馬　將，文宇橋，詹　旭

(四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢　643000)

?

基于DSP信號(hào)實(shí)時(shí)編碼的采摘機(jī)器人避障控制研究

馬將，文宇橋，詹旭

(四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川 自貢643000)

摘要：為了提高采摘機(jī)器人成功避障的性能，在采摘機(jī)器人機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中引入了DSP實(shí)時(shí)編碼技術(shù)，通過(guò)對(duì)成熟果蔬圖像和視頻的實(shí)時(shí)編碼，獲取果蔬位置和障礙物位置，達(dá)到成功避障的目的。根據(jù)機(jī)器人視頻采集驅(qū)動(dòng)的軟件架構(gòu)，對(duì)采集驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了改造，在不增加前端外設(shè)的前提下實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)降幀，并根據(jù)DSP芯片的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)時(shí)編碼器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大提高了高分辨率圖像實(shí)時(shí)編碼的速率。最后，對(duì)機(jī)器人的距離位置測(cè)量和避障功能進(jìn)行了測(cè)試，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：在1.20～2.00m的距離范圍內(nèi)，測(cè)量的距離和實(shí)際距離的最大偏差不超過(guò)0.03m，6組避障測(cè)試中機(jī)器人成功避障的概率較高，其中最低也達(dá)到了97.28%，符合設(shè)計(jì)的要求。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；實(shí)時(shí)編碼；機(jī)器視覺(jué)；降幀處理；避障控制

0引言

基于DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)H.264編碼器具有高性能、低成本等特點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足圖像和視頻實(shí)時(shí)編碼的需求，是機(jī)器人避障編碼的一種理想的解決方案。本文選取的TMS320DM642是Ti 公司C64X系列中比較經(jīng)典的一款DSP芯片，采用兩級(jí)Cache的哈佛結(jié)構(gòu)及甚長(zhǎng)指令字和單指令多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線， 其性能超越了傳統(tǒng)的多媒體處理器。本文將DSP平臺(tái)應(yīng)用在了機(jī)器人機(jī)器視覺(jué)的圖像和視頻處理技術(shù)中，利用實(shí)時(shí)編碼的方式獲取成熟果蔬的具體位置，并利用勢(shì)函數(shù)方法作為避障算法，以期提高采摘機(jī)器人的作業(yè)效率和作業(yè)精度。

1采摘機(jī)器人避障控制總體設(shè)計(jì)

果蔬采摘機(jī)器人采摘過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)其避障功能，將其設(shè)計(jì)成由4部分組成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括5自由度的機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)，采摘過(guò)程如圖1所示。在機(jī)器人進(jìn)行采摘時(shí)，機(jī)器人首先停靠在距離母樹(shù)距離為3～5m時(shí)，操縱機(jī)械手利用回轉(zhuǎn)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)定位，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，準(zhǔn)備采摘。

在采摘作業(yè)過(guò)程中，利用DSP與信號(hào)實(shí)時(shí)編碼控制機(jī)械手到達(dá)一定的高度后，機(jī)械手末端張開(kāi)，并開(kāi)始擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)采摘樹(shù)枝；然后利用避障功能躲開(kāi)樹(shù)枝，再用手指摘取果實(shí)，其避障流程如圖2所示。

圖1　采摘機(jī)器人作業(yè)過(guò)程示意圖

圖2　采摘機(jī)器人避障過(guò)程示意圖

由圖2可以看出：利用速度、圖像和角度傳感器，獲取機(jī)器人動(dòng)作參數(shù)和障礙物圖像后，通過(guò)DSP信號(hào)實(shí)時(shí)編碼，采用避障勢(shì)函數(shù)算法，利用變頻器控制電機(jī)，向執(zhí)行末端發(fā)出命令，可以成功地躲避障礙物。

圖3為圖像DSP實(shí)時(shí)編碼的流程圖。為了實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)編碼，利用一定的延遲和VPort口的主動(dòng)降幀，對(duì)高清的(1024×768)60Hz的視頻圖像，視頻采集幀率可以穩(wěn)定在30幀的目標(biāo)幀率，提高了實(shí)時(shí)編碼的效率。

圖3　圖像降幀實(shí)時(shí)編碼流程圖

2采摘機(jī)器人避障結(jié)構(gòu)和控制算法設(shè)計(jì)

