樹莓剪枝機器人設(shè)計

孟繁佳，劉泰陽

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

農(nóng)業(yè)機器人將信息技術(shù)進行綜合集成，集感知、傳輸、控制、作業(yè)為一體，將農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化大大向前推進了一步。其不僅節(jié)省了人力成本，也提高了品質(zhì)控制能力，增強了自然風(fēng)險抗擊能力。與國外相比，我國農(nóng)業(yè)機器人研究與開發(fā)方面尚處于起步階段，20世紀(jì)90年代中期，國內(nèi)才開始了農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的研發(fā)。

樹莓是灌木型果樹，是生態(tài)經(jīng)濟型水土保持灌木樹種，在歐、美一些國家早已廣泛栽培，并形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，引入中國后也得到了快速發(fā)展，在很多省、市、自治區(qū)都得到廣泛種植。因其具有很好的營養(yǎng)價值、藥用價值和食用價值，所以經(jīng)濟效益較好。

在早春進行定植修剪，需對過密的細弱枝、破損枝齊地剪除，以保證植株的長勢均勻。由于樹莓多種植于中國東北、甘肅、青海、新疆、西藏等地廣人稀的地區(qū)，定植修剪又需要大量的人力，面臨勞動力大量短缺的困境；雇傭外來務(wù)工人員又面臨勞務(wù)工資急劇上升的局面，用工成本嚴(yán)重制約了樹莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本研究結(jié)合樹莓生產(chǎn)種植環(huán)境和實際定植修剪過程，基于機器視覺技術(shù)，設(shè)計了樹莓剪枝機器人，在實際工作環(huán)境下，實現(xiàn)了樹莓弱枝、破損枝的智能修剪。

1 機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

剪枝機器人機械結(jié)構(gòu)包括可移動載體、升降臺、兩個機械臂及兩個剪枝器。機械結(jié)構(gòu)是整個機器人的基礎(chǔ)架構(gòu)，是各個模塊與器件依附的平臺；每個部分均有其功能，與控制結(jié)構(gòu)一起實現(xiàn)機器人的智能控制。

可移動載體是機器人得以移動的先決條件，采用履帶式車輪設(shè)計，與地面接觸面積大，增大了可移動載體的受力面積，給地面的壓力小，適合在田間松軟復(fù)雜的地面上行駛。可移動載體以IAP15W4K61S4單片機主控系統(tǒng)發(fā)出的指令進行驅(qū)動，主控板采用直流航模鋰電池供電。

升降臺由滾珠絲杠滑臺和剪叉式機械結(jié)構(gòu)組成，其頂端安裝了攝像頭。主控系統(tǒng)控制電動機帶動滾珠絲杠的運動來實現(xiàn)攝像頭豎直方向的定位，確保在機器人總體結(jié)構(gòu)較小且輕便條件下田間植株定位的準(zhǔn)確性。

兩個機械臂分別安裝在可移動載體的左右兩側(cè)，以提高機器人的工作效率。機械臂由多關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)構(gòu)成，有2個自由度，在其長度范圍內(nèi)配合剪枝器的轉(zhuǎn)動可以使剪枝器到達任意二維坐標(biāo)點。該機械臂的質(zhì)量輕、韌性強，中間關(guān)節(jié)裝有滾輪可以觸地，因此在臂展較長、作業(yè)面積較大的情況下也能承受較大負載，靈活性高，到達指定坐標(biāo)點精確度高，在作業(yè)過程中速度平穩(wěn)適中、慣性小、平穩(wěn)性很強。

剪枝器是機器人的剪刀手，是動作的最終執(zhí)行機構(gòu)。為保證長勢較差的弱枝齊地剪斷，將剪枝器設(shè)計成剪刀模樣，由舵機控制剪刀手的張開與閉合。剪枝時，機械臂中間帶轉(zhuǎn)輪關(guān)節(jié)著地，配合剪枝器貼合地面將弱小枝條剪斷，以確保穩(wěn)定性。剪枝機器人結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 剪枝機器人結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of the pruning robot

