授花粉競賽機器人設計

劉天悅，張 碩，史穎剛，劉 利

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

1 問題的提出

機器人競賽是高校開展大學生創新實踐的優良載體，有助于深化高等教育深層次改革，激發大學生科技創新積極性[1]。

授花粉機器人競賽是中國機器人大賽農業賽項的子項目，競賽場地如圖1所示。A、B、C、D四區，采用白板筆在雌蕊上做標記模擬人工授粉；E區采用無人機模擬風媒授粉。

授花粉機器人從開始區出發，經過四個區域，對不同類型的作物對靶授粉，到達終點區；E區無人機從起點區出發，依靠機器視覺[2]識別比賽場地標識并校正飛行軌跡，利用產生的氣流模擬風媒授粉，遍歷E區后，停靠在無人機終點區，比賽結束。

圖1 授花粉機器人比賽場地

A、B、C、D區的花分為雄花和雌花，E區的花為雌雄同體花，花朵樣式如圖2所示。

圖2 花朵樣式

本文設計了授花粉機器人機械結構，搭建機器人控制系統，設計手眼協調算法，實現機器人授花粉競賽功能，并通過參賽驗證設計的有效性。

2 機械結構設計

設計的授花粉機器人整體結構如圖3所示。機器人車體底板20由鋁合金板材制成，兩個實心橡膠車輪13和18對稱分布在車體前端，后接萬向輪10；底板前端安裝八路循跡傳感器17，左右兩側對稱安裝光電開關14和19，構成傳感導航模塊引導機器人底盤循航。

執行機構為四自由度機械臂，包括旋轉云臺9和三自由度連桿機構3，連桿機構可繞旋轉云臺轉動，由關節舵機4和5、U型支架6、矩形側板7以及關節舵機8組成。舵機控制各轉動副，可使機器人針對不同方向和高度的授粉靶標靈活完成授粉動作。旋轉云臺基座12與車體底板20連接。

1-OpenMV; 2-白板筆; 3-連桿機構; 4,5,8-關節舵機;6-U型支架; 7-矩形側板; 9-旋轉云臺; 10-萬向輪;11-云臺舵機;12-云臺基座; 13,18-車輪; 14,19-光電開關; 15,16-步進電機;17-八路循跡傳感器;20-底板

3 控制系統設計

機器人以STM32為主控制核心，控制系統架構如圖4所示。機器人工作時，主控制器向步進電機驅動器發送信號，實現機器人底盤基本運動。在引導線區域，八路循跡傳感器返回信號給主控制器，引導機器人底盤循跡；無引導線時，由電子羅盤MPU9250和步進電機上搭載的霍爾編碼器實時傳輸機器人的姿態、速度和位移信息，便于車體位置調整[3]。

機器人采用光電開關檢測前方障礙物。主控制器根據光電開關返回信號判斷是否到達授粉點，到達授粉點后關閉定時器，停止底盤運動，并向舵機驅動器發送信號，執行機構根據手眼協調算法對靶授粉。完成授粉任務后，主控制器開啟定時器，驅動底盤運動，機器人按照競賽要求完成后續任務。

圖4 授花粉機器人控制系統架構

3.1 底盤基本運動控制

機器人底盤結構分布如圖5所示，由57步進電機驅動車輪，采用TB6600電機驅動器，驅動器與主控制器的IO口相連。主控制器開啟或關閉內部定時器實現底盤啟停；向步進電機驅動器的PUL端口發送PWM波，實現電機調速；向步進電機驅動器的DIR端口發送高低電平信號，控制電機正反轉，實現機器人底盤基本運動。

圖5 機器人底盤結構分布

3.2 循跡路徑規劃

授花粉機器人底盤前端裝有八路循跡傳感器S308，從左至右依次為L4～L1和R1～R4。基于循跡的路徑規劃流程如圖6所示。

圖6 基于循跡的路徑規劃流程

主控制器把連接八路循跡的IO口設置成浮空輸入，讀取信號，判斷循跡傳感器工作狀態。循跡傳感器初始信號為高電平信號，當識別到引導線時，經過觸發器整形，向主控制器發送低電平信號。當L1和R1分別向主控制器發送高電平信號和低電平信號時,車體左偏，主控制器控制左輪加速、右輪減速；當L1向主控制器發送低電平信號時，主控制器控制兩車輪同速正轉，完成車體位置校正；反之亦然。

3.3 執行機構基本運動

授花粉機器人執行機構采用LSC-16舵機驅動器控制,使用舵機轉動控制模式和動作組控制模式。舵機轉動控制模式用于微調舵機轉動角度和速度，使執行機構末端接近最佳授粉位置；動作組控制模式由上位機調試舵機轉動速度和角度，控制舵機按照預先調試好的固定動作運行。

舵機驅動器與主控制器串口通信，通信參數為波特率9600，停止位1位，數據位8位，無奇偶校驗位，接收數據幀格式如表1所示。舵機轉動控制模式和動作組控制模式下，分別采用指令CMD_SERVO_MOVE和指令CMD_ ACTION_GROUP_RUN 。

表1 舵機驅動器接收數據的幀格式

3.4 對靶授粉

將OpenMV和白板筆安裝在執行機構末端可方便機器人對靶授粉，為能準確識別花蕊并對雌蕊授粉，設計手眼協調算法，控制流程如圖7所示。

串口初始化后，主控制器向舵機驅動器發送信號，執行機構末端接近花蕊。OpenMV根據面積判斷是否雌蕊，如果不是雌蕊，向主控制器發送信號，執行機構末端接近下一個花蕊，直至OpenMV識別到雌蕊，并將面積發送給主控制器。

通過上位機預先調試執行機構最佳位置，將OpenMV識別到的花蕊理論面積存儲在主控制器中。主控制器根據雌蕊實際面積與理論面積的差值，微調末端執行機構，直至實際面積大于理論面積，停止微調，對靶授粉。執行機構接近花蕊和執行授粉動作以動作組控制模式實現，執行機構微調以任意舵機轉動控制模式實現。

為使OpenMV能穩定準確識別花蕊并確定雌蕊面積，使用灰度圖像處理[4]，并加入濾波算法和白平衡增益。

圖7 手眼協調算法控制流程

4 結語

根據機器人競賽要求，設計了授花粉競賽機器人的機械結構和控制系統，結合視覺識別模塊、傳感導航模塊和手眼協調算法，實現了機器人的競賽功能。搭載競場地進行上百次實地測試，結果表明，該機器人能順利快速完成競賽要求。本文設計的授花粉競賽機器人參加了2019中國機器人大賽并獲得冠軍，驗證了本設計的有效性，對相關競賽機器人設計有一定參考意義。