基于單片機(jī)的無線智能采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

摘要：隨著機(jī)器人、計(jì)算機(jī)圖像處理和人工智能技術(shù)的成熟，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速發(fā)展。文章基于STM32設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的無線智能采摘機(jī)器人，主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和無線智能控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括可移動(dòng)載體、機(jī)械手臂、夾持器和橫向滑動(dòng)裝置。無線智能控制系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、雙CCD攝像機(jī)、傳感器控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡、GPIB卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、鋰電池供電箱、GPIB卡和控制系統(tǒng)。該無線智能采摘機(jī)器人，可針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化種植的蘋果、梨等現(xiàn)代果園，集成視覺識(shí)別、柔性抓取、智能控制等人工智能和機(jī)器人技術(shù)，自主利用機(jī)械手臂，完成果實(shí)采摘和放置等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)蘋果等水果的無人采摘。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；無線智能；采摘機(jī)器人；傳感器

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著人工智能、無線互聯(lián)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)的果園生產(chǎn)中，智慧果園已引起水果市場和生產(chǎn)方式的變革，使水果生產(chǎn)經(jīng)營更加系統(tǒng)化、產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化，也促進(jìn)小農(nóng)戶和現(xiàn)代果業(yè)的有效銜接^［1］。由于采摘的作業(yè)空間環(huán)境，采摘目標(biāo)自身的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的采摘作業(yè)耗時(shí)又耗力，因此基于人工智能的智慧果園采摘系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

水果種植和果園管理由于農(nóng)藝復(fù)雜精細(xì)，仍屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)^［2］。部分農(nóng)藝如套袋摘袋、疏花疏果、剪枝采收等作業(yè)環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)機(jī)械化農(nóng)機(jī)無法應(yīng)用，面臨著用工難用工貴的勞動(dòng)力短缺問題。以機(jī)器人、人工智能和無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的果園作業(yè)機(jī)器人是代替人工解決上述問題的最佳方案^［3］。智慧果園機(jī)器人作業(yè)主要實(shí)現(xiàn)果園水肥藥一體化施用、中耕除草、果園生長狀態(tài)監(jiān)測(cè)、采收運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)的機(jī)器人化作業(yè)，大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)果園生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化^［4］。本文在智慧果園背景下，實(shí)現(xiàn)無線智慧采摘，從而降低果園采收運(yùn)輸成本，提高采收作業(yè)效率。

1 分析與設(shè)計(jì)

1.1 需求分析與總體流程

通過前期調(diào)研分析，隨著勞動(dòng)力從農(nóng)村向城市的轉(zhuǎn)移，在果園管理中，果園將更多的機(jī)械取代人工，最大限度地實(shí)現(xiàn)省力化才是正確的發(fā)展方向。由“省錢”向“省力”轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有大部分果園里的采摘機(jī)都是人工控制行走，而且采摘機(jī)的高度可調(diào)范圍較小，具體采摘需要手動(dòng)控制。部分果園在原有采摘機(jī)的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了一些自動(dòng)功能，但擴(kuò)展成本較高，仍然需要人工控制，并不能提高果園的效益。若在現(xiàn)有的采摘機(jī)基礎(chǔ)上，加上無線控制系統(tǒng)，并搭載末端執(zhí)行自動(dòng)抓取功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別成熟果實(shí)，將大大提高采摘的效率，且不受環(huán)境影響，從而滿足果園對(duì)勞動(dòng)力的需求。因此，果園管理應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流，用智能采摘取代人工或半人工采摘，實(shí)現(xiàn)省力化和標(biāo)準(zhǔn)化。

基于上述需求和問題分析，本文確定無線智能采摘機(jī)器人的主要功能如下：通過雙CCD攝像頭和激光雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)地圖定位與構(gòu)建，根據(jù)定位和地圖信息，通過路徑規(guī)劃算法使無線智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主避障并前往目標(biāo)位置。到達(dá)目標(biāo)位置后，機(jī)械臂自主抓取成熟果實(shí)將其儲(chǔ)存至智能小車上。本文設(shè)計(jì)的無線智能采摘機(jī)器人的整體運(yùn)作流程，如圖1所示。

1.2 智能機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)分析

1.2.1 目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)

本文設(shè)計(jì)的無線智能采摘機(jī)器人對(duì)目標(biāo)水果的檢測(cè)采用YOLOv算法實(shí)現(xiàn)。YOLOv的主要原理是將對(duì)象檢測(cè)問題分解為對(duì)象邊界框的定位、類別分類和精度估計(jì)?；诖?個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)水果的目標(biāo)檢測(cè)為3個(gè)步驟：第一，生成一系列感興趣區(qū)域，將其作為候選區(qū)域。第二，對(duì)每個(gè)感興趣區(qū)域進(jìn)行分類判斷與置信度得分。第三，使用非極大值抑制NMS來篩選最準(zhǔn)確的檢測(cè)框與類別。

