基于全自動(dòng)枸杞采摘機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)

李 慧，胡文婷，謝淑芬，袁紹秋

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

由于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,現(xiàn)代人對(duì)保健生活有了更高的需求，枸杞子不僅是名貴的中醫(yī)藥品和保健滋補(bǔ)品,還是中國主要功能型特色資源之一。枸杞子廣泛分布于中國寧夏和新疆等地,錯(cuò)綜復(fù)雜的藤枝注定了枸杞子采摘的不易,而且受“無序花序、連續(xù)花果”等特性的影響[1],枸杞子采集過程需要多次完成，這不僅降低了枸杞子采集效率，也增加了枸杞子的生產(chǎn)成本,不利于枸杞子的生產(chǎn)開發(fā)。因此，研發(fā)一款能夠提高效率的全自動(dòng)枸杞采摘機(jī)器人，對(duì)于中國枸杞子生產(chǎn)開發(fā)有著重要意義。

1 研究現(xiàn)狀

枸杞作為十分具有經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值的產(chǎn)物，在全世界享有盛譽(yù)，因此國內(nèi)外對(duì)枸杞采摘機(jī)均有相關(guān)研究。

國外，枸杞種植地十分廣闊，土地平坦，適合寬距離種植枸杞作物。以美國為例，主要是以大型自走式枸杞采摘機(jī)為主[2]，采摘的核心使用的是振動(dòng)方式，每當(dāng)枸杞適季時(shí)，會(huì)用兩輛枸杞采摘車同時(shí)開入相鄰的枸杞地路中，以相同速度緩慢前進(jìn)，然后安裝多層振動(dòng)網(wǎng)，將振動(dòng)網(wǎng)套入枸杞作物中，開啟振動(dòng)采摘。雖然這種采摘方式快速，但是需要枸杞作物具有寬距離種植的特點(diǎn)。

國內(nèi)枸杞地受地理環(huán)境影響，栽培地面積多為330棵/667m2，屬密植式栽培，目前主要的枸杞采摘機(jī)多為小型采摘機(jī)械，大致分為手持式力學(xué)振動(dòng)型枸杞采摘機(jī)、手持式機(jī)械梳刷式枸杞采摘機(jī)和氣吸式枸杞采摘機(jī)3種[3]。手持式機(jī)械振動(dòng)型枸杞采摘機(jī)，原理是通過高頻發(fā)生器和電機(jī)完成枸杞采集，包括偏心輪、連桿機(jī)構(gòu)以及抓枝器等部分，以中國寧夏4ZGB-30型為例，當(dāng)啟動(dòng)機(jī)器并將枸杞樹枝放在抓枝器上時(shí),高頻電壓就會(huì)推動(dòng)偏心輪高速運(yùn)動(dòng),繼而利用機(jī)器的連桿推動(dòng)抓枝器實(shí)現(xiàn)高頻振蕩,從而使枸杞被震落[4]，但是這種方式會(huì)將同一枝條上未成熟的枸杞一起摘下，影響下一波落果率。手持式機(jī)械梳刷型枸杞采摘機(jī)的核心采摘部件為電動(dòng)機(jī)、齒輪箱和刷頭，純機(jī)械式設(shè)計(jì)，對(duì)人工依賴十分強(qiáng)烈，當(dāng)打開電源，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪箱運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刷頭逆向運(yùn)動(dòng)，利用適當(dāng)?shù)乃⒘㈣坭剿⑾拢@種采摘方式對(duì)枸杞枝條損傷較大。氣吸型枸杞采摘機(jī)采摘的核心為氣吸模塊，但質(zhì)量小的枸杞或者葉子較易偏離枝條,同樣容易導(dǎo)致未成熟枸杞、葉片被采摘的概率增大[5]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過對(duì)目前4類枸杞采摘機(jī)器的研究，發(fā)現(xiàn)不能完全解放雙手以及錯(cuò)誤采摘未成熟果子仍是主要問題。綜合各類枸杞采摘機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，能夠最大程度地解放雙手，可以對(duì)枸杞進(jìn)行識(shí)別的小型自走式機(jī)器人可能成為主流。因此，本文設(shè)計(jì)了一種新的全自動(dòng)枸杞采摘機(jī)器人，主要采用OpenMV進(jìn)行開發(fā)，由L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、PCA9685舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和采摘刷頭組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。OpenMV利用自帶的攝像頭對(duì)枸杞進(jìn)行顏色識(shí)別[6]，之后控制L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)動(dòng)，再利用PCA9685通信控制舵機(jī)運(yùn)行角度實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，采摘刷頭則同樣由OpenMV控制，實(shí)現(xiàn)采摘。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 相關(guān)模塊設(shè)計(jì)

