基于機(jī)器視覺和人工智能的花圃裁剪機(jī)器人

郭建軍 林麗君 陳紅斌 馬佳佳

摘 ?要：本設(shè)計(jì)在無人控制下，結(jié)合機(jī)器視覺、人工智能和圖像處理技術(shù)，智能地循跡以及避障;自行完成花圃裁剪工作;自行設(shè)計(jì)自動切割裝置，高效地進(jìn)行花圃裁剪工作;能夠?qū)Νh(huán)境信息進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，使花圃裁剪工作穩(wěn)定進(jìn)行;能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;人工智能;花圃裁剪;機(jī)器人

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）02-0031-02

Abstract： Under unmanned control， combined with machine vision， artificial intelligence and image processing technology， the design intelligently tracks and avoids obstacles， completes the flower bed cutting work by itself， designs an automatic cutting device to cut the flower bed efficiently and can intelligently adjust the environmental information， so that the flower bed cutting work can be carried out stably and can realize the remote monitoring function.

Keywords： machine vision; artificial intelligence; flower bed cutting; robot

引言

目前國內(nèi)的花圃裁剪、草坪修剪等工作還處于依靠人為勞動力的模式，對此造成了園藝裁剪行業(yè)勞動力缺失、工作效率低、工作強(qiáng)度大等問題。基于機(jī)器視覺和人工智能的花圃裁剪機(jī)器人能夠有效地解決以上問題，可實(shí)現(xiàn)人為遠(yuǎn)程操控，并自動循跡和避障進(jìn)行裁剪工作，通過硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件程序的調(diào)試使其剪切臂能夠自動并有條不紊地進(jìn)行裁剪工作，系統(tǒng)內(nèi)部各模塊電路能夠協(xié)調(diào)進(jìn)行工作，并驅(qū)動機(jī)器人替代人類進(jìn)行高效率的裁剪工作，遠(yuǎn)程操作者能夠?qū)崟r(shí)地遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人的工作情況。因此，此該機(jī)器人極大地提高了花圃裁剪工作的智能化及簡便化，裁剪工作者只需遠(yuǎn)程操作并適時(shí)地監(jiān)控其工作情況即可，大大地提高了工作效率并可確保工作的質(zhì)量，從而整體提升社會生產(chǎn)力水平，且應(yīng)用前景十分廣闊。

1 系統(tǒng)組成

基于機(jī)器視覺和人工智能的花圃裁剪機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)人為遠(yuǎn)程操控，并自動循跡和避障進(jìn)行裁剪工作。它主要包括：

1.1 主控制系統(tǒng)

主控制系統(tǒng)核心處理芯片為STM32F103VET6，系統(tǒng)正常工作時(shí)將芯片的I/O口引腳分別與各控制模塊芯片的輸入引腳相連接，根據(jù)不同芯片的通信協(xié)議以及不同的電平需求，輔以各種模塊的穩(wěn)壓電路，以及完全自主編寫的軟件程序，使其能夠正常進(jìn)行運(yùn)算和輸出電壓，從而使各模塊電路能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行，保證該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無人控制下的自動裁剪工作。

1.2 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要是BTS7960組建的雙電機(jī)驅(qū)動電路系統(tǒng)，能夠具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護(hù)等功能。這種集成電路的優(yōu)點(diǎn)是采用集成化、外圍元件少、驅(qū)動電路簡單、使用方便。通過PID調(diào)節(jié)方法對直流伺服電機(jī)的PWM脈寬信號進(jìn)行智能控制從而間接對機(jī)器人車速進(jìn)行控制。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)攝像頭模塊與上位機(jī)通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)攝像將從機(jī)器人移動端上所采集的畫面信息通過模塊內(nèi)部的路由器WiFi模塊，借助局域網(wǎng)或城域網(wǎng)將之傳至攝像頭所對應(yīng)的IP地址上的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器中心，遠(yuǎn)程上位機(jī)通過訪問攝像頭IP地址即可提取視頻信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人的工作情況。

