周真真，李燕杰，閆瑞雪

( 1.石家莊科技工程職業(yè)學(xué)院 信息工程系，石家莊 050800；2.天津農(nóng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384)

?

基于OFDM信道和遠(yuǎn)程監(jiān)控的果園采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

周真真1，李燕杰2，閆瑞雪1

( 1.石家莊科技工程職業(yè)學(xué)院 信息工程系，石家莊 050800；2.天津農(nóng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384)

隨著網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的發(fā)展，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的智能機(jī)器人成為未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展方向。到目前為止，采摘機(jī)器人還很少采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如果將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到果園采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)上，將會(huì)大幅度地提高采摘機(jī)器人的實(shí)時(shí)在線控制水平，提高多機(jī)器人編隊(duì)控制能力。為此，提出了一種基于OFDM信道估計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的果園采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)方法，并結(jié)合果實(shí)圖像的分割、歸一化、細(xì)化和增強(qiáng)技術(shù)，提高機(jī)器人果實(shí)圖像的識(shí)別能力。通過(guò)夜間對(duì)采摘機(jī)器人平臺(tái)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)：機(jī)器人在加入信噪比的干擾信號(hào)情況下，采用OFDM傳輸系統(tǒng)的機(jī)器人信號(hào)發(fā)送端和接收端的信號(hào)吻合程度很高，誤碼率很低，為新式智能遠(yuǎn)程控制采摘機(jī)器人的研究提供了較有價(jià)值的參考。

OFDM信道；遠(yuǎn)程控制；采摘平臺(tái)；機(jī)器人；抗干擾

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)與先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)不斷融合，使基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)也得以不斷發(fā)展。遠(yuǎn)程控制技術(shù)可以使人們通過(guò)簡(jiǎn)單的終端機(jī)完全控制網(wǎng)絡(luò)另一端的被控機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了另一端被控機(jī)信息的獲取和強(qiáng)大的控制功能。由于采摘機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，依靠有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制是不現(xiàn)實(shí)的；而傳統(tǒng)的無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由于傳輸速度和距離的限制，在采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制上的應(yīng)用也受到限制。而基于4G移動(dòng)通信和OFDM傳輸系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不僅傳輸效率高，而且抗干擾能力也非常強(qiáng)，將其應(yīng)用在采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 采摘機(jī)器人果實(shí)圖像信息匹配

果實(shí)圖像識(shí)別是采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)的主要依據(jù)，也是遠(yuǎn)程控制中主要的檢測(cè)對(duì)象。采用OFDM技術(shù)可以使用當(dāng)前的移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)圖像等信息數(shù)據(jù)的傳輸，因此在傳輸數(shù)據(jù)之前必須獲得準(zhǔn)確的圖像。采摘機(jī)器人識(shí)別果實(shí)的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

以黃瓜采摘為例，對(duì)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信信道進(jìn)行設(shè)計(jì)。在果實(shí)采摘過(guò)程中，除了果實(shí)之外還有較多的干擾信號(hào)，因此在進(jìn)行圖像識(shí)別時(shí)需要對(duì)圖像進(jìn)行處理，在進(jìn)行通信時(shí)需要選擇抗干擾性能較強(qiáng)的OFDM通信技術(shù)。機(jī)器人對(duì)果實(shí)目標(biāo)的識(shí)別過(guò)程是對(duì)果實(shí)圖像信息匹配的過(guò)程，主要包括黃瓜果實(shí)圖像的灰度化、圖像分割、歸一化、增強(qiáng)和細(xì)化、特征提取和特征匹配，具體步驟如下文。

圖1 采摘機(jī)器人簡(jiǎn)化模型Fig.1 The simplified model of picking robot

1.1 圖像灰度化

圖像灰度化處理是將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像的操作。一般采摘機(jī)器人采集到的果實(shí)圖像為24位的真彩圖像，因此需要利用轉(zhuǎn)換公式將其轉(zhuǎn)換為8位灰度圖像，其公式為