3.1 OpenMv

OpenMV是一款功耗低、體積小的機(jī)器視覺模塊，采用C語言高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法，配有MicroPython解釋器，通過Python語言實(shí)現(xiàn)對(duì)OpenMV物理層的訪問與控制[7]，OpenMV具有UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC，GPIO等通信接口。本設(shè)計(jì)利用USB接口實(shí)現(xiàn)電腦與OpenMV的連接，在電腦中安裝OpenMV的集成開發(fā)環(huán)境IDE完成編程以及之后的調(diào)試和更新工作，以O(shè)penMV為核心控制器，識(shí)別枸杞，輸出信號(hào)，對(duì)各個(gè)電機(jī)、舵機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到小車運(yùn)動(dòng)、機(jī)械臂運(yùn)行的目的。

3.2 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別總體分3步：圖像的采集、處理和識(shí)別，其過程如圖2所示，利用攝像頭識(shí)別物體，通過算法進(jìn)行目標(biāo)的比較，對(duì)目標(biāo)定位及跟蹤。

圖2 圖像識(shí)別過程

圖像處理是必不可少的一步，通過攝像頭采集光學(xué)信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，導(dǎo)入感光元件，令其初始化后，設(shè)置像素模式及分辨率。通過傳感器模塊從攝像頭獲取一幀圖像，用于設(shè)置感光元件的參數(shù)，可以進(jìn)行圖片的預(yù)處理，然后通過使用Image模塊提供的辦法，獲取/設(shè)置像素點(diǎn)、獲取圖像的寬度和高度。將圖片轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組，之后使用ROI選擇需要處理的圖像區(qū)域，然后根據(jù)相應(yīng)的函數(shù)返回所要研究區(qū)域的對(duì)應(yīng)值[8]。

圖像處理前需要對(duì)圖片進(jìn)行壓縮，通過色域識(shí)別，可以利用LAB實(shí)現(xiàn)灰度圖以及二值化，把THRESHOLDS中閾值的圖像部分全部像素設(shè)置為1(白)，閾值外的部分設(shè)為0(黑)。OpenMV里的閾值選擇工具就可以獲取準(zhǔn)確的LAB，快速地進(jìn)行顏色閾值的調(diào)試。利用Find_blobs函數(shù)獲取需要查找的顏色，返回多個(gè)Blob列表。OpenMV擁有許多基本函數(shù)用于圖像處理，包括Image size、Sensor、噪聲去除、閾值分割函數(shù)等，能完全滿足枸杞識(shí)別的相關(guān)功能設(shè)計(jì)。

3.3 自走式設(shè)計(jì)

OpenMV識(shí)別到枸條后，計(jì)算出具體位置信息，結(jié)合L298N芯片、I2C總線通信等驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)小車移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自走式功能。小車自走式底盤采用直流電機(jī)控制，驅(qū)動(dòng)板由L298N為主提供穩(wěn)定的5 V電壓。L298N也是常用的實(shí)驗(yàn)小車電源驅(qū)動(dòng)模組,主要用于車輛底盤運(yùn)動(dòng)的開發(fā),含有4個(gè)邏輯電平通道的驅(qū)動(dòng)控制電路,可以順利驅(qū)動(dòng)46 V，2 A以下的電機(jī)，其主要原理如圖3所示。

圖3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N分邏輯供應(yīng)電壓和驅(qū)動(dòng)供應(yīng)電壓，一般情況下，驅(qū)動(dòng)供應(yīng)電壓都要大于邏輯供應(yīng)電壓，其中驅(qū)動(dòng)供應(yīng)電壓的最大電壓可以達(dá)到36 V，而邏輯供應(yīng)電壓則在4.5～36 V。本設(shè)計(jì)將2，3，13，14號(hào)引腳作為輸出腳，帶動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，將5，7，10，12作為輸入引腳，連接OpenMV控制器的I/O引腳，同時(shí)根據(jù)L298N的真值表使模塊作用，即高電平有效，6,11號(hào)引腳使能，從而帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)。

在確定2路電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，需要先設(shè)置L298N的IN1和IN2[9]，當(dāng)使能端作用時(shí)，IN1為1，IN2為0，實(shí)現(xiàn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；IN1為0，IN2為1，實(shí)現(xiàn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；使能EN端(PWM輸入端)還能利用PWM控制調(diào)速。PWM系統(tǒng)是在適當(dāng)?shù)耐ㄐ蓬l率下,通過周期變化實(shí)現(xiàn)占空比的方法,來變化輸出的最大有效電流。在電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中,占空比和直流電機(jī)的速度成正比,測(cè)試時(shí)通過改變PWM的電壓，可以讓電機(jī)輸出不同的轉(zhuǎn)速。

