基于物聯(lián)網(wǎng)感知的草莓采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

李澤宇，解迎剛，曹滿(mǎn)鑫，羅 萌，張子軒

（北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101）

0 引 言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界草莓總產(chǎn)量約為5 000萬(wàn)噸/年，而我國(guó)則占到了約700萬(wàn)噸/年。草莓采摘作業(yè)是當(dāng)前果蔬生產(chǎn)過(guò)程中比較費(fèi)時(shí)和費(fèi)力的環(huán)節(jié)。目前，草莓采摘主要依賴(lài)于人工作業(yè)，由果農(nóng)直接將草莓從植株上采摘下來(lái)。然而人工采摘作業(yè)存在成本偏高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘不及時(shí)等弊端。同時(shí)，當(dāng)前我國(guó)人口老齡化現(xiàn)象較嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口驟減。而隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)采摘作業(yè)將逐漸代替人類(lèi)進(jìn)行作業(yè)，可以大大降低采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，進(jìn)行草莓采摘作業(yè)自動(dòng)化的研究對(duì)于社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

然而，草莓的大小和顏色呈現(xiàn)非規(guī)則、非一致等特性，其生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和農(nóng)田環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)共同決定了采摘設(shè)備的開(kāi)發(fā)有一定的難度；而且由于草莓果實(shí)生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜，加之草莓果實(shí)生長(zhǎng)密集，果實(shí)之間的遮擋問(wèn)題很?chē)?yán)重，給圖像處理帶來(lái)許多困難。雖然目前已有學(xué)者進(jìn)行基于機(jī)器視覺(jué)方面的研究，但目前大多停留在某一方面理論層次的研究，如單純的雙目定位、機(jī)械手采摘路徑優(yōu)化等，而進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用開(kāi)發(fā)的研究很少。當(dāng)前極個(gè)別的物化的應(yīng)用研究均利用了基于PC上位機(jī)的OpenCV，即首先利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)進(jìn)行圖像處理，然后進(jìn)一步通過(guò)控制采摘機(jī)械手對(duì)果實(shí)進(jìn)行采摘。此舉導(dǎo)致采摘設(shè)備開(kāi)發(fā)成本高、體積大和功耗高，給自動(dòng)化采摘作業(yè)的推廣應(yīng)用帶來(lái)新問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于DSP的低功耗、小體積、低成本的草莓采摘機(jī)器人。實(shí)踐表明，該機(jī)器人對(duì)提高草莓采摘?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率、降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本，提高我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)施的現(xiàn)代化和智能化水平、加快農(nóng)業(yè)科學(xué)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人主要包括上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊。

上位機(jī)模塊主要包括：TMS320DM642圖像處理模塊、圖像采集模塊、視頻解碼模塊、電源模塊、視頻編碼模塊、顯示模塊和串行通信模塊等。

下位機(jī)模塊主要包括：STM32F103主控模塊、電源模塊、串行通信模塊、三維滑臺(tái)、采摘機(jī)械手、傳感器模塊、滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器和燈光補(bǔ)償模塊等。

上位機(jī)和下位機(jī)主要通過(guò)RS 232串行通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)中的圖像采集模塊采集待采摘區(qū)域的圖像后，通過(guò)視頻解碼模塊將視頻的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入TMS320DM642圖像處理模塊。TMS320DM642圖像處理模塊一方面通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓果實(shí)進(jìn)行提取輪廓、形心位置確定、立體匹配和計(jì)算草莓果實(shí)的三維空間坐標(biāo)等處理和將計(jì)算后的數(shù)字信號(hào)傳輸至視頻編碼模塊。視頻編碼模塊將處理后的草莓果實(shí)圖像再次轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并送至顯示器進(jìn)行顯示，以便開(kāi)發(fā)人員調(diào)試。另一方面，TMS320DM642圖像處理模塊將計(jì)算出的草莓果實(shí)的空間三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)通過(guò)串行通信發(fā)送至下位機(jī)STM32F103主控模塊。在這個(gè)過(guò)程中，電源模塊為上位機(jī)子模塊提供電能。

下位機(jī)中的STM32F103主控模塊通過(guò)串行通信口接收到來(lái)自TMS320DM642發(fā)送的草莓果實(shí)三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)后提取坐標(biāo)的有效值；然后通過(guò)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)三維滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)至帶采摘草莓果實(shí)的正前方位置；之后，STM32F103主控模塊控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械手對(duì)草莓果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確抓取和采摘；最后將草莓果實(shí)送入集果箱中。在下位機(jī)工作過(guò)程中，電源模塊為下位機(jī)系統(tǒng)提供電能，同時(shí)碰撞傳感器和觸碰傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)三維滑臺(tái)是否到達(dá)端點(diǎn)，觸碰傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)采摘機(jī)械手在對(duì)草莓果實(shí)進(jìn)行抓取時(shí)，機(jī)械手的兩個(gè)手掌是否已經(jīng)接觸到草莓果實(shí)。燈光補(bǔ)償模塊能夠使使TMS320DM642圖像處理模塊更好地對(duì)外界圖像進(jìn)行處理，減少外界光源對(duì)系統(tǒng)的干擾。

本文設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 草莓采摘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)框圖

基于圖像處理的采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程如圖2所示。主要步驟包括上下位機(jī)的硬件搭建、雙目攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定等。其中，硬件搭建還包括DSP與STM32F103之間的串行通信，數(shù)字圖像采集還包括將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入DSP中。

圖2 基于圖像處理的采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)通過(guò)使用DSP代替原有的需要依賴(lài)OpenCV進(jìn)行圖像處理的計(jì)算機(jī)，利用低成本、小體積的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)了雙目攝像機(jī)圖像采集。

本設(shè)計(jì)完成的主要工作有：

（1）進(jìn)行了系統(tǒng)整體的硬件方案的選擇和設(shè)計(jì)；

（2）通過(guò)VC實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙目攝像機(jī)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)的獲取和校正；

（3）利用DSP控制雙目攝像機(jī)進(jìn)行雙路視頻采集并對(duì)采集的圖像進(jìn)行了閾值分割、索貝爾邊緣處理、中值濾波等操作，并通過(guò)處理后的圖像找到了形心；

（4）實(shí)現(xiàn)了利用DSP對(duì)特征點(diǎn)的簡(jiǎn)單匹配及三維重建處理，并能簡(jiǎn)單的進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算和將計(jì)算結(jié)果輸送至控制器；

（5）實(shí)現(xiàn)了DSP與控制器之間的通信，下位機(jī)能根據(jù)通信數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維滑臺(tái)和機(jī)械手的控制；

（6）實(shí)現(xiàn)了DSP和控制器能協(xié)調(diào)工作，完成對(duì)某一區(qū)域內(nèi)草莓的采摘工作。

本系統(tǒng)在選型的時(shí)候就考慮到了農(nóng)業(yè)工作環(huán)境的復(fù)雜性，并且盡可能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和工作效率。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有草莓采摘設(shè)備存在開(kāi)發(fā)成本高、體積大和功耗高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于DSP的草莓采摘機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，其對(duì)提高草莓采摘率，降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本，提高我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)施的現(xiàn)代化和智能化水平，加快農(nóng)業(yè)科學(xué)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。