C=xR+yG+zB,x+y+z=1

(1)

其中，R、G、B表示顏色的3個(gè)基本元素；x、y、z表示顏色的基本系數(shù)，表示轉(zhuǎn)換后的一種顏色。果實(shí)圖像灰度化后，需要在復(fù)雜的采摘環(huán)境中將圖像分割出來(lái)。

1.2 圖像分割

利用圖像分割技術(shù)可以將果實(shí)區(qū)域分割成為一系列有意義的特征圖像，本次圖像分割采用Sobel算子。該算子是一種微分算子，利用臨近像素區(qū)域的梯度來(lái)計(jì)算圖像中的每個(gè)像素的梯度，然后利用閾值分割取舍的方法，提取特征圖像的邊緣，其表達(dá)式為

M=sqrt(sx×sx+sy×sy)

(2)

sx與sy可以采用如下卷積模板來(lái)計(jì)算，有

(3)

通過(guò)圖像分割得到的圖像邊緣還存在一定的不連續(xù)性，因此要對(duì)邊緣進(jìn)行連通和細(xì)化處理，從而得到平滑的果實(shí)圖像。

1.3 歸一化

為了得到尺寸統(tǒng)一的果實(shí)圖像，需要對(duì)圖像進(jìn)行歸一化處理，假設(shè)圖像在X軸和Y軸方向的縮放比例分別為fx、fy，則原始圖像f(x,y)中對(duì)應(yīng)點(diǎn)(x0,y0)進(jìn)行歸一化處理后在新圖像g(x,y)中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)為 (x1,y1)，其縮放公式為

x1=fx×x0，y1=fy×y0

(4)

果實(shí)圖像在歸一化處理之后，灰度值分布在[0,255]范圍內(nèi)，灰度歸一化處理的公式為

(5)

1.4 圖像增強(qiáng)

為了進(jìn)一步提高采集到的果實(shí)圖像的質(zhì)量、降低噪聲、增強(qiáng)果實(shí)圖像和背景的對(duì)比度，在空間區(qū)域需要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。首先確定果實(shí)圖像的大小，然后將分割出的果實(shí)特征圖像創(chuàng)建擴(kuò)充矩陣，將分塊內(nèi)的每個(gè)像素的灰度值與擴(kuò)充矩陣灰度值和特定灰度閾值進(jìn)行比較，從而區(qū)分背景區(qū)域和特征區(qū)域，增強(qiáng)特征區(qū)域的區(qū)分度。

1.5 圖像二值化與細(xì)化

對(duì)果實(shí)圖像二值化可以進(jìn)一步提高圖像的質(zhì)量，將像素點(diǎn)劃分為前景值點(diǎn)和背景值點(diǎn)。其中，前景值點(diǎn)灰度值為255，背景點(diǎn)的灰度值為0，便可以得到果實(shí)圖像的二值圖。本次選用的二值化和細(xì)化的算法為Niblack算法，該算法是一種簡(jiǎn)單且有效的局部動(dòng)態(tài)閾值算法，在r×r鄰域內(nèi)，通過(guò)相鄰像素的方差和均值來(lái)實(shí)現(xiàn)二值化，其計(jì)算公式為

T(x,y)=m(x,y)+k×s(x,y)

(6)

其中，T(x,y)表示像素點(diǎn)的閾值；m(x,y)表示像素點(diǎn)的均值；s(x,y)表示像素點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差；k表示修正系數(shù)。假設(shè)像素點(diǎn)(i,j)處的灰度值為f(i,j)，則

(7)

(8)

經(jīng)過(guò)二值化處理后的果實(shí)圖像，經(jīng)過(guò)再次的細(xì)化增強(qiáng)后，便可以進(jìn)行圖像特征的提取。

