樹莓剪枝機器人設計

孟繁佳，劉泰陽

(中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083)

0 引言

農業機器人將信息技術進行綜合集成，集感知、傳輸、控制、作業為一體，將農業的標準化、規范化大大向前推進了一步。其不僅節省了人力成本，也提高了品質控制能力，增強了自然風險抗擊能力。與國外相比，我國農業機器人研究與開發方面尚處于起步階段，20世紀90年代中期，國內才開始了農業機器人技術的研發。

樹莓是灌木型果樹，是生態經濟型水土保持灌木樹種，在歐、美一些國家早已廣泛栽培，并形成產業化發展，引入中國后也得到了快速發展，在很多省、市、自治區都得到廣泛種植。因其具有很好的營養價值、藥用價值和食用價值，所以經濟效益較好。

在早春進行定植修剪，需對過密的細弱枝、破損枝齊地剪除，以保證植株的長勢均勻。由于樹莓多種植于中國東北、甘肅、青海、新疆、西藏等地廣人稀的地區，定植修剪又需要大量的人力，面臨勞動力大量短缺的困境；雇傭外來務工人員又面臨勞務工資急劇上升的局面，用工成本嚴重制約了樹莓產業的發展。本研究結合樹莓生產種植環境和實際定植修剪過程，基于機器視覺技術，設計了樹莓剪枝機器人，在實際工作環境下，實現了樹莓弱枝、破損枝的智能修剪。

1 機器人機械結構設計

剪枝機器人機械結構包括可移動載體、升降臺、兩個機械臂及兩個剪枝器。機械結構是整個機器人的基礎架構，是各個模塊與器件依附的平臺；每個部分均有其功能，與控制結構一起實現機器人的智能控制。

可移動載體是機器人得以移動的先決條件，采用履帶式車輪設計，與地面接觸面積大，增大了可移動載體的受力面積，給地面的壓力小，適合在田間松軟復雜的地面上行駛。可移動載體以IAP15W4K61S4單片機主控系統發出的指令進行驅動，主控板采用直流航模鋰電池供電。

升降臺由滾珠絲杠滑臺和剪叉式機械結構組成，其頂端安裝了攝像頭。主控系統控制電動機帶動滾珠絲杠的運動來實現攝像頭豎直方向的定位，確保在機器人總體結構較小且輕便條件下田間植株定位的準確性。

兩個機械臂分別安裝在可移動載體的左右兩側，以提高機器人的工作效率。機械臂由多關節機械結構構成，有2個自由度，在其長度范圍內配合剪枝器的轉動可以使剪枝器到達任意二維坐標點。該機械臂的質量輕、韌性強，中間關節裝有滾輪可以觸地，因此在臂展較長、作業面積較大的情況下也能承受較大負載，靈活性高，到達指定坐標點精確度高，在作業過程中速度平穩適中、慣性小、平穩性很強。

剪枝器是機器人的剪刀手，是動作的最終執行機構。為保證長勢較差的弱枝齊地剪斷，將剪枝器設計成剪刀模樣，由舵機控制剪刀手的張開與閉合。剪枝時，機械臂中間帶轉輪關節著地，配合剪枝器貼合地面將弱小枝條剪斷，以確保穩定性。剪枝機器人結構如圖1所示。

圖1 剪枝機器人結構圖Fig.1 The structure of the pruning robot

2 枝條的分割識別

在環境復雜又廣闊的田間中，剪枝機器人進行剪枝作業的前提是先識別出枝條，這樣剪枝機器人才能代替人力勞動進行剪枝。識別的首要任務是進行田間植株圖像樣本的采集，主要是采用固定在升降臺上的高清攝像頭，升降臺使其升到指定高度去拍攝成像，然后把采集到的圖像送到工控計算機。

對于枝條的識別，運用顏色、面積和形態多個特征結合的算法，多個特征結合使目標的識別更加準確。首先采用閾值分割法對樹莓枝條進行圖像分割處理，建立顏色模型，通過分析顏色空間的色差，進行三原色RGB運算，可以將圖像分割。RGB顏色模型如圖2所示。

圖2 RGB顏色模型Fig.2 RGB color model

圖像經過分割處理后，會存在噪音，所以需要對圖像進行消噪處理。先得到連通域，再進行區域標記，通過設置連通面積閾值，消除背景噪音。在處理過程中發現部分枝條會出現斷續現象，采用膨脹方式進行補償處理。

對圖像進行自適應閾值分割,分割枝條和雜質圖像,對枝條進行邊緣提取；經過一系列消噪處理之后，完成目標的識別，得到能夠滿足后續圖像處理要求的二值圖像。枝條圖像處理流程如圖3所示。

圖3 枝條圖像處理流程圖Fig.3 The flow chart of the branches image processing

3 控制系統設計

智能剪枝機器人控制系統硬件包括工控計算機(Soarsea-V200)、IAP151W4K61S4單片機、高清攝像頭(c930e)、激光傳感器、直流電機、舵機、航模鋰電池和多功能移動電源。