1.4 路徑識別系統(tǒng)

路徑識別系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像處理、速度控制等三個(gè)部分組成，首先由OV7620攝像頭模塊中的CMOS圖像傳感器采集路面信息并將數(shù)字信號傳送至圖像識別系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)再對這些圖像信號進(jìn)行二值化以及最優(yōu)閾值分割運(yùn)算來提取目標(biāo)圖像的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行速度控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動端自主循跡功能。

1.5 自動切割系統(tǒng)

自動切割系統(tǒng)主要由自行設(shè)計(jì)的可伸縮力臂桿以及自動切割裝置組成。可伸縮力臂桿是由伸縮桿通過嵌套裝置內(nèi)部嵌套齒條，與齒條凹槽距相契合的齒軸作為直流電機(jī)中轉(zhuǎn)軸，因此，齒軸通過與齒條之間的摩擦力帶動齒條運(yùn)動，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)從而控制齒條的伸縮長度，實(shí)現(xiàn)控制可伸縮力臂桿的工作范圍。自動切割裝置是由直流電機(jī)帶動鋒利的圓鋸片，通過直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動圓鋸片旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)切割工作。只需通過PWM信號控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速足夠快，即可切割硬度相對較高的物體。

1.6 電源供電系統(tǒng)

電源供電系統(tǒng)是由4節(jié)18650電池串聯(lián)連接以達(dá)到14.8V，考慮到主控制單片機(jī)系統(tǒng)需求電壓低，因此采用集成直流電壓變換器 MC34063作降壓、穩(wěn)壓處理。整個(gè)電源供應(yīng)系統(tǒng)分為電機(jī)驅(qū)動供電、穩(wěn)壓電路、充電電路3個(gè)部分。通過這3個(gè)部分的相互連接與控制協(xié)調(diào)，輔以各種穩(wěn)壓電路，形成一個(gè)完整并適合自動裁剪機(jī)器人工作的電源供應(yīng)系統(tǒng)。

1.7 環(huán)境信息調(diào)節(jié)系統(tǒng)

環(huán)境信息調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由溫度模塊以及照明模塊組成。電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生大量熱量，溫度模塊主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)溫度傳感器DS18B20檢測到機(jī)器人內(nèi)部工作環(huán)境高于設(shè)定的某個(gè)溫度值時(shí)，啟動降溫裝置，降溫裝置由負(fù)風(fēng)壓機(jī)構(gòu)成，降溫?fù)Q氣效果可達(dá)90%～97%，能夠有效地降低不透風(fēng)機(jī)器內(nèi)部的溫度，防止機(jī)器內(nèi)部溫度過大，造成工作異常。照明模塊主要是通過PCF8591數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，通過光敏電阻采集環(huán)境中的光照強(qiáng)度，通過AD/DA轉(zhuǎn)換成流過照明LED燈的電流大小，從而智能地控制照明燈亮度，保證機(jī)器人在黑暗條件下也能正常進(jìn)行工作。

1.8 機(jī)器人移動端自行運(yùn)動系統(tǒng)

機(jī)器人移動端自行移動系統(tǒng)主要由超聲波避障模塊組成，機(jī)器人的避障模塊利用超聲波傳感器測距原理設(shè)計(jì)，通過自行編寫避障程序，限定機(jī)器人與障礙物之間的最短距離，在程序中設(shè)定當(dāng)超聲波檢測到障礙物后會執(zhí)行相關(guān)程序從而控制機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的行進(jìn)指令來繞過障礙物。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

圖像處理中我們需要對圖像進(jìn)行灰度化處理，因?yàn)榛叶葓D像只含有亮度信息，不包含色彩信息，將RGB彩色圖像灰度化可大大減少計(jì)算量，提高運(yùn)算速率。灰度圖像為單通道圖像，待處理數(shù)據(jù)為原來的1/3。對采集到的圖像進(jìn)行最優(yōu)閾值分割，按照一定的閾值將目標(biāo)從圖像的背景中分割出來，從而得到目標(biāo)路徑信息。