2 OFDM信道遠(yuǎn)程傳輸和抗干擾原理

為了驗(yàn)證OFDM信道的遠(yuǎn)程傳輸抗干擾性，需要建立遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的OFDM信道，并建立調(diào)制和解調(diào)機(jī)制。通過(guò)FFT/IFFT變化，查看接收端和發(fā)射端信合的吻合程度，如果沒(méi)有出現(xiàn)誤碼率，則說(shuō)明系統(tǒng)的抗干擾性能很高。

2.1 信源發(fā)生器設(shè)計(jì)

為了簡(jiǎn)化信號(hào)測(cè)試方案，發(fā)射信號(hào)采用[0,1)均勻分布的隨機(jī)數(shù)信號(hào)，并設(shè)置信號(hào)0.5，隨機(jī)等概的產(chǎn)生0和1。

2.2 調(diào)制和解調(diào)

調(diào)制和解調(diào)采用QPSK(四相絕對(duì)移相調(diào)制)，該方法利用載波的相位信號(hào)表征數(shù)字信息，每個(gè)載波表示兩個(gè)比特的信息，一個(gè)四進(jìn)制碼表示雙比特碼元。一般習(xí)慣將雙比特碼元的前一個(gè)比特用a表示，后一個(gè)比特用b表示，ab一般是按照格雷碼排列的，如表1所示。

表1 雙比特碼元與載波相位的關(guān)系Table 1 The relationship between two bit code and carrier phase

每個(gè)載波先給都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的雙比特元碼，其矢量關(guān)系如圖2所示。

圖2 QPSK符號(hào)的矢量圖Fig.2 The vector diagram of QPSK symbol

其中，s表示經(jīng)過(guò)調(diào)制后的信號(hào)，調(diào)制信號(hào)可以使用調(diào)相法和相位選擇發(fā)產(chǎn)生。

QPSK的公式為

(9)

2.3 插入和去除循環(huán)前綴

為了對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行隔離，將符號(hào)后的Ng個(gè)樣點(diǎn)復(fù)制到前面，其長(zhǎng)度比最大的時(shí)延大，保證了OFDM符號(hào)子載波之間的正交性，從而避免了碼間串?dāng)_問(wèn)題。

2.4 FFT/IFFT

FFT是離散傅里葉變換的快速算法，可大大降低計(jì)算次數(shù)，在信道建立和測(cè)試過(guò)程中，直接使用FFT和FFT函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉(逆)變換，以提高計(jì)算的速度。

3 OFDM信道遠(yuǎn)程控制的采摘機(jī)器人測(cè)試

為了驗(yàn)證OFDM移動(dòng)通信技術(shù)在采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)上使用的可行性，以采摘機(jī)器人的果實(shí)識(shí)別和成功采摘信號(hào)傳輸為測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)信號(hào)的傳輸性能進(jìn)行了測(cè)試。

基于OFDM移動(dòng)通信技術(shù)的采摘機(jī)器人對(duì)夜間果實(shí)采摘也具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，這是由于移動(dòng)信號(hào)不受光線的干擾，因此可以產(chǎn)生較強(qiáng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)效果。夜間果實(shí)圖像如圖3所示。

為了保證實(shí)驗(yàn)的可靠性，采用傳統(tǒng)的通信信道和OFDM兩種技術(shù)，將信道噪聲的信噪比設(shè)置為8dB，首先通過(guò)信號(hào)源繪制出發(fā)射端的波形，其形狀如圖4所示。

圖3 夜間果實(shí)圖像Fig.3 The fruit images at night

圖4 傳統(tǒng)信道發(fā)送端波形Fig.4 The waveform of traditional channel transmission

圖4表示使用傳統(tǒng)的通信信道利用信號(hào)源發(fā)送信號(hào)得到的發(fā)送端波形，將發(fā)送端和接收端進(jìn)行對(duì)比便可以得到接受端的誤碼率：如果誤碼率較大，說(shuō)明信道抗干擾能力差；如果誤碼率較低，則說(shuō)明信道的抗干擾能力較弱。

