基于單片機的小型智能除草機器人設計

張新星 石慧君 邵逸帆 何仁宇 童丹繪

摘 要：介紹一種利用Arduino mega 2560單片機控制和圖像識別進行除草的機器人設計。給出具體方案，包含樹莓派，單片機，超聲波，機械手等模塊。此設計具有功能豐富，易控制，工作可靠，速度迅速的優點。

關鍵詞： Arduino;Opencv;樹莓派;雜草識別;農業機械化;舵機;超聲波

1 引言

農業除草是農業生產中相對耗費時間和金錢的一項活動，也是農業機械化道路上的一大阻礙，本項目基于這一事實研發設計了一種小巧靈活能夠運作于田壟間的除草機器人，能夠有效的識別作物與雜草的區別，并將雜草清除，大大提高農業生產效率。國外在除草機器人這一方面已有一定的發展，而中國再此方面有待發展，正因此國家正在大力農業機械化，江蘇大學也推進極力推進農機自動化，故此次設計除草機器人，希望進一步加速農業機械化。

2 圖像識別

在圖像識別方面，采用攝像頭+opencv進行雜草識別。

攝像頭的工作原理大致為：景物通過鏡頭（LENS）生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上﹐然后轉為電信號﹐經過A/D（模數轉換）轉換后變為數字圖像信號，再送到數字信號處理芯片（DSP）中加工處理，再通過串口等通訊工具，則可以通過顯示器顯示圖像了。

而opencv的作用是處理圖像，這里使用樹莓派運行opencv，首先預處理，對得到的圖片進行預處理，將復雜的圖像變成色彩塊，然后色彩提取，有了色彩塊，便可以對目標的顏色進行提取，進而消除大部分背景;降噪，對于提取的前景需要去除一些噪聲點、塊，以方便之后的識別;建模，對你的前景進行建模，建模的方式有很多中;匹配，用你的目標和你提取的雜草模型進行匹配。

3傳感器

為了保證機器人能在壟間穩定的運動壟間穩定的運動，而不會因為錯誤的行駛而誤傷雜草。采用超聲波傳感器來進行距離的測定與限制。超聲波測距的原理是由超聲波傳感器的發射探頭發射超聲波，當超聲波遇到障礙物后，會被反射，利用單片機記錄超聲波發射的時間和接收到回波的時間，根據超聲波的傳播速度，即可通過公式S=C*[T/2]（S為被測距離，C為空氣中聲速，T為回波時間，T=T1+T2）計算出超聲波傳播的距離，從而就得到了障礙物離測試系統的距離。測距原理如圖1所示：

4拔草裝置

拔草裝置由四個舵機和一個機械爪組成（如圖2所示）。舵機是一種帶有輸出軸的小裝置，當我們向伺服器發送一個控制信號時，輸出軸就可以轉到特定位置，只要控制信號不變，其角度就不會變。：它由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統。通過發送信號，指定輸出軸旋轉角度。與普通直流電機的區別主要在，直流電機是一圈圈轉動的，舵機只能在一定角度內轉動，不能一圈圈轉。普通直流電機無法反饋轉動的角度信息，而舵機可以。正因此在確定了雜草的位置后，可以準確的拔除雜草。

5機器人系統總體框架

系統的框架如圖3所示，超聲波檢測壟的距離，然后告知arduino，接下來arduino根據超聲波信息，控制減速電機轉動以避免，傷到莊稼。同時攝像頭試試檢測雜草，并由樹莓派進行圖像處理，檢測到雜草后，告知arduino停止行走，同時控制機械手去拔除雜草。

6總結

小型拔草機器人，在一定程度上豐富了農業機械化，自動化。此機器人設計包含機械，電路，算法三個模塊，雖然需要大量基礎知識，此設計的大部分裝置已經模塊化，通過適當學習便可掌握。此機器人功能相對豐度，不僅可以用于拔出雜草，對于垃圾分類里等涉及到識別抓取的功能也可實現。

參考文獻：

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