3.4 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

枸杞采摘機(jī)械臂，其使用舵機(jī)供電電壓在5～7 V，也可以接受稍高的電壓。機(jī)械臂的每個(gè)動(dòng)作都是舵機(jī)順序運(yùn)行，4個(gè)舵機(jī)依次運(yùn)行，為了防止出現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)行故障，采用相對(duì)大功率的電源供電。OpenMV中自帶的3個(gè)引腳可以控制舵機(jī)，但是OpenMV引腳輸出的電壓較低，考慮到直接用OpenMV引腳供電，會(huì)出現(xiàn)舵機(jī)無法運(yùn)行的問題，選擇了以PCA9685芯片為主的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板。

PCA9685是一款輸出可調(diào)節(jié)、控制的芯片，使用I2C總線實(shí)現(xiàn)通信。本設(shè)計(jì)中取4路輸出端，均可自由調(diào)節(jié)PWM的頻率(40～1 000 Hz)和占空比(0%～100%)。編程實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)舵機(jī)角度的控制，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度通過輸出同周期內(nèi)高電平占周期時(shí)間的比例來實(shí)現(xiàn)。一般舵機(jī)需要的頻率為50 Hz，其計(jì)算公式為[10]：

其中頻率設(shè)定寄存器(地址為0XFEH)中寫入的值為Prescal，主控芯片的時(shí)鐘信號(hào)為EXTCLK，refresh_rate為期望得到的PWM脈沖頻率[10]，本設(shè)計(jì)中的舵機(jī)為50。

本設(shè)計(jì)中只使用了4個(gè)通道，在未來的設(shè)計(jì)中可以再加入多個(gè)舵機(jī)，增加自由度。機(jī)械臂需要的4個(gè)舵機(jī)的控制信號(hào)的周期為20 ms，0.5～2.5 ms的邏輯高電平在20 ms中的占比寬度，對(duì)應(yīng)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度0o～180o,并表現(xiàn)為線性變化。

I2C總線實(shí)現(xiàn)OpenMV與PCA9685芯片的通信。I2C總線具有操作簡(jiǎn)單、方便有效的優(yōu)點(diǎn)，可以使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，減少線路的復(fù)雜性。I2C的寫操作如圖4所示，讀操作如圖5所示。

圖4 發(fā)送數(shù)據(jù)

圖5 接收數(shù)據(jù)

SCL與SDA兩根線上可以連接多個(gè)外部設(shè)備器件，每個(gè)外部設(shè)備都有自己的地址，I2C總線通過地址區(qū)分辨認(rèn)外部設(shè)備器件。

通過I2C總線協(xié)議與OpenMV控制舵機(jī)，以PCA9685控制芯片為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)主要模仿手持式枸杞采摘器采摘枸杞的過程，在機(jī)械臂頭部安裝了枸杞采摘刷頭，當(dāng)全自動(dòng)枸杞采摘機(jī)器人識(shí)別并運(yùn)動(dòng)到枸杞前時(shí)，機(jī)械臂開始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采摘刷頭進(jìn)行工作。

3.5 采摘頭設(shè)計(jì)

常見的枸杞采摘頭有氣吸式、梳刷式和振動(dòng)式，本設(shè)計(jì)采用的是旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式刷頭，既彌補(bǔ)了氣吸式強(qiáng)依賴電源的特點(diǎn)，又減緩了梳刷式對(duì)手動(dòng)的高要求。刷頭主要部署在一個(gè)電機(jī)上，隨著電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，刷頭利用慣性不斷振動(dòng)，達(dá)到采摘枸杞的效果，如圖 6所示。刷頭采用硅膠材料，隨著轉(zhuǎn)速的不同，硅膠質(zhì)感也有所不同。枸杞因生長習(xí)性的影響，常見的金屬條振動(dòng)容易將未成熟的枸杞震落，影響枸杞出果率，而氣吸式容易對(duì)葉子枝條造成一定損害，影響來年結(jié)果率[11]，因此介于中間的硅膠材質(zhì)是最好的選擇。針對(duì)不同生成狀況的枸杞林，可以綜合測(cè)試出一個(gè)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，以達(dá)到最符合枸杞生態(tài)的采摘。

圖6 采摘結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文通過對(duì)各類枸杞采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理研究，綜合設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)枸杞采摘機(jī)器人，彌補(bǔ)了以前不能完全解放雙手，采摘效率低下，錯(cuò)誤采摘未成熟果子的缺點(diǎn)。該全自動(dòng)枸杞采摘機(jī)器人主要使用視覺識(shí)別方案，基于OpenMV進(jìn)行開發(fā)，利用自帶的攝像頭對(duì)枸杞進(jìn)行顏色識(shí)別，結(jié)合L298N和PWM對(duì)各電機(jī)和舵機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)選擇了以PCA9685芯片為主的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板，I2C總線進(jìn)行OpenMV和舵機(jī)的通信，采摘刷頭選用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的振動(dòng)方式。經(jīng)測(cè)試，該全自動(dòng)枸杞采摘機(jī)器人各類功能初步完成。