基于雙目立體視覺的采摘機器人設計

杜梟雄 張鵬超 姚晉晉 王 彥

（1.陜西理工大學機械工程學院，陜西漢中723001；2.陜西理工大學陜西省工業自動化重點實驗室，陜西漢中723001）

0 引言

農業勞動力的匱乏，在一定程度上致使果蔬無法得到及時采摘，從而給農業生產帶來了巨大損失。因此，迫切需要深入開展采摘機器人相關理論與技術的研究。本文基于機器視覺技術設計了一種智能移動式水果采摘機器人[1]，集可移動平臺、機械手臂、氣動采摘吸盤及智能控制模塊于一身。通過雙目立體視覺技術，實現了水果采摘機器人自主移動行走、避障及果實定位識別的功能。

1 機械本體及硬件系統設計

初步設計車體結構如圖1所示。

圖1 采摘機器人移動平臺車體結構

2 移動平臺控制系統設計

本設計采用STM32F103作為主控制芯片，該芯片融高性能、實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓等優點于一身，同時保持了高集成度和開發簡易的特點。

2.1 主控單元

本系統選用STM32F103芯片作為采摘機器人移動平臺的中央控制器，完成傳感器信息收集、電機控制、外部通信擴展等任務[2]。

2.2 電機驅動模塊

在綜合考慮電機驅動機器人的承載能力、驅動轉矩、轉速及功率等技術指標的基礎上完成對直流電機的選型，并且在機器人機械結構中通過增加減速裝置來進一步提高驅動轉矩，最終選擇直流電機型號為GM25-370-2414-75-14.5D10。表1為直流電機主要技術指標參數。

表1 直流電機主要技術指標參數表

2.3 紅外尋跡模塊

本文設計的采摘機器人在設置的黑帶軌道上行駛，三對紅外收發管安置于車體前部并對地，與地面相隔1 cm左右，根據接收到的反射光線強弱來判斷是否在軌跡上。光電傳感器實現循跡的基本電路如圖2所示。

圖2 循跡電路圖

2.4 超聲波測距模塊

考慮到采摘機器人行駛過程中可能存在障礙，因此在采摘機器人行駛過程中必須進行避障處理。

2.5 無線通信模塊

通過無線接收模塊來實現下位機與上位機之間的通信，可在復雜環境中保證其行進的安全性。

2.6 WiFi服務程序設計

WiFi服務系統由主控部分、避障傳感器、攝像頭、機械臂等部分構成，主控部分采用STM32F103+ESP8266構成。通過主控把采集到的攝像頭信息上傳到PC端，然后PC端顯示采摘機器人實時視頻信息。STM32通過USART2與ESP8266通信，原理圖如圖3所示。

3 軟件系統設計

本設計的軟件系統為上位機+下位機的設計框架，上位機通過接收雙目視覺模塊采集的圖像對目標進行識別與定位，然后根據目標定位數據，結合摘機械臂的模型參數和運動學的模型，進行機械手定位采摘目標逆運動學求解及軌跡規劃，解算出機械手到達目標姿態對應的關節動作角度。并通過調用串口通信類與運動控制器MCU通信，將關節動作數據傳遞給運動控制器MCU。

3.1 目標果實的檢測與定位

識別的首要任務是進行果實圖像樣本的采集，需要依靠CCD攝像機拍攝完成，根據圖片信息建立完整的果實樣本；其次是建立顏色模型，采用圖像分割技術將果實與其周圍生長環境分開，識別果實本體，并通過三原色RGB對比計算，判斷目標果實的成熟度[3]。

3.2 雙目視覺空間定位原理

采摘機器人進行采摘作業的前提是先識別成熟果實及確定其三維位置，對果實成熟率的識別和定位，極大程度地影響了采摘的成功率，然后通過WiFi模塊將圖像采集信息傳送至工控計算機，根據形成的三維圖像，進而實施準確采摘。

圖3 STM32和ESP8266原理圖

4 結語

采摘機器人的控制部分采用ARM+PC的控制方式，搭載了四自由度的機械臂。通過采用移動平臺來搭載機械手，可以使采摘機器人活動范圍更加靈活。