2 枝條的分割識別

在環(huán)境復(fù)雜又廣闊的田間中，剪枝機器人進行剪枝作業(yè)的前提是先識別出枝條，這樣剪枝機器人才能代替人力勞動進行剪枝。識別的首要任務(wù)是進行田間植株圖像樣本的采集，主要是采用固定在升降臺上的高清攝像頭，升降臺使其升到指定高度去拍攝成像，然后把采集到的圖像送到工控計算機。

對于枝條的識別，運用顏色、面積和形態(tài)多個特征結(jié)合的算法，多個特征結(jié)合使目標(biāo)的識別更加準(zhǔn)確。首先采用閾值分割法對樹莓枝條進行圖像分割處理，建立顏色模型，通過分析顏色空間的色差，進行三原色RGB運算，可以將圖像分割。RGB顏色模型如圖2所示。

圖2 RGB顏色模型Fig.2 RGB color model

圖像經(jīng)過分割處理后，會存在噪音，所以需要對圖像進行消噪處理。先得到連通域，再進行區(qū)域標(biāo)記，通過設(shè)置連通面積閾值，消除背景噪音。在處理過程中發(fā)現(xiàn)部分枝條會出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，采用膨脹方式進行補償處理。

對圖像進行自適應(yīng)閾值分割,分割枝條和雜質(zhì)圖像,對枝條進行邊緣提取；經(jīng)過一系列消噪處理之后，完成目標(biāo)的識別，得到能夠滿足后續(xù)圖像處理要求的二值圖像。枝條圖像處理流程如圖3所示。

圖3 枝條圖像處理流程圖Fig.3 The flow chart of the branches image processing

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

智能剪枝機器人控制系統(tǒng)硬件包括工控計算機(Soarsea-V200)、IAP151W4K61S4單片機、高清攝像頭(c930e)、激光傳感器、直流電機、舵機、航模鋰電池和多功能移動電源。

上位機部分是一臺搭載Win10系統(tǒng)的工控計算機，運用MatLab軟件進行圖像處理任務(wù),處理攝像頭拍到的高清圖片，識別和定位目標(biāo)枝條，由其進行決策規(guī)劃出路徑，并通過串口通訊的方式將數(shù)據(jù)傳遞給下位機。下位機部分以STC公司生產(chǎn)的IAP15W4K61S4單片機為主控，具有最高30MHz晶振、4kB片內(nèi)RAM(原256B+3840B XDATA)、61kB程序存儲空間(ROM)、5個16位定時/計數(shù)器、4個串口及64個I/O引腳。其通過串口1與上位機進行通信，通過串口2獲取激光傳感器返回的距離信息，通過PWM模塊輸出PWM波控制電機驅(qū)動芯片L298進行電機轉(zhuǎn)速控制，通過定時器中斷使用I/O口模擬輸出PWM控制舵機轉(zhuǎn)角進行機械臂控制，通過I/O輸出電平控制升降臺直流電機升降運動。

剪枝機器人開始作業(yè)后，首先啟動攝像頭，進行圖像采集；將采集到的圖像傳到工控計算機，利用MatLab軟件對采集的圖像進行處理，根據(jù)顏色、粗細、密度等指標(biāo)，識別出要修剪的目標(biāo)枝條，計算出應(yīng)剪枝條的坐標(biāo)，規(guī)劃出機械臂的運動軌跡，通過串口送到主控單片機，控制機械臂運動到指定位置，剪枝器將目標(biāo)枝條齊地剪除。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the control system

該控制系統(tǒng)的硬件電路主要包括直流電機驅(qū)動、下載燒錄和串口通訊及電源電路等。

3.1 直流電機驅(qū)動電路

直流電機驅(qū)動電路由驅(qū)動芯片L298、光耦隔離電路及二極管橋式續(xù)流保護電路3部分組成。其中，驅(qū)動芯片L298為大功率電機專用,可直接驅(qū)動兩個直流電機，如圖5所示。在電路的輸入端處增加了光耦隔離，提高抗干擾性，如圖6所示。二極管橋式電路，在輸出端起續(xù)流保護作用，如圖7所示。

