基于全自動枸杞采摘機器人的研究設計

李 慧，胡文婷，謝淑芬，袁紹秋

(新疆農業大學 計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

由于社會和經濟的發展,現代人對保健生活有了更高的需求，枸杞子不僅是名貴的中醫藥品和保健滋補品,還是中國主要功能型特色資源之一。枸杞子廣泛分布于中國寧夏和新疆等地,錯綜復雜的藤枝注定了枸杞子采摘的不易,而且受“無序花序、連續花果”等特性的影響[1],枸杞子采集過程需要多次完成，這不僅降低了枸杞子采集效率，也增加了枸杞子的生產成本,不利于枸杞子的生產開發。因此，研發一款能夠提高效率的全自動枸杞采摘機器人，對于中國枸杞子生產開發有著重要意義。

1 研究現狀

枸杞作為十分具有經濟和藥用價值的產物，在全世界享有盛譽，因此國內外對枸杞采摘機均有相關研究。

國外，枸杞種植地十分廣闊，土地平坦，適合寬距離種植枸杞作物。以美國為例，主要是以大型自走式枸杞采摘機為主[2]，采摘的核心使用的是振動方式，每當枸杞適季時，會用兩輛枸杞采摘車同時開入相鄰的枸杞地路中，以相同速度緩慢前進，然后安裝多層振動網，將振動網套入枸杞作物中，開啟振動采摘。雖然這種采摘方式快速，但是需要枸杞作物具有寬距離種植的特點。

國內枸杞地受地理環境影響，栽培地面積多為330棵/667m2，屬密植式栽培，目前主要的枸杞采摘機多為小型采摘機械，大致分為手持式力學振動型枸杞采摘機、手持式機械梳刷式枸杞采摘機和氣吸式枸杞采摘機3種[3]。手持式機械振動型枸杞采摘機，原理是通過高頻發生器和電機完成枸杞采集，包括偏心輪、連桿機構以及抓枝器等部分，以中國寧夏4ZGB-30型為例，當啟動機器并將枸杞樹枝放在抓枝器上時,高頻電壓就會推動偏心輪高速運動,繼而利用機器的連桿推動抓枝器實現高頻振蕩,從而使枸杞被震落[4]，但是這種方式會將同一枝條上未成熟的枸杞一起摘下，影響下一波落果率。手持式機械梳刷型枸杞采摘機的核心采摘部件為電動機、齒輪箱和刷頭，純機械式設計，對人工依賴十分強烈，當打開電源，電動機驅動齒輪箱運動，從而帶動刷頭逆向運動，利用適當的刷力將枸杞刷下，但這種采摘方式對枸杞枝條損傷較大。氣吸型枸杞采摘機采摘的核心為氣吸模塊，但質量小的枸杞或者葉子較易偏離枝條,同樣容易導致未成熟枸杞、葉片被采摘的概率增大[5]。

2 系統總體設計

通過對目前4類枸杞采摘機器的研究，發現不能完全解放雙手以及錯誤采摘未成熟果子仍是主要問題。綜合各類枸杞采摘機的優缺點，能夠最大程度地解放雙手，可以對枸杞進行識別的小型自走式機器人可能成為主流。因此，本文設計了一種新的全自動枸杞采摘機器人，主要采用OpenMV進行開發，由L298N電機驅動模塊、PCA9685舵機驅動模塊和采摘刷頭組成，系統結構如圖1所示。OpenMV利用自帶的攝像頭對枸杞進行顏色識別[6]，之后控制L298N驅動直流電機實現小車運動，再利用PCA9685通信控制舵機運行角度實現機械臂運動，采摘刷頭則同樣由OpenMV控制，實現采摘。

圖1 控制系統結構

3 相關模塊設計

3.1 OpenMv

OpenMV是一款功耗低、體積小的機器視覺模塊，采用C語言高效地實現了核心機器視覺算法，配有MicroPython解釋器，通過Python語言實現對OpenMV物理層的訪問與控制[7]，OpenMV具有UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC，GPIO等通信接口。本設計利用USB接口實現電腦與OpenMV的連接，在電腦中安裝OpenMV的集成開發環境IDE完成編程以及之后的調試和更新工作，以OpenMV為核心控制器，識別枸杞，輸出信號，對各個電機、舵機進行控制，達到小車運動、機械臂運行的目的。

3.2 圖像識別

圖像識別總體分3步：圖像的采集、處理和識別，其過程如圖2所示，利用攝像頭識別物體，通過算法進行目標的比較，對目標定位及跟蹤。

圖2 圖像識別過程

圖像處理是必不可少的一步，通過攝像頭采集光學信號，轉換為電信號，導入感光元件，令其初始化后，設置像素模式及分辨率。通過傳感器模塊從攝像頭獲取一幀圖像，用于設置感光元件的參數，可以進行圖片的預處理，然后通過使用Image模塊提供的辦法，獲取/設置像素點、獲取圖像的寬度和高度。將圖片轉換為二維數組，之后使用ROI選擇需要處理的圖像區域，然后根據相應的函數返回所要研究區域的對應值[8]。

圖像處理前需要對圖片進行壓縮，通過色域識別，可以利用LAB實現灰度圖以及二值化，把THRESHOLDS中閾值的圖像部分全部像素設置為1(白)，閾值外的部分設為0(黑)。OpenMV里的閾值選擇工具就可以獲取準確的LAB，快速地進行顏色閾值的調試。利用Find_blobs函數獲取需要查找的顏色，返回多個Blob列表。OpenMV擁有許多基本函數用于圖像處理，包括Image size、Sensor、噪聲去除、閾值分割函數等，能完全滿足枸杞識別的相關功能設計。