生成一系列感興趣區(qū)域，需要從基礎(chǔ)的水果圖像分類出發(fā)。在水果分類中，輸入一張圖像，再由模型輸出所屬的類別。對(duì)于目標(biāo)檢測(cè)，YOLOv算法與圖像分類的區(qū)別是：一張圖像上可能有多個(gè)類別目標(biāo)，每個(gè)類別的數(shù)量也不盡相同，分布在整張圖像上。本文設(shè)計(jì)的想法是：每次提取圖像中的一小塊矩形區(qū)域，然后預(yù)測(cè)該矩形區(qū)域內(nèi)圖像的類別，這樣就能得到目標(biāo)的類別和位置。這就是第一步的生成感興趣區(qū)域過程。

對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行分類判斷并輸出置信度得分，必須對(duì)每個(gè)框內(nèi)圖像都進(jìn)行一次分類與置信度打分，然后對(duì)于閾值在0.9分之上的框進(jìn)行保留，那么這些框就是本文檢測(cè)到的目標(biāo)位置。由于每個(gè)錨框都進(jìn)行了預(yù)測(cè)，所以結(jié)果很可能出現(xiàn)多個(gè)框預(yù)測(cè)的都是同一個(gè)目標(biāo)，因此第三步需要進(jìn)行非極大值抑制去重。

非極大值抑制在目標(biāo)檢測(cè)的主要作用是對(duì)兩個(gè)重疊程度超過0.5的預(yù)測(cè)框，只保留其中置信度較高的框。重復(fù)此次過程，直到框的數(shù)量不再發(fā)生改變，那么就可得到最終去重后的目標(biāo)結(jié)果。

1.2.2 無線控制技術(shù)

此次設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)采摘機(jī)上加上無線控制技術(shù)，通過無線控制調(diào)度，發(fā)送目標(biāo)點(diǎn)位置、采摘成熟果實(shí)、運(yùn)送等指令。采摘機(jī)器人的行走無線控制系統(tǒng)由控制面板、導(dǎo)向傳感器、方向電位器、狀態(tài)指示燈、避障傳感器、光電控制信號(hào)傳感器、驅(qū)動(dòng)單元、導(dǎo)引磁條、電源組成。無線控制技術(shù)是根據(jù)導(dǎo)向傳感器所得到的位置信息，按相關(guān)路徑所提供的目標(biāo)值計(jì)算出實(shí)際控制命令值，即給出設(shè)定速度和轉(zhuǎn)向角，這是無線控制技術(shù)的關(guān)鍵。無線控制導(dǎo)向有多種方法，比如說利用導(dǎo)向傳感器的中心點(diǎn)作為參考點(diǎn)，追蹤引導(dǎo)磁條上的虛擬點(diǎn)就是其中的一種。無線控制目標(biāo)就是通過檢測(cè)參考點(diǎn)與虛擬點(diǎn)的相對(duì)位置，修正驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速以改變采摘機(jī)器人的行進(jìn)方向，盡力讓參考點(diǎn)位于虛擬點(diǎn)的上方。這樣無線控制就能始終跟蹤引導(dǎo)線運(yùn)行。在無線控制機(jī)器人上安裝機(jī)器臂，在特殊工作環(huán)境下代替人工作業(yè)，本文就是利用此無線控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)水果的采摘。

1.2.3 機(jī)械臂技術(shù)

機(jī)械臂控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)水果智能采摘的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)一般由兩個(gè)部分組成：機(jī)械臂本體和控制系統(tǒng)。機(jī)械臂本體由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，每個(gè)關(guān)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)，如旋轉(zhuǎn)、抬升、收縮等。控制系統(tǒng)是機(jī)械臂的核心，它可以控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)的無線智能采摘機(jī)器人的機(jī)械臂采用 ROS系統(tǒng)進(jìn)行通信。

傳統(tǒng)的ROS機(jī)械臂采用的建模對(duì)機(jī)械臂自由度要求較高，多數(shù)需要5～6自由度的機(jī)械臂，同時(shí)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)度也有極高的要求。本文采用低自由度的機(jī)械臂，通過幾何法實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，ROS系統(tǒng)僅用于話題通信。這樣工程量少、機(jī)械臂制作簡單且成功率較高。同時(shí)，利用二維碼輔助識(shí)別位置姿態(tài)。先根據(jù)圖像顏色進(jìn)行無線控制的整體分割，再對(duì)分割后的圖像進(jìn)行處理，利用二維碼作為角度標(biāo)識(shí)，利用二維碼的角度偏轉(zhuǎn)，確定機(jī)械臂需要偏轉(zhuǎn)的角度，將角度反饋給上位機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)根據(jù)二維碼信息確定無線控制的相關(guān)信息。

2 無線智能采摘機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的智能采摘機(jī)器人的硬件平臺(tái)，為機(jī)器人進(jìn)行成熟果實(shí)識(shí)別與采摘奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，其各個(gè)部件的作用各不相同，結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的自動(dòng)控制?？梢苿?dòng)載體是智能機(jī)器人的基礎(chǔ)，是其他控制采集系統(tǒng)的平臺(tái)，智能采摘機(jī)器人的信號(hào)采集、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器模塊及智能控制系統(tǒng)都需要以可移動(dòng)載體為載體?？梢苿?dòng)載體采用履帶行走方式，履帶式移動(dòng)載體與地面接觸面積大，受力面積大，給地面的壓力小，適合在松軟的果林路面上行進(jìn)。機(jī)器人行走裝置根據(jù)智能控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)采用直流供電。