為了使采摘機(jī)器人能夠成功地躲避障礙物，需要對(duì)機(jī)器人執(zhí)行末端結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括夾持結(jié)構(gòu)和切斷裝置，具體設(shè)計(jì)如圖4所示。

1.直流電機(jī)　2.蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)　3.鋼絲軟管傳動(dòng)　4.刀架與刀片

其中，設(shè)計(jì)氣缸的活塞桿通過(guò)銷(xiāo)軸與兩手指后端滑槽的高副連接，從而把直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)桿轉(zhuǎn)換成了繞轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)，利用滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果蔬的夾持。在手指圓弧內(nèi)使用橡膠層，保障了抓取過(guò)程中夾緊力的均勻分布，避免了果蔬的損傷；橡膠層還增大了果蔬與手指間的摩擦力，使夾緊更加可靠。

夾持裝置需要切割裝置的配合來(lái)完成果蔬的采摘。目前切割裝置主要有兩種方式：一種是利用機(jī)器人手腕和軸關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)擰斷果柄，一般應(yīng)用在果柄較易斷裂的水果，如番茄等；但對(duì)于果柄柔性較大的裝置，其操作空間較大，不利于機(jī)器人的避障。另一種方法是利用切刀對(duì)果柄進(jìn)行切斷，這種方式對(duì)果蔬的定位要求較高，但手握需要有必要的自由度；雖然采摘成功率較高，但是采摘效率較低，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜?；诖耍O(shè)計(jì)了如圖5所示的果柄切割裝置。

1.直流電機(jī)　2.微型蝸輪蝸桿減速器　3.鋼絲繞盤(pán)　4.鋼絲

切割裝置采用直流電機(jī)作為切割動(dòng)力的來(lái)源，并利用軟管鋼絲作為傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)刀片繞手指外做1周的旋轉(zhuǎn)，可以完成手指周?chē)我馕恢霉那懈?。這樣設(shè)計(jì)可以減少檢測(cè)果柄范圍和調(diào)整機(jī)械手姿態(tài)的裝置的設(shè)計(jì)，使裝置更加簡(jiǎn)單、動(dòng)作效率更高。同時(shí)，刀片使用楔形刀片，這種切割方式使切割過(guò)程中的果柄與刀刃存在滑動(dòng)，更加有利于果柄的切斷，提高了采摘的成功率。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能，需要采用一定的算法規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的動(dòng)作路徑，本文使用人工勢(shì)場(chǎng)法對(duì)機(jī)器人的避障行為進(jìn)行設(shè)計(jì)。其基本思想是構(gòu)造這樣的人工勢(shì)場(chǎng)，使得在該勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人受到其目標(biāo)位姿引力場(chǎng)和障礙物周?chē)饬?chǎng)的共同作用，無(wú)碰撞路徑規(guī)劃可以通過(guò)搜索函數(shù)的下降方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。

假定采摘作業(yè)機(jī)器人的連桿均為直桿，其工作空間可以看作每個(gè)障礙物都包含在1個(gè)球中，可以利用障礙物和機(jī)器人之間的幾何關(guān)系構(gòu)造避障函數(shù)。其中，連桿和障礙物之間的距離為

(1)

其中，i=1,2,3,…，n；k=1,2,3,…，n；k表示障礙數(shù)，n表示關(guān)節(jié)連桿數(shù)，Oi表示障礙物的位置矢量，Pj表示關(guān)節(jié)j的位置矢量。

圖6為采摘機(jī)器人機(jī)械手和障礙物的位置示意圖。機(jī)械手關(guān)節(jié)與障礙物距離為

d1ij=Pj-Oij=2,3,…,n+1

(2)

其避障勢(shì)函數(shù)為

(3)

當(dāng)(d1ij-ri-si)<0，且Dij位于Pj和Pj+1之間時(shí)，F(xiàn)ij1(q)=(d1ij-ri-si)2，否則Fij1(q)=0；當(dāng)(d2ij-ri-si)<0時(shí)，F(xiàn)ij2(q)=(d1ij-ri-si)2，否則Fij2(q)=0。其中，W1和W2表示正的常數(shù)，ri表示球體的半徑，si表示安全因子，Dij表示連桿j經(jīng)過(guò)障礙物i的中心垂線的垂足。

人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)于自由空間法而言更適合于動(dòng)態(tài)環(huán)境及多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的避碰路徑規(guī)劃，因此本文選取該方法作為避障算法，可以有效提高采摘機(jī)器人避障的準(zhǔn)確率。

