基于OpenMV的溫室噴霧機器人的系統設計

鄭承云，曹瀚文，金 敏，劉濤

(1.內蒙古農牧業技術推廣中心，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古農業大學機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

我國是農業大國，也是溫室栽培大國。目前國內溫室噴藥作業主要是人工作業，人工噴藥作業不僅成本高、效率低、造成藥液浪費，而且對長期在溫室密閉環境中農藥噴灑人員的健康造成嚴重傷害，農作物上殘留的過量農藥也會對食用者造成嚴重的危害。近年來隨著“精細農業”和“智慧農業”等理念的提出，溫室作業日益由機械化趨向于智能化。隨著我國大力推動人工智能化，完全由機器人代替人工作業已成為可能。

為解決上述問題，本文研究設計了溫室條件下的智能噴霧機器人。該機器人是巡跡磁條的導航系統(以下簡稱磁導航)、機器視覺的定位識別系統、多傳感器檢測系統的綜合應用，有著高效、精準、智能、成本低、無損傷等優點，具有廣闊的應用前景。

1 整體結構設計

智能噴霧機器人通過控制機器人的運動和舵機的轉動完成對目標作物的識別以及噴藥動作，整個系統包含了5個部分：OpenMV4-H7-Plus、噴霧控制模塊、機器人驅動模塊、人機交互模塊以及土壤環境檢測模塊。攝像頭隨著小車在溫室行進的過程中，利用采集到的圖像實時分析目標植株的位置，發送給單片機，單片機作為核心控制機械臂舵機運動，帶動噴頭運動到指定的目標作物的位置，并控制水泵進行噴霧。溫濕度傳感器把檢測到的溫室溫濕度數據通過單片機和無線接收模塊輸送給串口屏，可實現實時溫室環境的監測。系統原理如圖1所示。

2 導航系統設計

鑒于溫室地面環境復雜多變，對精度要求較高，機器人行駛的導航方式選擇磁導航技術。磁導航操作簡便，容易更改路徑，不會受到光照等環境因素影響[1]，具有良好的可靠性、魯棒性[2]。預先在溫室鋪設循跡磁條，磁導航傳感器安裝于前驅輪前部，引導機器人運動。機器人底座結構如圖2所示，2個前輪為驅動輪，通過差動轉速完成轉彎。機器人啟動后，機器人勻速行駛的速度為0.35 m/s，磁導航傳感器安裝于機器人前方位置，采集磁條信息。若方向正確，傳感器中部則獲得最大的磁條信息，從而保證行駛沒有偏離，繼續行駛；如果不是位于中央，則磁導航傳感器的其他部分獲得最大磁條信息，同時，將信息反饋給MCU，通過PID算法調整2個驅動輪的方向進行糾偏。

單片機（STM32F407ZGT6）經過串口轉RS485模塊與此導航傳感器進行通信。RS485采用半雙工方式進行通信，支持多點通信，傳輸距離遠，且只需要3根線就能實現雙向通信。

在使用磁傳感器進行巡線操作時，需要使用PID算法進行對小車運動方向的控制。PID控制算法是連續控制系統中技術最為成熟、應用最為廣泛的一種算法[3]。由PID控制器進行閉環控制，比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd為在線控制，Kp、Ki、Kd值的設定依據是工程整定法，即通過大量試驗比較不同參數，選擇最優解。本文機器人行駛算法流程如圖3所示。

運動方向閉環控制采用增量式PID控制算法［4］，控制式為:

式中：Kp：比例系數；Ki：積分系數；Kd：微分系數；Ti：積分時間常數；Td：微分時間常數；Ek：控制器第k次的輸出值。

3 噴霧定位系統設計

本文運用單目相機OpenMV對目標進行檢測，利用其顏色識別算法對所需要的目標進行識別，結合云臺控制，機器人運動時機械手能夠對目標作物進行識別追蹤，并且控制噴霧。攝像頭選擇OpenMV4-H7-Plus，其芯片是STM32F765VI ARM Cortex M7處理器，攝像頭像素達500萬，攝像頭芯片上的所有I/O引腳輸出電壓均為3.3V，且5V耐受。OpenMV攝像頭小巧輕便，低功耗且易于安裝，搭載了microPython解釋器，可以用高級語言Python，通過算法控制I/O引腳，完成對終端設備的控制。在該系統中使用了IDE中的圖像識別處理算法和舵機控制函數對目標作物進行動態的追蹤和識別。

系統的硬件主要是由視覺檢測和機械臂兩大部分構成，機械臂由PCB固定板、2個數字型號舵機MG996R和5V鋰電池構成。將焊接好插針的OpenMV攝像頭與車身上的PCB板連接。OpenMV首先脫機識別到目標植株色塊的CX，CY坐標(x坐標和y坐標)，解算后通過控制器發送控制信號給2個機械臂的舵機。該系統的硬件組成如圖4所示。

該系統的運行過程中，OpenMV攝像頭對需要識別的環境進行圖像采集，然后對環境中的目標作物進行識別和特征提取，當識別目標作物成功時，會用矩形將目標作物的中心坐標位置發送給機械臂從而實現動態跟蹤，并控制水泵開啟，實現噴霧。該檢測定位噴霧算法實現的流程如圖5所示。

噴霧機械臂設計為雙自由度運動系統，主要是靠STM32芯片完成控制工作。首先對目標的偏移誤差進行計算，由顏色識別得到的最大色塊中心點坐標作為變量計算出目標作物的運動趨勢，再運用PID算法來控制2個數字舵機運動。經計算后，噴霧桿長度選擇0.75 m，機器人的整機高度為0.55 m，將機械臂安裝于機器人頂部。水泵選取DY-2203型號農用微型直流隔膜水泵，采用一對MG996R數字舵機進行控制運動。

4 結論

本文設計了一款應用于溫室的智能噴霧機器人，該款機器人使用循跡磁條作為導航方式，PID算法控制運動方向，通過對目標植株的定位和識別，由STM32芯片完成機械臂的噴霧動作。該機器人各部分之間具有良好的協調性，裝置元件性能優越，價格便宜，可操作性強。試驗表明，該機器人的噴霧成功率和識別率較高，可滿足溫室噴霧作業的需求。