基于ROS農(nóng)田打藥機器人的設計與研究

陳淑瑜,楊豪,韋德泉,孫亞寧

(1.棗莊學院 機電工程學院，山東 棗莊 277160;2.棗莊學院 光電工程學院，山東 棗莊 277160)

0 引言

機器人技術近些年得到了快速的發(fā)展，智能種菜機器人、林下作業(yè)機器人、掃地機器人等逐漸被應用于生活中[1～7].近年來，國家高度重視鄉(xiāng)村振興，并加大對農(nóng)村的投入力度[8]，為了減輕農(nóng)民負擔，減少農(nóng)藥對人身體的危害，本文設計制作了一款農(nóng)田打藥機器人，并且進行了測試，研究結論為農(nóng)田打藥機器人的制作提供參考.

1 硬件設計

1.1 主體模塊

主體模塊選用了履帶式機器小車底盤，如圖1履帶式機器小車采用了12V的直流電機，鋁合金的金屬骨架，其履帶式的車輪設計適用于打藥機器人的實際工作環(huán)境.履帶是價格低廉的塑料履帶，而且防滑功能較好.履帶小車適應野外的各種復雜環(huán)境，能夠較好的實現(xiàn)其驅動目的.

圖1 履帶式機器小車 圖2 光電傳感器

1.2 控制模塊

控制模塊選用了STC15F2K60S2單片機.此單片機是8051單片機的增強版，STC15F2K60S2單片機比傳統(tǒng)的51單片機運行速度快很多，在相同時鐘下，最快可以比51單片機快12倍.無需外接最小系統(tǒng)電路.內(nèi)部集成多路PWM控制器，可以同時獨立輸出多路PWM，具有兩個串口，內(nèi)部集成時鐘電路，時鐘頻率可以進行配置.

1.3 避坑模塊

用光電開關傳感器作為避障模塊，如圖2所示，光電開關傳感器通過前面的遮光程度來實現(xiàn)避障的，傳感器上面有兩個小燈，一個燈發(fā)射紅外線，照到物體后，會發(fā)生漫反射.如果另一個燈收到，就會給一個低電平.

1.4 循跡模塊

基于OpenCV視覺庫的視覺循跡.OpenCV(open source computer vision library)是一個開源的計算機視覺庫，可以在市面上流行的主流操作系統(tǒng)上運行.視覺庫里面提前裝了許多圖像處理算法的函數(shù)，所以它十分的高效.視覺循跡是使用攝像頭采集車輛前方行走路徑的圖像,進行圖像識別,并判斷小車的位置.視覺循跡技術的特點是它具有較為準確的定位而且技術成本較低.視覺循跡對于各種復雜的工作環(huán)境都可以達到穩(wěn)定循跡的效果.

1.5 打藥模塊

機械式打藥機的工作原理是根據(jù)伯努利原理制做而成.伯努利原理所說的是壓強越大，液體的流速就會越大；而壓強越小，流速就會越小.設計在機器小車上安裝一個小型的抽水泵，加一個塑料軟管，將藥液噴灑出去.再安裝一個舵機，實現(xiàn)藥管左右晃動打藥.

2 軟件設計

2.1 系統(tǒng)框圖

圖3 系統(tǒng)框圖

2.2 PC端程序設計

本設計運用Linux Ubuntu 16.04發(fā)行版，在Linux上運用了ROS kinetic發(fā)行版.編程語言用的是Python.ROS的通信機制：ROS(robot operating system)是一個開源的機器人軟件平臺.ROS系統(tǒng)最大的特點就是它的發(fā)布-訂閱式的框架結構.正基于此，該設計選擇了ROS系統(tǒng)來作為農(nóng)田打藥機器人的控制操作系統(tǒng).OpenCV作為視覺節(jié)點，其它傳感器采集的信息通過MCU處理后，經(jīng)總線發(fā)送至PC端，PC端通過專門的節(jié)點進行處理.各節(jié)點經(jīng)分析綜合，給出機器人的運動方案，再經(jīng)總線傳給機器人驅動層.為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免因為串口失效引起系統(tǒng)崩潰，我們將計算機視覺部分與串口通信部分分離.