圖6　采摘機(jī)器人機(jī)械手與障礙物位置示意圖

3采摘機(jī)器人避障功能測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人避障功能的有效性和可靠性，本文首先對(duì)其DSP視頻和圖像信號(hào)實(shí)時(shí)編碼系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)避障功能結(jié)果進(jìn)行分析。其中，果樹(shù)的采摘范圍如圖7所示。

圖7　果樹(shù)采摘范圍標(biāo)定

在采摘機(jī)器人避障過(guò)程中，需要重復(fù)考慮搜索范圍?？紤]到蘋(píng)果采摘的搜索范圍， 需要同時(shí)引入3個(gè)宏塊行的數(shù)據(jù)，其中1 024×768分辨率視頻半行數(shù)據(jù)為包含32個(gè)宏塊。機(jī)器人對(duì)于圖像和視頻的處理流程如圖8所示。

圖8　DSP幀編碼流程圖

圖8中，采用單幀參考的方法，將步長(zhǎng)量化選擇為25，結(jié)合視頻的降幀和視頻采集驅(qū)動(dòng)，對(duì)高分辨率的采摘圖形進(jìn)行分析，采摘試驗(yàn)選用蘋(píng)果采摘作為研究對(duì)象，采摘過(guò)程如圖9所示。

為了對(duì)高清圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，采用DSP實(shí)時(shí)編碼的形式，并對(duì)編碼后的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像分割，成熟蘋(píng)果圖像分割后的效果如圖10所示。

為了提取出成熟果實(shí)的圖像，采用DSP實(shí)時(shí)編碼分割技術(shù)，通過(guò)分割得到了蘋(píng)果的二值化圖像。由圖10可看出：待采摘蘋(píng)果圖像的輪廓清晰，可以被機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)所識(shí)別。

圖9　機(jī)器人蘋(píng)果采摘實(shí)驗(yàn)

圖10　圖像分割結(jié)果

表1為利用DSP對(duì)蘋(píng)果采摘視頻和圖像進(jìn)行編碼測(cè)試得到的結(jié)果。通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的平均PSNR損失較小，小于0.5dB，碼率的增加也不大，其數(shù)值小于碼率5%；而可將編碼速度提高了2.98 倍，可以實(shí)現(xiàn)25幀/s的編碼速率。

表1　DSP實(shí)時(shí)編碼測(cè)試結(jié)果

表2為障礙物測(cè)量距離和時(shí)間偏差的測(cè)試結(jié)果。由表2可以看出：在1.20～2.00m的距離范圍內(nèi)，測(cè)量的距離和實(shí)際距離的最大偏差不超過(guò)0.03，而蘋(píng)果的直接一般在0.1m，所以可以滿(mǎn)足采摘需求。

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人成功避障的概率，對(duì)不同采摘時(shí)間的避障率進(jìn)行了6組測(cè)試，通過(guò)測(cè)試得到了如表3所示的結(jié)果。由表3可以看出：6組測(cè)試中機(jī)器人成功避障的概率的較高，其中最低也達(dá)到了97.28%，符合設(shè)計(jì)的要求。

表2障礙物測(cè)量距離和實(shí)際距離偏差表

Table 2The deviation of distance and actual distance of obstacles

m

表3　采摘時(shí)間和成功避障率測(cè)試

4結(jié)論

基于DSP實(shí)時(shí)編碼技術(shù)，結(jié)合視頻和圖像處理技術(shù)，根據(jù)機(jī)器人視頻采集驅(qū)動(dòng)的軟件架構(gòu)，對(duì)采摘機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使機(jī)器人具有了實(shí)時(shí)躲避障礙物的功能，提高了機(jī)器人采摘的效率和采摘質(zhì)量。

為了驗(yàn)證機(jī)器人避障功能的有效性和可靠性，對(duì)機(jī)器人的避障功能進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：測(cè)量距離和實(shí)際距離的誤差不超過(guò)0.03m；而對(duì)6組機(jī)器人避障的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其成功避障率不低于97.28%，成功避障率較高，為機(jī)器人避障功能的設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉繼展，李萍萍，李智國(guó).番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(3):109-112.

[2]蔣煥煜,彭永石,申川，等.基于雙目立體視覺(jué)技術(shù)的成熟番茄識(shí)別與定位[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008, 24(8):279-283.