上位機部分是一臺搭載Win10系統的工控計算機，運用MatLab軟件進行圖像處理任務,處理攝像頭拍到的高清圖片，識別和定位目標枝條，由其進行決策規劃出路徑，并通過串口通訊的方式將數據傳遞給下位機。下位機部分以STC公司生產的IAP15W4K61S4單片機為主控，具有最高30MHz晶振、4kB片內RAM(原256B+3840B XDATA)、61kB程序存儲空間(ROM)、5個16位定時/計數器、4個串口及64個I/O引腳。其通過串口1與上位機進行通信，通過串口2獲取激光傳感器返回的距離信息，通過PWM模塊輸出PWM波控制電機驅動芯片L298進行電機轉速控制，通過定時器中斷使用I/O口模擬輸出PWM控制舵機轉角進行機械臂控制，通過I/O輸出電平控制升降臺直流電機升降運動。

剪枝機器人開始作業后，首先啟動攝像頭，進行圖像采集；將采集到的圖像傳到工控計算機，利用MatLab軟件對采集的圖像進行處理，根據顏色、粗細、密度等指標，識別出要修剪的目標枝條，計算出應剪枝條的坐標，規劃出機械臂的運動軌跡，通過串口送到主控單片機，控制機械臂運動到指定位置，剪枝器將目標枝條齊地剪除。控制系統結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構Fig.4 The structure of the control system

該控制系統的硬件電路主要包括直流電機驅動、下載燒錄和串口通訊及電源電路等。

3.1 直流電機驅動電路

直流電機驅動電路由驅動芯片L298、光耦隔離電路及二極管橋式續流保護電路3部分組成。其中，驅動芯片L298為大功率電機專用,可直接驅動兩個直流電機，如圖5所示。在電路的輸入端處增加了光耦隔離，提高抗干擾性，如圖6所示。二極管橋式電路，在輸出端起續流保護作用，如圖7所示。

圖5 驅動芯片L298Fig.5 The drive chip

圖6 光耦隔離電路Fig.6 The circuit of optocoupler isolation

圖7 二極管橋式電路Fig.7 The circuit of diode bridge

直流電機驅動電路通過輸入PWM脈寬調制信號對電機進行調速控制，控制端高低電平轉換實現電機的正反轉和停止。

3.2 下載燒錄和串口通訊電路

單片機開發的第一步是下載程序，需要將其他信號轉換成TTL電平，才能使單片機下載程序成功。下載燒錄主要核心芯片是CH340，該芯片是將USB信號轉換成TTL電平，實現USB轉串口功能。其電路原理圖如圖8所示。

圖8 下載燒錄和串口通訊電路Fig.8 The circuit of download burning and serial communication

3.3 電源電路

剪枝機器人采用12V航模鋰電池供電，電池12V電壓經過降壓芯片LM2596構成的電路,實現DC- DC降壓轉換，從12V轉換到5V，再經過DC-C轉換器實現5V到3.3V的轉換。外圍電路對芯片存在很大的干擾，需要加濾波電容。其電路原理圖如圖9所示。

4 軟件設計

軟件部分包括上位機軟件系統和下位機軟件系統。上位機軟件系統主要包括圖像處理模塊和通信模塊；下位機軟件系統主要包括機械臂和剪枝器的控制模塊。剪枝機器人能正常穩定運作，是依靠各個子程序的正確調用，并構造閉環根據信號反饋實時調整姿態和修改控制指令。系統開機運行后,運行主程序，上位機收到下位機信號后去采集圖像，并對圖像進行處理，處理完后做出決策，傳給下位機去執行剪枝動作。系統主程序流程圖如圖10所示。

圖9 電源電路Fig.9 Power supply circuit

圖10 系統主程序流程圖Fig.10 The main program flow chart of the system

5 測試與結果分析

為了驗證該剪枝機器人圖像識別技術的可靠性，在樹莓試驗田對該機器人進行了圖像識別實驗，測試其識別成功率。在不同時間段進行6次實驗，每次拍攝60張照片，然后利用圖像處理進行識別。處理工作完成以后，記錄需剪枝條量、識別到的應修剪量。其中，需剪枝條量是人工標記的弱損枝的數量；識別到的應修剪量是經過圖像處理后識別到的弱損枝的數量，實驗結果如表1所示。

表1 剪枝機器人剪枝實驗結果Table 1 The pruning test results of the pruning robot

續表1

由表1可以看出：該機器人圖像識別成功率很高，識別成功率最低為84.75%，可靠性強，符合設計要求，可見該樹莓剪枝機器人有較強的實用性。

6 結論

為了解放人力，實現樹莓定植修剪的機械化和自動化，本研究設計了樹莓剪枝機器人。該機器人采用機器視覺技術，運用顏色模型和多種算法進行圖像處理，串口通信實現數據傳輸，快速準確地實現信息處理，工作效率高。該機器人機械結構簡單靈活、運動速度快，定植剪枝成功率高，對于農業剪枝機器人準確快速識別目標，并進行正確剪枝作業具有很大參考價值，同時對智能剪枝的發展具有非常重要的意義。