2.2.1 視覺節(jié)點程序設計

首先導入OpenCV圖像處理庫，創(chuàng)建攝像頭對象并打開攝像頭，然后讀取攝像頭進入主循環(huán)，在主循環(huán)中首先判斷攝像頭是否成功讀取到了攝像頭數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確讀取就對圖片進行處理，如果沒有成功獲取就繼續(xù)讀取.圖片處理中首先對圖片進行高斯濾波，然后是顏色空間變換，將原本的RGB轉化為SVH，這樣使得程序更好的對圖片的色彩以及飽和度信息進行判斷和分類，然后對圖片進行二值化，二值化后的數(shù)據(jù)只有黑白二種顏色，通過調(diào)用函數(shù)找到二值圖像中所有的連通域并通過編寫算法找到最大連通域，畫出最大連通域的最小外接正四邊形并找出正四邊形的幾何中心，我們定義該點為小車下一步要達到的目標點.最后通過topic廣播出去.流程圖如圖4所示.

圖4 視覺節(jié)點流程圖

2.2.2 串口收發(fā)節(jié)點程序設計

該部分主要負責訂閱監(jiān)聽來自視覺節(jié)點的話題，并根據(jù)話題內(nèi)容決定小車的走向，并通過串口發(fā)送給小車.該部分原可以放入視覺節(jié)點中，但考慮到如果結點因為兩個設備中一個設備故障而失效時可能會帶來另一個設備被占用而無法重啟節(jié)點，所以添加此節(jié)點.

在該節(jié)點中首先導入串口處理函數(shù)庫并打開對應串口，然后編寫監(jiān)聽的回調(diào)函數(shù)，最后注冊監(jiān)聽來自視覺節(jié)點的話題，進入等待階段.當受到訂閱的消息時系統(tǒng)會自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中首先對接收到的消息進行判斷，然后得出小車應該直行、左轉或者右轉，最后把小車方向控制信息通過串口發(fā)送給小車.該部分程序流程圖如圖5所示.

圖5 控制節(jié)點流程圖 圖6 單片機流程圖

2.3 單片機程序設計

實時采集傳感器并將傳感器采集到的信息經(jīng)處理后上傳，并且接受來自PC端的命令，控制電機，來完成PC端想要機器人完成的動作.該部分程序流程圖如圖6所示.

2.4 實地調(diào)試

調(diào)試地點選擇了足球場的草地，模擬了一條白線為農(nóng)田的路徑，也就是機器人運動的路徑.經(jīng)實地調(diào)試發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)了用ROS系統(tǒng)控制機器人的驅動，機器人根據(jù)PC端發(fā)出的指令進行前進后退以及轉彎.機器人會根據(jù)前方安裝的光電開關傳回來的路徑信息進行反饋避障，并根據(jù)視覺攝像頭進行視覺循跡，通過在機器人身上安裝的打藥機械裝置完成農(nóng)田打藥工作.

圖7 視覺循跡圖 圖8 ROS操作界面圖

圖9 整體實物圖

3 結論

基于ROS操作系統(tǒng)的農(nóng)田打藥機器人是將傳統(tǒng)的農(nóng)田打藥機械裝置和循跡避障智能車相結合，能夠通過電腦操作從而控制機器人進行農(nóng)田打藥.該設計將傳統(tǒng)的循跡智能車進行了優(yōu)化，將傳統(tǒng)循跡智能車所采用的超聲波傳感器換成了基于OpenCV視覺庫的攝像頭視覺循跡，此改良能夠進一步的提升機器人的準確定位，利于人們對于機器人的控制.基于ROS操作系統(tǒng)的農(nóng)田打藥機器人能夠大大的提高農(nóng)田打藥工作的效率，并且省時省力，能夠很好的減輕人工負擔.