果園遠程機器人數字視頻光纖傳輸系統—基于DWDM

冷 偉

(四川郵電職業技術學院 實驗實訓中心，成都 610067)

0 引言

隨著世界人口的急劇增加，農業生產所承受的壓力越來越大，對大規模、高效率的生產模式的需求也日益明顯。同時，科技的發展和各種理論、技術的突破也使得這類生產模式成為可能。農業機器人憑借其無疲勞、高效率的優勢起到相當重要的作用。20世紀末開始，美國、日本、法國、印度等許多國家開始了對自動采摘機器人的研究，并取得了一定成果，但應用情況并不樂觀。對于自動化作業采摘機器人的設計，遠程監控系統是設計的關鍵。此系統可以協助機器人進行自我故障診斷，可以對作業質量進行實施監測，在必要的時候可以對采摘機器人進行遠程控制。因此，高效的監控系統對于采摘機器人的設計具有重要的意義，本研究擬將基于DWDM的光纖系統引入到采摘機器人監控系統中，以期得到高效的采摘機器人遠程控制系統。

1 DWDM光纖傳輸系統原理及其在采摘機器人遠程控制系統中的應用

DWDM是一種新的光纖數據傳輸技術。該技術采用兩種不同的方式在光纖內傳送數據：一是按照比特位并行傳輸；二是利用字符串串行傳輸數據。在發送端和接收端，該技術分別采用了光復用器和光解復用器，可以將光載波進行合并和分離，從而將多路信號在一根光纖中傳輸，大大提高了光纖的利用率，可在比ITU-T建議標準小的情況下，采用50GHz和33.3GHz甚至更小的信道間隔，充分利用光線帶寬進行數據傳輸。

DWDM系統主要由4部分組成，包括主要的光復用器和光解復用器，再就是必備的光源、光放大器和光波長轉換器。

光復用器與光解復用器是DWDM系統中非常重要的器件。光復用器可以將不同的光波長的數據信號進行合成，光解復用器可以將不同波長的信號進行分離。光復用器和光解復用器可以合并為一個器件，一般要求該器件具有隔離度較大、帶內損耗較為平坦及插入損耗小等優點。目前，在DWDM系統中，該器件的類型主要有相控陣分波器及光柵耦合器等。

光放大器可以對光信號進行放大，補償光信號在光纖傳輸過程中的損耗，從而提高光纖信號的傳輸距離。光信號放大器最常用的是摻餌光纖放大器，放大器利用泵浦光輸入光纖中的方法使得輸入光信號與輻射光的相位和波長自發保持一致，從而使光信號的功率得到加強，實現了對光信號的放大。

采用DWDM系統可以大大提高光纖的傳輸距離。為了克服長距離傳輸過程中光的非線性效應和色散受限距離不夠長的問題，需要采用更加先進的光源。該光源必須具有穩定的波長和一定的色度色散容限。

DWDM為了實現光纖的復用，在一個系統中允許接入不同廠商的SDH系統。采用光波長轉換器將復用端的信號轉換為制定波長的標注光波信號，從而使終端光信號波長符合規范系統。

DWDM系統具有通信傳輸速度和通信容量較高、傳輸距離長、設備簡單、智能化程度高等特點，使用在遠程采摘機器人監控系統中，將發揮重要的作用。因此，本次采摘機器人遠程控制系統的設計采用了該系統進行高清作業監控視頻信號的傳輸，通過對作業情況的監控，對采摘機器人發出控制指令。

圖1為基于DWDM的采摘機器人遠程系統基本框架。其中，攝像頭采集的機器人作業信息由DWD光纖傳輸系統傳送到電腦和手機控制終端，然后控制中心對采摘機器人發出遠程控制指令，并由單片機將信號轉換為控制指令對機器人進行控制，包括舵機、照明電路和電機驅動模塊等，從而實現采摘機器人的遠程控制。

圖1 基于DWDM的采摘機器人遠程系統基本框架Fig.1 The basic frame of remote system of picking robot based on DWDM

2 采摘機器人遠程控制系統測試

在采摘機器人自動化作業過程中，為了對采摘機器人的故障狀態進行診斷，需要實時對采摘機器人的作業情況進行監控。本文采用基于DWDM的光纖傳輸系統架構監控網絡，將采集得到的視頻信號通過光纖網路發送到電腦等終端，并在其上位機軟件中顯示攝像頭采集到的視頻信號，發出控制指令。整個工作的整體流程圖如圖2所示。

圖2 采摘機器人遠程控制總體工作流程圖Fig.2 The general working flow chart of remote control for picking robot

