農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑識(shí)別自主導(dǎo)航系統(tǒng)——基于STM32與物聯(lián)網(wǎng)

楊 輝，吳賽燕

(太原工業(yè)學(xué)院 電子工程系，太原 030008)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，人口基數(shù)和對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求量都極大，因此農(nóng)業(yè)一直以來(lái)都是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)[1]。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平較為落后，主要表現(xiàn)在：①我國(guó)南北方地勢(shì)差異很大，北方以平原為主，適合規(guī)模化生產(chǎn)；南方大部分地區(qū)的地貌多樣，呈現(xiàn)出山地、丘陵和平原并存的局面，限制了農(nóng)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。②我國(guó)幅員遼闊，但人口眾多，每戶農(nóng)民耕作的土地面積有限，很大程度上影響了規(guī)模化的進(jìn)程。③種植者的裝備普遍落后，生產(chǎn)效率和利潤(rùn)都很低，極大地影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性[2]。近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)和機(jī)器人技術(shù)日益成熟并推廣應(yīng)用，使得農(nóng)業(yè)機(jī)械的規(guī)模化和智能化越來(lái)越受到人們的關(guān)注[3]。我國(guó)每年的糧食需求量不斷增長(zhǎng)，但是城市化發(fā)展導(dǎo)致農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大量流失，原有的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力也進(jìn)入了老齡化階段，在這種嚴(yán)峻的形勢(shì)下，大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化和自動(dòng)化對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[4]。

相比于之前應(yīng)用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，新興的機(jī)器人技術(shù)具有更多的優(yōu)點(diǎn)。利用機(jī)器人的智能化進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、自主導(dǎo)航和操控，控制的精確度較高，極大地方便了農(nóng)業(yè)人員的管理和操作[5]。

現(xiàn)代機(jī)器人安裝了與人類相似的感知系統(tǒng)，這些感知系統(tǒng)的核心是傳感器，能夠接收和傳遞信號(hào)。定位導(dǎo)航是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的必備功能，一般是通過(guò)安裝GPS和視覺傳感器形成機(jī)器視覺系統(tǒng)[6-7]。目前，已經(jīng)有多種類型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人安裝了視覺技術(shù)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)除草、果實(shí)采摘及果實(shí)分級(jí)分類等農(nóng)業(yè)活動(dòng)。通過(guò)機(jī)器視覺技術(shù)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠自主完成目標(biāo)的識(shí)別、環(huán)境監(jiān)測(cè)和行走導(dǎo)航[8]，不僅可以減輕操作人員的工作強(qiáng)度，還能在很大程度上提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。通過(guò)使用機(jī)器視覺導(dǎo)航，可以實(shí)現(xiàn)自主操控，節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間，降低了事故發(fā)生率，農(nóng)業(yè)人員的生命和財(cái)產(chǎn)安全也得到了保障[9]。

本文設(shè)計(jì)了基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的行走路徑識(shí)別提供了視覺平臺(tái)。該系統(tǒng)采用STM32嵌入式芯片控制GSM接入物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器并發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù)，然后根據(jù)機(jī)器視覺識(shí)別結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)航操作。視覺識(shí)別對(duì)象為南方某村莊的玉米田壟溝，具有一定的代表性，研究結(jié)果具有很大的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 定位系統(tǒng)介紹

STM32單片機(jī)系列的微控制器以32位為主，并基于ARM-Cortex-M處理器實(shí)現(xiàn)控制功能。STM32單片機(jī)能夠支持32位的應(yīng)用功能，主要包括準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)定位功能、快速的數(shù)字和信號(hào)處理功能。另外，單片機(jī)在使用過(guò)程中功耗比較低，能夠進(jìn)行低電壓操作，也擁有一整套的完全集成和易于開發(fā)的電路。目前，市場(chǎng)上的生產(chǎn)線應(yīng)用了STM32的產(chǎn)品非常多，主要是因?yàn)槠鋬?nèi)核具有嚴(yán)格的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，且擁有大量的實(shí)時(shí)工具和軟件提供支持。無(wú)論是小的終端服務(wù)區(qū)還是功能齊全的大型平臺(tái)，以STM32單片機(jī)為主系列芯片都是使用者理想的選擇。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要是實(shí)現(xiàn)普通物理對(duì)象進(jìn)行互通的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其英文名稱叫做“The Internet of Things”，兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng))的互通主要就是靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用廣泛，目前已經(jīng)延伸到了智能農(nóng)業(yè)、醫(yī)療設(shè)備、智能家居和物流交通等方面。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最終目標(biāo)是利用多種傳感器實(shí)現(xiàn)各種形式的人和物之間的溝通和聯(lián)系；然后，再利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，互相交換信息，實(shí)現(xiàn)人與人、物與物和人與物的密切聯(lián)系。

該農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑識(shí)別自主導(dǎo)航系統(tǒng)主要采用STM32嵌入式系統(tǒng)、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、全球定位系統(tǒng)(GPS)，以及TMS320DM642圖像采集與處理系統(tǒng)。STM32嵌入式系統(tǒng)、全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)及全球定位系統(tǒng)(GPS)主要實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)定位功能，如圖1所示。定位系統(tǒng)主要由跟蹤設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和監(jiān)護(hù)設(shè)備3大部分組成。TMS320DM642圖像采集與處理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤、路徑識(shí)別和自主導(dǎo)航功能。

圖1 目標(biāo)定位系統(tǒng)的總體框架Fig.1 The overall framework of the target positioning system

1.2 跟蹤設(shè)備設(shè)計(jì)