[3]蔡健榮,李玉良,范軍，等.成熟柑橘的圖像識(shí)別及空間定位研究[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007,23(12-1):224-225,314.

[4]司永勝,喬軍,劉剛，等.基于機(jī)器視覺(jué)的蘋(píng)果識(shí)別和形狀特征提取[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009,40(8):208-213.

[5]吳修文,馮曉霞,孫康嶺,等.農(nóng)用機(jī)器人導(dǎo)航電子地圖的研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程,2010(3):40-42.

[6]韓高樓.GPS定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)[J].陜西建筑,2010(2):56-58.

[7]欒寶寬, 田華明,張磊.GPS定位誤差的影響因素分析[J].中國(guó)科技信息,2010(9):132-133.

[8]陳文良,謝斌,宋正河，等.拖拉機(jī)電控液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(10):122-124.

[9]徐文兵,高飛.天寶Trimble AgGPS 332 單點(diǎn)定位在林業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用探析[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2010, 27(2):310-315.

[10]張楠，董曉晶，張健.WGS-84 坐標(biāo)系與BJ-54 坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法及精度探討[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2009,31(12):162-164.

[11]段瑞玲,李慶祥,李玉和.圖像邊緣檢測(cè)方法研究綜述[J].光學(xué)技術(shù),2005(3):415-419.

[12]魏偉波,芮筱亭.圖像邊緣檢測(cè)方法研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2006(30):88-91.

[13]宏福.圖像邊緣分割算法的優(yōu)化研究與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2011(8): 280-283.

[14]袁春蘭,熊宗龍.基于Sobel算子的圖像邊緣檢測(cè)研究[J]河?？萍即髮W(xué)學(xué)報(bào),2009,30(6): 31-48.

[15]韋艷,陳華根.GPS定位顯示中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[J].海洋繪,2010,30(3):16-19.

[16]郝冬,劉斌.基于模糊邏輯行為融合路徑規(guī)劃方法[J].計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì),2009,30(3):660-663.

[17]王建軍,武秋俊.機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(7):174-176.

[18]王儉,趙鶴鳴,陳衛(wèi)東.基于子區(qū)域的機(jī)器人全覆蓋路徑規(guī)劃的環(huán)境建模[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)：工程技術(shù)版,2004,17(1):72-75.

[19]馮秀軍,楊立東.2BDY-8型2壟密型高速氣吹式精密播種機(jī)簡(jiǎn)析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2007(8):85-86.

[20]王建軍,武秋俊.機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(7):174-176.

[21]郝冬,劉斌.基于模糊邏輯行為融合路徑規(guī)劃方法[J].計(jì)算機(jī)工程設(shè)計(jì),2009,30(3):660-663.

[22]王建軍,武秋俊.機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(7):174-176.

Research on Obstacle Avoidance Control of Picking Robot Based on DSP Signal Real-time Coding Technology

Ma Jiang, Wen Yuqiao, Zhan Xu

(School of Automation and ElectronicInformation,Sichuan University of Science & Engineering,Zigong 643000,China)

Abstract：In order to improve the picking robot successfully obstacle avoidance performance,it takes machine vision technology and DSP real-time encoding technology into picking robot.Through real-time encoding of mature fruit images and video,it can obtain the fruits and vegetables position and the obstacle position to successfully avoid obstacles.According to the software architecture for robot video capture driver,under the condition of not increasing front-end peripherals to achieve the initiative to drop frame,it drives the collection transformation.According to the characteristics of DSP chip, the real-time encoder of optimization was designed. It greatly increased rate of high resolution real-time image coding. Finally,the robot location of the distance measurement and obstacle avoidance capabilities were tested, it is found that within the distance is with the range of 1.20-2.00m.Measurement of the distance and the actual distance of the maximum deviation less than 0.03m,six groups of obstacle avoidance test robot successfully avoided obstacles with the higher probability,reached a minimum of 97.28% and met the design requirements.

Key words：picking robot; real-time encoding; machine vision; frame reduction; obstacle avoidance control; DSP

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0234-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S225;TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：馬將(1978-)，男，河北安國(guó)人，講師，碩士，(E-mail)gnaijam@126.com。

基金項(xiàng)目：四川省教育廳項(xiàng)目(14ZB0223)

收稿日期：2015-06-18