動模塊，利用H全橋電路實現電機驅動功能，利用H橋驅動實現主電機正向和反向驅動，通過控制不同開關的連接，即可實現電動機正反向驅動。

1.4 IP網絡攝像頭模塊和圖譜識別

攝像頭能實現遠程監控是本系統實現遠程控制的關鍵技術之一。本設計選擇 IP網絡攝像頭作為移動機器人的視覺傳感器，只需要1個電源，通過局域網和設定的服務器將攝像頭的實時視頻鑲嵌到自己的APP界面中，輸送到手持手機中，然后使用OPENCV進行圖像的識別和處理。IP網絡攝像頭源碼如下：

//監聽服務器發來的消息，獲取輸入輸出視頻流：

private Runnable mRunnable = new Runnable()

{

public void run() { try {

mSocketClient = new Socket(sIP, port);

mBufferedReaderClient = new

BufferedReader(new

InputStreamReader(mSocketClient.getInputStream()));mPrintWriterClient = new PrintWriter(mSocketClient.getOutputStream(), true);handler.sendMessage(msg);} catch (Exception e) {return;}}}

// 設置視頻可見

private void setViewVisible() {

if (bProgress) {

bProgress = false;

progressView.setVisibility(View.INVISIBLE);

getCameraParams();

}

}

private void getCameraParams() {

NativeCaller.PPPPGetSystemParams(strDID, ContentCommon.MSG_TYPE_GET_CAMERA_PARAMS);

}

private Handler msgHandler = new Handler() {

public void handleMessage(Message msg)

{

if (msg.what == 1) {

Log.d("tag", "斷線了");

Toast.makeText(getApplicationContext(), R.string.pppp_status_disconnect,

Toast.LENGTH_SHORT).show();

finish();

}

}

};

1.5 WiFi模塊和通訊接口

本系統設計的移動機器人是利用手持安卓手機操控、用WiFi模塊進行連接，通過TCP鏈接實現手機客戶端與單片機之間進行無線通信。

WiFi模塊相當于設置系統的無線路由器，接有1個網絡攝像頭，借助于WiFi來實現命令的收發，再把相應的命令傳遞給單片機；單片機對指令經過分析和處理，利用通信接口控制移動機器人、機械臂舵機及網絡攝像頭等各個模塊完成各項作業任務。

1.6 機械臂模塊

作為一種多功能智能移動機器人，它可以靈活地移動到指定的目標位置來把握對象，從而很容易地擴展；扭轉到各個不同的姿勢，有時候考慮到目標物在狹小的空間中，還要方便、靈活、有效地避讓障礙物?？紤]到還有底盤的移動及機械臂的質量，本系統設計了手、臂、肩3個自由度。

2 機器人軟件的設計

2.1 機器人控制端軟件的設計

本機器人系統的控制端使用的網絡攝像頭，經過局域網和設定的服務器將攝像頭的視頻鑲嵌到自己上位機的APP界面中。該APP是在eclipse的環境下，通過android，Java語言編寫的上位機APP，控制移動機器人前進、后退、左轉、右轉、停止等一系列動作，以及控制機械臂的舵機、電動推桿的上升和下降，完美地實現了機器的智能化。這個APP屏幕按鍵狀況會進行不斷的檢測，操作人員按動手機軟件上的一個鍵，指令會借助于WiFi模塊很快地傳遞到單片機上。機器人指令都是由16個字節代碼的數據包組成，保證了每一個單片機能夠按照接收到的數據包指令控制移動機器人的運行狀態，實現對機器人的遠程操作，手機客戶端APP界面如圖2所示。

圖2 手機APP界面

程序代碼如下：

//重力感應控制電機和舵機：

public void

onSensorChanged(SensorEvent event) {

int x = (int) event.values[0];

int y = (int) event.values[1];

int z = (int) event.values[2];

if (x==0&&y < 0) {

if (isConnecting && mSocketClient != null) {

String OUTPUT = "OUTPUT 0";

char a = 'a';

try {

mPrintWriterClient.print(a);

mPrintWriterClient.flush();

mPrintWriterClient.print(OUTPUT);

mPrintWriterClient.flush();

} catch (Exception e) {return;}}

2.2 單片機程序設計

本文選用STM32F407單片機作為核心處理器，其具有很多優點。首先該單片機控制器集成了單周期DSP指令和FPU指令，還可以完全地兼容于STM32F2系列產品，可以對ST的用戶進行擴展產品升級。除此之外，STM32F4單片算法的運行速度和效率有了大幅度的提升。支持程序執行和數據傳輸并行處理，單片機代碼如下：

int main(void)

{

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

delay_init(168);

uart_init(115200);

EN_Init();

TIM14_PWM_Init(500-1,84-1)

GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 |

GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);

while(1){

TIM_SetCompare1(TIM14,500);

a=USART_ReceiveData(USART1);

if(a=='a'){

TIM_SetCompare1(TIM14,80);

}}

2.3 系統軟硬件調試

根據系統分布式的設計理念，對系統的每一個軟硬件進行聯合調試：①檢查系統的WiFi模塊和檢查手機APP是夠能連接到無線網絡，檢查手機屏幕是否可以接收到攝像頭視頻流，保障屏幕成像清晰；②對于接收到不同機器人指令的單片機相應的每一個模塊進行調試；③檢查機器人電機驅動電路L298N、機器人的機械臂模塊及機器人的推桿模塊等。每一個模塊都調試完成后，要進行的聯機進行調試，一直調試到系統完成開發再停止。

3 系統技術特點和應用方式方法

實現了手機安卓APP的操作和遠程遙控操作，采用WiFi模塊及其4G網絡使機器人性能更穩定。 通過傳感模塊，實現農業環境信息的智能感知和圖譜識別，構建靶向目標的可視化操作，實現智能感知、圖譜識別和知識決策。用手機安卓或者平板電腦控制移動機器人工作，方便快捷，屬于農機化機器人應用的新領域，具有重要的現實意義。

4 農業上應用的實例

本設計的農業機智能機器人主要在山東省青島市城陽區青島農業大學蔬菜瓜果種植試驗基地使用，選擇草莓大棚設置作為實驗對象。用戶通過手機下載安裝，用Java語言構建APP，打開APP界面會顯示前進、后退、左轉、右轉、停止，重力感應、退出感應按鈕用來控制機器人的各種功能。

實踐證明：該農業智能機器人工作穩定可靠，耗能小， 手機操作方便，使用簡單，能滿足大部分群體用戶要求。另外，降低了人工成本，提高了農業機械化水平，避免踩踏莊稼和踩硬土層，移動靈活，效率高，可帶來更大的生產效益。圖3是應用實際操作圖。

5 結論

采用STM32F407單片機作為核心控制器，在eclipse環境下，通過android語言、Java語言構建APP后臺操作平臺，利用xml構建手機APP界面，利用傳感器構建移動機器人監控傳感系統。通過WiFi模塊技術實現遠程網絡化操控功能及對機器人進行智能遠程操作。該設計可以降低農民的勞動強度，改善農民工作環境，提高作業效率，進而提高了農業的生產效率。