1.2.1 核心控制器

該系統(tǒng)的跟蹤設(shè)備核心控制器選用的是STM-F103ZET6型號(hào)的主體芯片。該芯片是基于Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，輸出電壓的范圍為2.0～3.6V，最大工作頻率為72MHz。微控制器中配置靜態(tài)存儲(chǔ)器，能夠支持CF卡、SRAM、PSRAM和NOR/NAND。該系統(tǒng)還包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器、DMA控制器和I/O接口，能夠大量支持不同類型的信號(hào)接口。

1.2.2 芯片模塊

該系統(tǒng)的GPS和GSM芯片選用的是SIM868模塊，工作頻段為850、900、1800、1900MHz。GPRS的傳輸率為86.5kbps，GPS定位精度高，工作電壓大約在3.4～4.4V左右。STM-F103ZET6將AT指令發(fā)送到SIM868芯片中，然后SIM868芯片控制器將GPS所接受到的衛(wèi)星定位信息通過(guò)通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案

數(shù)據(jù)傳輸主要采用的是GPRS網(wǎng)格方案，利用 GPRS網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后進(jìn)行傳送，提高傳輸信息的效率。一般情況下，通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)新的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)的接收，主要是利用服務(wù)器中固定IP地址。為了長(zhǎng)期保存所接收的數(shù)據(jù)，還需要建立一個(gè)新的數(shù)據(jù)庫(kù)，使得客戶在使用移動(dòng)設(shè)備上網(wǎng)時(shí)，監(jiān)護(hù)設(shè)備可隨時(shí)對(duì)IP地址的服務(wù)器進(jìn)行訪問，通過(guò)反復(fù)查詢建立的新數(shù)據(jù)庫(kù)，從而獲取跟蹤端發(fā)來(lái)的定位信息。

目前，國(guó)內(nèi)有著較多的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，本文所使用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為ONENET；采用EDP協(xié)議和SDK，SIM868模塊通過(guò)STM32芯片進(jìn)行控制，再通過(guò)GPRS連入物聯(lián)網(wǎng)。

2 農(nóng)業(yè)機(jī)器人路徑自主導(dǎo)航

本文以玉米田壟溝為研究對(duì)象，通過(guò)接收GPS傳來(lái)的定位信號(hào)以后，農(nóng)業(yè)機(jī)器人根據(jù)定位信息及對(duì)自身攝像機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)行分析來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航行走。圖2為玉米田中的壟溝圖。在進(jìn)行導(dǎo)航之前，機(jī)器人自身會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。在研究過(guò)程中，對(duì)自然的圖像進(jìn)行完美的建模具有很大的難度，因而采取的方法是通過(guò)提取圖像中的關(guān)鍵信息，然后建立初始模型，獲取農(nóng)田壟溝圖像特征，來(lái)分析農(nóng)業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航行走路徑。

圖2 農(nóng)田壟溝原始圖Fig.2 Corn field ditch original illustration

通過(guò)圖像分割技術(shù)可以把初始圖像分割成不同的集。分割依據(jù)是針對(duì)問題的興趣程度，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)遇到的目標(biāo)(圖像中有獨(dú)特性的區(qū)域)進(jìn)行比較，有興趣時(shí)分割程序就會(huì)停止。玉米田壟溝灰度圖如圖3所示。

圖3 玉米田壟溝灰度圖Fig.3 Corn field ditch grayscale

本試驗(yàn)采用閾值分割，對(duì)農(nóng)田壟溝實(shí)地考察后選擇閾值。農(nóng)田壟溝圖片分析獲得灰度直方圖后選取最佳相應(yīng)閾值。農(nóng)田壟溝灰度直方圖如圖4所示。直方圖單峰效果較明顯，為了能夠更加貼近機(jī)器人運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)環(huán)境，選取灰度直方圖中的峰頂?shù)?16處作為閾值，閾值分割后的圖像如圖 5所示。

農(nóng)田壟溝圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，若直接進(jìn)行回歸分析，會(huì)得到較復(fù)雜擬合結(jié)果和大量數(shù)據(jù)，降低系統(tǒng)的識(shí)別速率和影響信息的顯示。因此，需要利用特征提取方法，將擬合得到的多元回歸變成簡(jiǎn)單的一元回歸擬合，提高實(shí)時(shí)操作性[10-14]。在特征提取之后，本文采用Canny算子對(duì)農(nóng)田壟溝特征提取圖進(jìn)行邊緣化處理。通過(guò)運(yùn)用Canny算子，農(nóng)田壟溝特征提取圖具有良好的邊緣性能，處理過(guò)程中，邊緣基本不會(huì)中斷，提取邊緣中點(diǎn)變得更加簡(jiǎn)易，如圖6所示。

圖4 玉米田壟溝灰度直方圖Fig.4 Corn field furrow gray histogram

圖5 玉米田壟溝閾值分割后的圖像Fig.5 Corn field ditch value segmented image

圖6 玉米田壟溝邊緣提取Fig.6 Edge extraction of ditch in corn field

農(nóng)田壟溝圖像通過(guò)邊緣處理后，整理得到一系列邊緣信息。根據(jù)得到的邊緣信息標(biāo)定到兩邊邊緣的中點(diǎn)坐標(biāo)位置，即農(nóng)業(yè)機(jī)器人的行駛路徑，如圖7所示。

圖7 機(jī)器人的路徑識(shí)別Fig.7 Path recognition of robot

3 結(jié)論

主要介紹了一套基于STM32及物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人定位及路徑導(dǎo)航行走系統(tǒng)。跟蹤端GSM芯片在STM32的控制下通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送GPS定位數(shù)據(jù)信息，然后農(nóng)業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)根據(jù)所在環(huán)境拍攝圖像分析獲得行走路徑，以完成導(dǎo)航任務(wù)。該系統(tǒng)能夠大量應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)中，包括種植管理、噴灑農(nóng)藥及果實(shí)采摘等，極大地減輕了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，能促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，對(duì)于推動(dòng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化具有重要意義。