圖5 驅(qū)動芯片L298Fig.5 The drive chip

圖6 光耦隔離電路Fig.6 The circuit of optocoupler isolation

圖7 二極管橋式電路Fig.7 The circuit of diode bridge

直流電機驅(qū)動電路通過輸入PWM脈寬調(diào)制信號對電機進行調(diào)速控制，控制端高低電平轉(zhuǎn)換實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和停止。

3.2 下載燒錄和串口通訊電路

單片機開發(fā)的第一步是下載程序，需要將其他信號轉(zhuǎn)換成TTL電平，才能使單片機下載程序成功。下載燒錄主要核心芯片是CH340，該芯片是將USB信號轉(zhuǎn)換成TTL電平，實現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。其電路原理圖如圖8所示。

圖8 下載燒錄和串口通訊電路Fig.8 The circuit of download burning and serial communication

3.3 電源電路

剪枝機器人采用12V航模鋰電池供電，電池12V電壓經(jīng)過降壓芯片LM2596構(gòu)成的電路,實現(xiàn)DC- DC降壓轉(zhuǎn)換，從12V轉(zhuǎn)換到5V，再經(jīng)過DC-C轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。外圍電路對芯片存在很大的干擾，需要加濾波電容。其電路原理圖如圖9所示。

4 軟件設(shè)計

軟件部分包括上位機軟件系統(tǒng)和下位機軟件系統(tǒng)。上位機軟件系統(tǒng)主要包括圖像處理模塊和通信模塊；下位機軟件系統(tǒng)主要包括機械臂和剪枝器的控制模塊。剪枝機器人能正常穩(wěn)定運作，是依靠各個子程序的正確調(diào)用，并構(gòu)造閉環(huán)根據(jù)信號反饋實時調(diào)整姿態(tài)和修改控制指令。系統(tǒng)開機運行后,運行主程序，上位機收到下位機信號后去采集圖像，并對圖像進行處理，處理完后做出決策，傳給下位機去執(zhí)行剪枝動作。系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。

圖9 電源電路Fig.9 Power supply circuit

圖10 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.10 The main program flow chart of the system

5 測試與結(jié)果分析

為了驗證該剪枝機器人圖像識別技術(shù)的可靠性，在樹莓試驗田對該機器人進行了圖像識別實驗，測試其識別成功率。在不同時間段進行6次實驗，每次拍攝60張照片，然后利用圖像處理進行識別。處理工作完成以后，記錄需剪枝條量、識別到的應(yīng)修剪量。其中，需剪枝條量是人工標(biāo)記的弱損枝的數(shù)量；識別到的應(yīng)修剪量是經(jīng)過圖像處理后識別到的弱損枝的數(shù)量，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 剪枝機器人剪枝實驗結(jié)果Table 1 The pruning test results of the pruning robot

續(xù)表1

由表1可以看出：該機器人圖像識別成功率很高，識別成功率最低為84.75%，可靠性強，符合設(shè)計要求，可見該樹莓剪枝機器人有較強的實用性。

6 結(jié)論

為了解放人力，實現(xiàn)樹莓定植修剪的機械化和自動化，本研究設(shè)計了樹莓剪枝機器人。該機器人采用機器視覺技術(shù)，運用顏色模型和多種算法進行圖像處理，串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)信息處理，工作效率高。該機器人機械結(jié)構(gòu)簡單靈活、運動速度快，定植剪枝成功率高，對于農(nóng)業(yè)剪枝機器人準(zhǔn)確快速識別目標(biāo)，并進行正確剪枝作業(yè)具有很大參考價值，同時對智能剪枝的發(fā)展具有非常重要的意義。