基于HOG識別算法“園役”機器人的設計

賀敬

摘 要：本文具體介紹了“園役”機器人的設計思路，硬件設計的分析與選型，在S12開發板上如何實現視頻特征值的提取與，為“園役”機器人自主識別工作環境提供參考，從而實現機器人自主工作。本設計可以激發學生的學習興趣也可以輔助老師進行教學。

關鍵詞：于HOG 識別算法 機器人設計

隨著社會的進步和經濟的發展，人們對生存環境的要求也越來越高，城市環境的保護得到越來越多的重視，我國草坪行業建設也得到了迅速的發展。草坪美化環境，凈化空氣多種功能已經成為人們的共識。割草機作為草坪養護的基本工具，已經實現了大規模的生產和使用。一些最新的科學理論、最新的科研成果和最新的科學技術都在這些機械設備上有體現。[1]

除草機器人可以代替人類進行除草活動，減輕農民的勞動強度，也可以減少農業從業人口數量，提高農業設備的自動化和智能化。國外較早開展了除草機器人研究;在國內，南京林業大學陳勇等率先提出了基于直接施藥方法的除草機器人設計了由主體、機械臂、輪子和攝像頭組成的自動施藥除草機器人。[2]

將HOG算法用于機器人控制，從機器人智能、任務描述到運動控制和伺服控制技術，既包括實現控制所需的硬件系統，又包括各種軟件系統。最早的機器人采用順序控制方式，后來采用計算機系統來綜合實現機電裝置的功能，并采用示教再現的控制方式。[3]

一、設計思路

園役機器人是由一部攝像機和一臺除草裝置，利用攝像機掃描，通過HOG算法進行識別，通過自主識別機器人前面的除草裝置就能開始工作。除草機器人通過蓄電池充電、放電，它可以全天候連續作業，除草時對土壤無侵蝕破壞。它能防風防雨，可以自己在花園里“辛勤勞作”

本設計由供電系統、行走系統、除草系統、照明系統、視覺檢查系統、雜草回收系統組成

1.供電系統由太陽能板（1）和支架（13）組成，主要完成本系統的能源供應。

2.行走系統由履帶（3）和驅動機模塊（4）電組成，實現園役機器人的前進、后退、左右轉向，驅動機模塊（4）可根據行走環境實時調整行走速度。

3.除草系統（5）由升級調節裝置（8）、高度檢查傳感器（6）和切割電機模塊（11）構成，切割電機模塊（11）包括電機驅動電路、電機和圓形刀具，主要完成草坪的修剪，電機驅動電路可根據切割對象的難易調整電機轉速，從而調節切割扭矩;高度檢查傳感器（6）實時檢查草坪中草的高度，為切割電機模塊（11）提供檢查信號，實現草坪修剪高度整齊。

4.照明系統（9）主要由探照燈、光敏傳感器和繼電器組成，當本機器人處于夜間工作環境時，光敏傳感器檢測到環境光線不足，驅動繼電器吸合，開啟探照燈照明。

5.視覺檢查系統（7）主要包括圖像采集、圖像無線傳輸模塊和圖像處理功能，通過攝像頭將實時視頻圖像信息采集到系統中，對圖形進行增強處理，一方面將圖像信息傳輸到手機端或電腦端，完成實時監控;另一方面將圖像傳輸到圖像處理模塊中，提取特征量，比對實時草高度與設定值，確定除草坐標。記憶行走路徑，規劃除草路徑。

6.雜草回收系統（12）由傳送電機（10）和傳送皮帶組成，將修剪后的雜草進行回收，存儲到儲藏室（2）中。

二、視頻處理模塊

攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點，當掃描到某點時，就通過圖像傳感芯片將該點處圖像的灰度轉換成與灰度一一對應的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號端輸出。具體而言，攝像頭連續地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續的電壓信號，電壓信號的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當掃描完一行，視頻信號端就輸出一個低于最低視頻信號電壓的電平，并保持一段時間。這相當于，緊接著每行圖像信號之后會有一個電壓“凹槽” ，此“凹槽”叫作行同步脈沖，它是掃描換行的標志。然后，跳過一行后，開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號，接著會出現一段場消隱區。該區中有若干個復合消隱脈沖，其中有個遠寬于其他的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標志。場同步脈沖標志著新的一場的到來，不過，場消隱區恰好跨在上一場的結尾和下一場的開始部分，得等場消隱區過去，下一場的視頻信號才真正到來。攝像頭每秒掃描25幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描50場圖像。奇場時只掃描圖像中的奇數行，偶場時則只掃描偶數行。

考慮到單片機的速度有限，而一些脈沖的間隔時間又較短，為了減輕其處理負擔，采用在單片機外圍配置合適的外圍芯片進行信號提取。LM1881視頻同步信號分離芯片可從攝像頭信號中提取信號的時序信息，如行同步脈沖、場同步脈沖和奇、偶場信息等，并將它們轉換成TTL電平直接輸給單片機的I/O口作控制信號之用。

三、軟件設計

構建Kohonen神經網絡模型， 在園役器人的修剪區域內安裝路由器，平均每10平方米范圍安裝一個，然后驅動機器人以1m×1m的密度對該區域的WiFi信號強度進行采樣，并建立環境三維地圖，采樣數據和環境三維地圖自動存入信息處理系統，從而規劃最佳路徑，保障機器人自己的行進安全、有效地避開障礙物，到達目標坐標進行修剪。

利用圖像增強技術，采用方向梯度直方圖算法對采集到的圖像進行特征量的提取，將特征量轉換為草高度H，與預設高度H0進行對比，對未修剪齊整的草坪進行定位識別，確定目標位置，從而進行定向修剪。使修剪后的草坪高度一致，實現草坪的齊整與美觀。

結語

本次設計的系統雖然能夠完成草坪圖像的檢測且效率較快，但檢測精度并不是很高，并且占用資源偏大，因此還需要對算法進一步改進，同時需要從權衡檢測精度和檢測速率方面對硬件進行改進和優化，從而提高檢測效果和實施性。

參考文獻

[1]姬長英.農業生產過程智能化的發展與展望[J].農業機械學報，1999，30（1）：106～110.

[2]趙勻，武傳宇，胡旭東等.農業機器人的研究進展及存在的問題[J].農業工程學報，2003，19（1）：20～24.

[3]胡桂仙，于勇，王俊.農業機器人的開發與應用[J].試驗研究，1999，30（1）：45～47.