機(jī)械手臂裝置采用多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，有3個(gè)主自由度，可以做轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的動(dòng)作；再加上夾持器的X，Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使夾持器到達(dá)臂長范圍的任何三維坐標(biāo)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人的機(jī)械手臂裝置韌性強(qiáng)、承受負(fù)載大、自身輕薄、靈活性高、到達(dá)指定位置誤差小，在整個(gè)采摘作業(yè)過程中，運(yùn)行速度適中，慣性較小，平穩(wěn)度非常高。

夾持器是采摘過程中作用最大的部件，是采摘機(jī)器人的手，水果的抓取收獲依靠其完成，可以根據(jù)命令直接執(zhí)行采摘任務(wù)。該設(shè)計(jì)中的夾持器最大工作角度為88，采摘過程中夾緊力為270 N，質(zhì)量為0.6 kg，閉合時(shí)間為0.2 s；裝置輕便，采摘角度大，耗時(shí)短，力度適中，不會(huì)給果實(shí)帶來機(jī)械損傷。

2.2 軟件部分的實(shí)現(xiàn)

軟件組成部分的主要工作闡述如下：（1）無線控制器采集到的水果圖像信息通過深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)水果圖像的檢測(cè)與識(shí)別；（2）通過 YOLOv 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架，對(duì)水果的種類進(jìn)行精確識(shí)別，能夠判斷水果是否成熟；（3）云端數(shù)據(jù)中心記錄水果的種類及數(shù)量并簡潔的可視化出來；（3）云端數(shù)據(jù)中心可根據(jù)需求實(shí)時(shí)調(diào)度智能小車；（4）在云端數(shù)據(jù)中心的調(diào)度下，智能小車可自主前往目標(biāo)位置；（5）智能小車通過路徑規(guī)劃算法實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與避障；（6）智能小車通過無線通信，實(shí)現(xiàn)智能小車返回指導(dǎo)目標(biāo)位置；（7）自主采摘成熟果實(shí)。

本文在軟件設(shè)計(jì)過程中，由于受到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、數(shù)據(jù)處理的影響，無線控制器到服務(wù)器上的通信會(huì)有一定的延遲，故采用多進(jìn)程技術(shù)并行處理來加快處理的速度以減少延遲。本文開設(shè)三個(gè)進(jìn)程：一個(gè)用來接收數(shù)據(jù)，一個(gè)用來處理數(shù)據(jù)，一個(gè)用來顯示結(jié)果。此外，使用隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以避免數(shù)據(jù)堵塞，進(jìn)一步降低通信延遲。另外，在圖像采集部分，采用生產(chǎn)者消費(fèi)者模式，攝像頭采集圖像作為生產(chǎn)者，將采集到的圖像放入循環(huán)隊(duì)列緩沖區(qū)，圖像處理進(jìn)程則作為消費(fèi)者不斷從緩沖區(qū)獲取圖像進(jìn)行處理。

3 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了無線智能采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)全過程，包括前期的需求分析、總體流程、硬件和軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在復(fù)雜果園環(huán)境下，能解決目標(biāo)檢測(cè)深度網(wǎng)絡(luò)對(duì)成熟水果的識(shí)別并定位，識(shí)別算法的優(yōu)化以及 Socket 實(shí)時(shí)無線通信的優(yōu)化。后期還需要在優(yōu)化視頻跟蹤算法、保證傳輸實(shí)時(shí)性、測(cè)試主流方案方面，對(duì)比選取效果最好的方案，解決無線控制的短續(xù)航問題。還將建立世界坐標(biāo)系，通過深度圖和歐幾里得距離公式計(jì)算對(duì)象相對(duì)于相機(jī)的距離，最后計(jì)算成熟果實(shí)在世界坐標(biāo)系上的位置。

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（編輯 姚 鑫）

Design of wireless intelligent picking robot based on microcontroller

Liu Yang， Duan Yuanmei

（School of Intelligent Manufacturing， Hunan University of Science and Engineering， Yongzhou 425199， China）

Abstract： With the maturity of robot， computer image processing and artificial intelligence technology， the research and development technology of picking robot has been developed rapidly. In this paper， the design and implementation of wireless intelligent picking robot based on STM32， mainly composed of mechanical structure and wireless intelligent control system two parts. The mechanical structure includes a movable carrier， a mechanical arm， a gripper and a lateral sliding device. Wireless intelligent control system mainly includes computer， servo motor drive， double CCD camera， sensor control module， data acquisition card， GPIB card， motion control card， lithium battery power supply box， GPIB card and control system. The wireless intelligent picking robot can integrate artificial intelligence and robot technology such as visual recognition， flexible grasping and intelligent control for modern orchards such as standardized planting apples and pears， and independently use mechanical arms to complete fruit picking and placing actions， so as to realize unmanned picking of apples and other fruits.

Key words： microcontroller; wireless intelligence; picking robot; sensor