為了度量和提取圖像中的形狀，以達(dá)到對圖像進(jìn)行分析和識別的目的，我們還需對圖像進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作，運(yùn)用到的運(yùn)算有4個(gè)：膨脹、腐蝕、開啟和閉合。攝像頭模塊將三維實(shí)物到二維平面圖像的轉(zhuǎn)換，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)攝像頭固定于移動端智能機(jī)器人上，并且工作環(huán)境大多數(shù)情況下采集到的圖像為水平地面，故景象轉(zhuǎn)為圖像這一變換關(guān)系為固定不變，成線性關(guān)系，由于采集影像在水平地面的平面上，因此只需要二維坐標(biāo)描述。我們將攝像頭模塊的物理參數(shù)通過一定的變換，組合成一些中間參數(shù)，經(jīng)過變換后，一般只需解線性方程組就可以標(biāo)定攝像頭模塊，大大簡化了標(biāo)定過程。攝像頭模塊以及機(jī)器人的標(biāo)定完成，這樣保證了采集圖像的有效性，有利于我們對圖像進(jìn)行處理，從而計(jì)算并確定出機(jī)器人的行駛路徑。

3 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

（1）本機(jī)器人將智能機(jī)器人與自行設(shè)計(jì)的裁剪機(jī)結(jié)合成一體，具有能夠進(jìn)行長時(shí)間穩(wěn)定高效裁剪園林植物等功能，解放了傳統(tǒng)裁剪工人的勞動力，對社會公共環(huán)境的美化將作出突出貢獻(xiàn)。本花圃裁剪機(jī)器人能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，如在高低溫環(huán)境以及陡峭地勢等環(huán)境，利用其代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工人進(jìn)行高強(qiáng)度工作，能夠解決一系列工人的安全等問題，又減少了人工需求。

（2）本機(jī)器人擁有兩個(gè)攝像頭，結(jié)合機(jī)器視覺和圖像處理技術(shù)，能夠及時(shí)采集到工作效果的圖像以及路況信息，使機(jī)器人具有路徑識別以及檢測工作效果的功能。使機(jī)器人能夠自行檢查工作效果并及時(shí)修整裁剪不完美的地方，讓本機(jī)器人擁有能夠裁剪出媲美于人工的花圃的特點(diǎn)。

（3）本機(jī)器人配備了多種傳感器，能夠及時(shí)采集工作環(huán)境以及工作情況的信息并發(fā)送到主系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，保證機(jī)器人的穩(wěn)定工作，能夠自行處理工作遇見的問題，實(shí)現(xiàn)智能控制的效果，使機(jī)器人具有在無人控制的情況下也能穩(wěn)定工作的特點(diǎn)。

（4）本機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控，能夠讓裁剪工作者足不出戶即可完成裁剪工作，大大提高了裁剪工作者的便利性。

（5）本機(jī)器人的切割模塊采用自行設(shè)計(jì)的可伸縮力臂桿以及自動切割裝置組成，該裝置相對于普通裁剪剪刀，工作效率高，切割效果好。

4 結(jié)束語

基于機(jī)器視覺和人工智能的花圃裁剪機(jī)器人是一個(gè)集多種傳感器為一體，可人為遠(yuǎn)程控制并且實(shí)時(shí)監(jiān)控、工作穩(wěn)定及工作方式靈活的多功能裁剪移動平臺。它通過硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件程序的調(diào)試，自動切割系統(tǒng)能夠自動并有條不紊地進(jìn)行裁剪工作。主控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制內(nèi)部各模塊電路，根據(jù)外部環(huán)境信息進(jìn)行智能調(diào)節(jié)并驅(qū)動機(jī)器人替代人類進(jìn)行高效率的裁剪工作，遠(yuǎn)程操作者能夠?qū)崟r(shí)地遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)器人的工作情況。

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