3.3 自走式設計

OpenMV識別到枸條后，計算出具體位置信息，結合L298N芯片、I2C總線通信等驅動直流電機帶動小車移動，實現自走式功能。小車自走式底盤采用直流電機控制，驅動板由L298N為主提供穩定的5 V電壓。L298N也是常用的實驗小車電源驅動模組,主要用于車輛底盤運動的開發,含有4個邏輯電平通道的驅動控制電路,可以順利驅動46 V，2 A以下的電機，其主要原理如圖3所示。

圖3 L298N電機驅動模塊

L298N分邏輯供應電壓和驅動供應電壓，一般情況下，驅動供應電壓都要大于邏輯供應電壓，其中驅動供應電壓的最大電壓可以達到36 V，而邏輯供應電壓則在4.5～36 V。本設計將2，3，13，14號引腳作為輸出腳，帶動兩個直流電機，將5，7，10，12作為輸入引腳，連接OpenMV控制器的I/O引腳，同時根據L298N的真值表使模塊作用，即高電平有效，6,11號引腳使能，從而帶動小車運動。

在確定2路電機轉動方向時，需要先設置L298N的IN1和IN2[9]，當使能端作用時，IN1為1，IN2為0，實現電機逆時針旋轉；IN1為0，IN2為1，實現電機順時針旋轉；使能EN端(PWM輸入端)還能利用PWM控制調速。PWM系統是在適當的通信頻率下,通過周期變化實現占空比的方法,來變化輸出的最大有效電流。在電動機控制系統中,占空比和直流電機的速度成正比,測試時通過改變PWM的電壓，可以讓電機輸出不同的轉速。

3.4 機械臂設計

枸杞采摘機械臂，其使用舵機供電電壓在5～7 V，也可以接受稍高的電壓。機械臂的每個動作都是舵機順序運行，4個舵機依次運行，為了防止出現機械臂運行故障，采用相對大功率的電源供電。OpenMV中自帶的3個引腳可以控制舵機，但是OpenMV引腳輸出的電壓較低，考慮到直接用OpenMV引腳供電，會出現舵機無法運行的問題，選擇了以PCA9685芯片為主的舵機驅動板。

PCA9685是一款輸出可調節、控制的芯片，使用I2C總線實現通信。本設計中取4路輸出端，均可自由調節PWM的頻率(40～1 000 Hz)和占空比(0%～100%)。編程實現對各個舵機角度的控制，舵機轉動角度通過輸出同周期內高電平占周期時間的比例來實現。一般舵機需要的頻率為50 Hz，其計算公式為[10]：

其中頻率設定寄存器(地址為0XFEH)中寫入的值為Prescal，主控芯片的時鐘信號為EXTCLK，refresh_rate為期望得到的PWM脈沖頻率[10]，本設計中的舵機為50。

本設計中只使用了4個通道，在未來的設計中可以再加入多個舵機，增加自由度。機械臂需要的4個舵機的控制信號的周期為20 ms，0.5～2.5 ms的邏輯高電平在20 ms中的占比寬度，對應舵機的旋轉角度0o～180o,并表現為線性變化。

I2C總線實現OpenMV與PCA9685芯片的通信。I2C總線具有操作簡單、方便有效的優點，可以使電路設計更加簡單，減少線路的復雜性。I2C的寫操作如圖4所示，讀操作如圖5所示。

圖4 發送數據

圖5 接收數據

SCL與SDA兩根線上可以連接多個外部設備器件，每個外部設備都有自己的地址，I2C總線通過地址區分辨認外部設備器件。

通過I2C總線協議與OpenMV控制舵機，以PCA9685控制芯片為基礎，實現對機械臂運動的控制。機械臂的運動主要模仿手持式枸杞采摘器采摘枸杞的過程，在機械臂頭部安裝了枸杞采摘刷頭，當全自動枸杞采摘機器人識別并運動到枸杞前時，機械臂開始運動，同時采摘刷頭進行工作。

3.5 采摘頭設計

常見的枸杞采摘頭有氣吸式、梳刷式和振動式，本設計采用的是旋轉振動式刷頭，既彌補了氣吸式強依賴電源的特點，又減緩了梳刷式對手動的高要求。刷頭主要部署在一個電機上，隨著電機的旋轉，刷頭利用慣性不斷振動，達到采摘枸杞的效果，如圖 6所示。刷頭采用硅膠材料，隨著轉速的不同，硅膠質感也有所不同。枸杞因生長習性的影響，常見的金屬條振動容易將未成熟的枸杞震落，影響枸杞出果率，而氣吸式容易對葉子枝條造成一定損害，影響來年結果率[11]，因此介于中間的硅膠材質是最好的選擇。針對不同生成狀況的枸杞林，可以綜合測試出一個適當的轉速，以達到最符合枸杞生態的采摘。

圖6 采摘結構

4 結語

本文通過對各類枸杞采摘機的結構和原理研究，綜合設計了一種全自動枸杞采摘機器人，彌補了以前不能完全解放雙手，采摘效率低下，錯誤采摘未成熟果子的缺點。該全自動枸杞采摘機器人主要使用視覺識別方案，基于OpenMV進行開發，利用自帶的攝像頭對枸杞進行顏色識別，結合L298N和PWM對各電機和舵機進行控制，實現對小車的運動控制。機械臂驅動選擇了以PCA9685芯片為主的舵機驅動板，I2C總線進行OpenMV和舵機的通信，采摘刷頭選用旋轉電機的振動方式。經測試，該全自動枸杞采摘機器人各類功能初步完成。