采摘機器人的遠程控制終端通過DWDM光纖傳輸網絡和路由器進行連接，遠程控制終端通過上位機軟件將控制指令發送給路由器，路由器接收到控制指令后通過內部的串口發送軟件，將接收到的命令和數據發送給單片機；單片機接收到指令后控制執行終端執行動作，包括小車的運動、舵機的運動和電路照明等。其中，單片機最小系統主要包括電源、時鐘和復位電路，如圖3所示。

圖3 單片機最小系統組成方框圖Fig.3 The block diagram of the minimum system composition of a single chip microcomputer

單片機最小系統的電源電路模塊主要是為單片機和其他模塊提供電源電壓。本設計中采用的電壓主要是標準的+5V電壓，時鐘電路主要為單片機的控制指令提供基本的時序脈沖序列。采摘機器人遠程控制系統另一個重要的部件是舵機，在設計時將兩個舵機合成到一個控制臺上，一個負責垂直方向的旋轉，一個負責水平方向的旋轉。用于采摘機器人作業狀態視頻采集的攝像頭也安裝在控制臺上，通過單片機發出PWM信號控制舵機旋轉，可以實現攝像頭在轉動。舵機的示意圖如圖4所示。

圖4 舵機示意圖Fig.4 The rudder schematic diagram

舵機實際是一種伺服電機，通過發送不同的脈寬調制信號，控制不同的旋轉角度，脈寬可以從0.5～2.5ms之間變化，相對應可以調整的角度為0°～180°，呈線性變化。整個遠程控制過程的軟件執行流程如圖5所示。

圖5 采摘機器人遠程控制軟件流程Fig.5 The remote control software process for picking robot

攝像機將采集到的視頻信號發送給遠程控制端，遠程控制端根據采摘機器人的作業狀態發出控制指令，指令在單片機內進分析后發送給舵機和電機，執行攝像頭的旋轉和采摘機器人執行末端的相關動作，從而完成遠程控制。

3 采摘機器人遠程控制系統性能測試

為了測試DWDM光纖傳輸系統在采摘機器人遠程控制系統中發揮的作用，采用DWDM光纖傳輸系統架構了遠程監控網絡，并對監控效果和機器人的性能進行了測試，如圖6所示。

圖6 基于DWDM光纖系統的遠程控制采摘機器人Fig.6 The remote control picking robot based on DWDM optical fiber system

將高清攝像頭安裝在采摘機器人的頂部，在舵機的作用下可以進行旋轉，將單片機控制系統嵌入到機器人內部，并進行了封裝。首先，對白天作業背景下的監控圖像進行了采集，得到了如圖7所示的結果。

圖7 白天作業背景下圖像采集Fig.7 The image acquisition under daytime operation background

圖7中，在白天作業背景下，采摘機器人可以從作業地點將高清的圖像反饋到遠程控制端，并可對果實進行特征提取，為采摘機器人的果實目標定位奠定了基礎。

為了驗證采摘機器人監控系統對環境的適應能力，在夜間作業背景下對作業場景的圖像進行了采集，如圖8所示。在夜間作業背景下，采摘機器人也可以傳回高清的作業圖像，并可對果實目標圖像進行特征提取，從而驗證了監控系統的可靠性。

為了驗證光纖傳輸系統性能的可靠性，對傳輸系統的時延特性和丟包率進行了測試，得到如表1所示的結果。由測試結果可以看出：傳輸系統具有較低的時延特性和丟包率，可滿足系統設計的需求。

圖8 夜間作業背景下圖像采集Fig.8 The image acquisition under night operation background

表1 光纖傳輸性能測試Table 1 The performance test of fiber transmission

最后，對采摘機器人的采摘性能進行了測試，得到了如表2所示的測試結果。由測試結果可以看出：采摘機器人對于果實目標的識別效率較高，且采摘的準確率也較高，可以滿足采摘機器人自動化作業的設計需求。

表2 采摘性能測試Table 2 The picking performance test

4 結論

為了提高采摘機器人遠程控制系統的性能，將基于DWDM的光纖傳輸網絡引入到了監控系統的設計中，從而有效地提高了監控網絡的數據傳輸性能。為了驗證系統的環境適應能力，對白天和夜間作業條件下的系統性能分別進行了測試，結果表明：在白天和夜間作業條件下，監控系統都可以傳回高清的作業場景圖像，從而驗證了系統的可靠性。為了驗證系統對采摘機器人遠程控制的作用，對采摘機器人的作業性能進行了測試，結果表明：采摘機器人具有較高的果實目標識別效率，其采摘準確率也較高，從而驗證了方案的可行性。