由圖5可得發(fā)送端的信號(hào)編碼為10101110010101 1 11001，由圖6得到的接收端信號(hào)為編碼為10101110010101 0 11001，因此從第15個(gè)采樣點(diǎn)出現(xiàn)了錯(cuò)誤，誤碼率較高，信道的抗干擾性能較弱。

圖5 傳統(tǒng)信道接收端波形Fig.5 The waveform of traditional channel receiver

圖6表示使用OFDM技術(shù)后得到的接收端的波形。由圖6可以看出：接收端的信號(hào)編碼為10101110010101 111001，和發(fā)送端完全相同，其誤碼率為0，信道的抗干擾能力較強(qiáng)。OFDM傳輸系統(tǒng)抗傳輸?shù)亩鄰礁蓴_的能力很強(qiáng)，只有在信道干擾十分嚴(yán)重的情況下，才會(huì)出現(xiàn)誤碼。為了進(jìn)一步驗(yàn)證OFDM系統(tǒng)的優(yōu)越性，對(duì)多個(gè)采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率進(jìn)行了測(cè)試，得到了如圖7所示的結(jié)果。

圖6 使用OFDM技術(shù)接收端波形

Fig.6 The receiver waveform by using OFDM technology

圖7 多采摘機(jī)器人場(chǎng)景信號(hào)傳輸速率測(cè)試Fig.7 The signal transmission rate test of multi picking robot

由圖7可以看出：采用OFDM技術(shù)可以明顯提高多采摘機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)傳輸速率，從而可以提高采摘機(jī)器人的控制效率。

4 結(jié)論和討論

為了提高采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程通信和控制能力，將移動(dòng)4G和OFDM技術(shù)應(yīng)用到了采摘機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，并結(jié)合果實(shí)圖像的分割、歸一化、細(xì)化和增強(qiáng)技術(shù)，提高機(jī)器人果實(shí)圖像的識(shí)別能力。由夜間采摘機(jī)器人平臺(tái)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)：采用OFDM后，機(jī)器人信道的抗干擾能力較強(qiáng)，且相對(duì)于傳統(tǒng)的信道其通信速率較高。4G和OFDM移動(dòng)通信技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用將改變機(jī)器人智能化研究的新格局，采摘機(jī)器人的更新?lián)Q代能否跟上現(xiàn)代通信技術(shù)的步伐，決定了未來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)器人實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。隨著本課題的深入，將會(huì)進(jìn)一步對(duì)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制做實(shí)質(zhì)性的探究，以發(fā)掘現(xiàn)代通信技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人中的重要價(jià)值。

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Design of Orchard Picking Robot Based on OFDM Channel and Remote Monitoring

Zhou Zhenzhen1, Li Yanjie2, Yan Ruixue1

(1.Department of Information Engineering, Shijiazhuang Vocational College of Scientific and Technical Engineering, Shijiazhuang 050800,China; 2.College of Computer and Information Engineering,Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384,China)

With the development of network and remote control technology and intelligent robot based on mobile Internet become the development direction of the robot in the future, and so far, picking robot also rarely used mobile Internet remote monitoring, if the mobile Internet applications to the orchard picking machine design, will greatly improve the picking robot real-time online control level, improve multi robot formation control ability. Accordingly, this study proposed a based on OFDM channel estimation and remote monitoring network of orchard picking robot design method, and combined with the fruit image segmentation, normalization, refinement and enhancement techniques, improve the ability to identify the robot fruit image. Through the night of picking robot platform test, it is found that the robot in joined the signal-to-noise ratio of the interference signal by OFDM transmission system of robot signal transmitting end and receiving end of the signal are consistent high and low bit error rate, the new intelligent remote control picking robot research provides a valuable reference.

OFDM channel; remote control; picking platform; robot; anti-interference

2016-01-26

天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目(20140812)

周真真(1982-)，女，河北邯鄲人，講師，碩士，(E-mail)zhouzz1982@sina.com。

S225.93；TP242.3

A

1003-188X(2017)03-0229-05