基于雙目立體視覺(jué)的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

杜梟雄 張鵬超 姚晉晉 王 彥

（1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西漢中723001；2.陜西理工大學(xué)陜西省工業(yè)自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西漢中723001）

0 引言

農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的匱乏，在一定程度上致使果蔬無(wú)法得到及時(shí)采摘，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大損失。因此，迫切需要深入開(kāi)展采摘機(jī)器人相關(guān)理論與技術(shù)的研究。本文基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能移動(dòng)式水果采摘機(jī)器人[1]，集可移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械手臂、氣動(dòng)采摘吸盤及智能控制模塊于一身。通過(guò)雙目立體視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水果采摘機(jī)器人自主移動(dòng)行走、避障及果實(shí)定位識(shí)別的功能。

1 機(jī)械本體及硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

初步設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)車體結(jié)構(gòu)

2 移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103作為主控制芯片，該芯片融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓等優(yōu)點(diǎn)于一身，同時(shí)保持了高集成度和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易的特點(diǎn)。

2.1 主控單元

本系統(tǒng)選用STM32F103芯片作為采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的中央控制器，完成傳感器信息收集、電機(jī)控制、外部通信擴(kuò)展等任務(wù)[2]。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

在綜合考慮電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的承載能力、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率等技術(shù)指標(biāo)的基礎(chǔ)上完成對(duì)直流電機(jī)的選型，并且在機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)中通過(guò)增加減速裝置來(lái)進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最終選擇直流電機(jī)型號(hào)為GM25-370-2414-75-14.5D10。表1為直流電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。

表1 直流電機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)表

2.3 紅外尋跡模塊

本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人在設(shè)置的黑帶軌道上行駛，三對(duì)紅外收發(fā)管安置于車體前部并對(duì)地，與地面相隔1 cm左右，根據(jù)接收到的反射光線強(qiáng)弱來(lái)判斷是否在軌跡上。光電傳感器實(shí)現(xiàn)循跡的基本電路如圖2所示。

圖2 循跡電路圖

2.4 超聲波測(cè)距模塊

考慮到采摘機(jī)器人行駛過(guò)程中可能存在障礙，因此在采摘機(jī)器人行駛過(guò)程中必須進(jìn)行避障處理。

2.5 無(wú)線通信模塊

通過(guò)無(wú)線接收模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的通信，可在復(fù)雜環(huán)境中保證其行進(jìn)的安全性。

2.6 WiFi服務(wù)程序設(shè)計(jì)

WiFi服務(wù)系統(tǒng)由主控部分、避障傳感器、攝像頭、機(jī)械臂等部分構(gòu)成，主控部分采用STM32F103+ESP8266構(gòu)成。通過(guò)主控把采集到的攝像頭信息上傳到PC端，然后PC端顯示采摘機(jī)器人實(shí)時(shí)視頻信息。STM32通過(guò)USART2與ESP8266通信，原理圖如圖3所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)為上位機(jī)+下位機(jī)的設(shè)計(jì)框架，上位機(jī)通過(guò)接收雙目視覺(jué)模塊采集的圖像對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與定位，然后根據(jù)目標(biāo)定位數(shù)據(jù)，結(jié)合摘機(jī)械臂的模型參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型，進(jìn)行機(jī)械手定位采摘目標(biāo)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解及軌跡規(guī)劃，解算出機(jī)械手到達(dá)目標(biāo)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)動(dòng)作角度。并通過(guò)調(diào)用串口通信類與運(yùn)動(dòng)控制器MCU通信，將關(guān)節(jié)動(dòng)作數(shù)據(jù)傳遞給運(yùn)動(dòng)控制器MCU。

3.1 目標(biāo)果實(shí)的檢測(cè)與定位

識(shí)別的首要任務(wù)是進(jìn)行果實(shí)圖像樣本的采集，需要依靠CCD攝像機(jī)拍攝完成，根據(jù)圖片信息建立完整的果實(shí)樣本；其次是建立顏色模型，采用圖像分割技術(shù)將果實(shí)與其周圍生長(zhǎng)環(huán)境分開(kāi)，識(shí)別果實(shí)本體，并通過(guò)三原色RGB對(duì)比計(jì)算，判斷目標(biāo)果實(shí)的成熟度[3]。

3.2 雙目視覺(jué)空間定位原理

采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)的前提是先識(shí)別成熟果實(shí)及確定其三維位置，對(duì)果實(shí)成熟率的識(shí)別和定位，極大程度地影響了采摘的成功率，然后通過(guò)WiFi模塊將圖像采集信息傳送至工控計(jì)算機(jī)，根據(jù)形成的三維圖像，進(jìn)而實(shí)施準(zhǔn)確采摘。

圖3 STM32和ESP8266原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

采摘機(jī)器人的控制部分采用ARM+PC的控制方式，搭載了四自由度的機(jī)械臂。通過(guò)采用移動(dòng)平臺(tái)來(lái)搭載機(jī)械手，可以使采摘機(jī)器人活動(dòng)范圍更加靈活。