初留珠，白皓然，李 娟，王方艷，郭若皓，孫 陽

(青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引言

針對提高農(nóng)業(yè)移動機器人遠程控制的便捷性、安全性和可操作性，提出了一種應用于安卓智能手機上的移動智能機器人遙控系統(tǒng)的方案。目前，美國和德國在機器人的研究中處于領先地位，開發(fā)了各種類型的農(nóng)業(yè)機器人[1]。尤其近年來，隨著網(wǎng)絡智能技術的高速發(fā)展，推動了多功能農(nóng)業(yè)機器人更廣泛地為農(nóng)業(yè)服務[2]。

目前，經(jīng)過多年開發(fā)和研究，各種性能的農(nóng)業(yè)機器人層出不窮，如采摘機器人、移栽機器人、扦插機器人及嫁接機器人等[3]。丹麥農(nóng)業(yè)方面科學家對農(nóng)田除草的機器人做了深入的研究。該機器人利用15種參數(shù)來描述雜草和布局的環(huán)境因子情況，雜草定位通過GPS來實現(xiàn)[4]。到了20世紀末，經(jīng)過幾年的努力，對農(nóng)業(yè)機器人的研究也取得了不錯的成績，如草莓采摘機器人及噴藥機等[5]。2005年，中國農(nóng)業(yè)大學設計出了套管式蔬菜嫁接機器人[6]；2009年，東北農(nóng)業(yè)大學研究了果實采摘機械手及其控制系統(tǒng)[7]；2011 年，中國農(nóng)業(yè)大學成功研究了黃瓜采摘機器人，基于深度學習和圖譜識別完成黃瓜的采摘[8]。本文研究利用安卓系統(tǒng)實現(xiàn)手機遠程遙控操作，采用WiFi模式及其4G網(wǎng)絡實現(xiàn)與ARM的通訊，進而完成農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的智能感知和圖譜識別，構(gòu)建靶向目標的可視化操作。

1 機器人硬件部分

硬件的核心部分是STM32F407單片機，主要由多個重要的模塊組合成，包括供電模塊、L298N電機驅(qū)動模塊、電動推桿模塊、HLK——RM04海陵型WiFi模塊和視頻采集模塊、LM2596S穩(wěn)壓模塊及機械臂模塊等，如圖1所示。

圖1 硬件組成的整體框架

1.1 電源供電模塊穩(wěn)壓電路

農(nóng)業(yè)智能機器人在農(nóng)田完成作業(yè)任務時，地面阻力較大，因此本設計采用兩個電源來對該移動機器人持續(xù)地提供能量。設計移動機器人小車電源電壓為12V，小車攜帶電池的總?cè)萘繛? 000mA/h；選用STM32作為該機器人的單片機，單片機電源電壓為5V，單片機的電源電池容量為2 200mA/h。兩種電源應用零歐姆的電阻單點共地的工作方式，使得電源能夠源源不斷地提供3.3V的電壓供給STM32單片機，保障其正常地工作。

1.2 小車L298N電機驅(qū)動模塊

本文設計的農(nóng)業(yè)機器人選擇大電流電機驅(qū)動芯片，采用15引腳封裝；內(nèi)含有兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，能夠用來驅(qū)動直流電動機和進步電動機。 本系計劃配有4個直流電動機，電動機選用的是掌控直流減速電機，L298N電機進行機器人的驅(qū)動。因為負責驅(qū)動機器人的電機需要特別大的功率，所以要通過單片機發(fā)出相應的PWM信號增加L298N驅(qū)動電電路，從而實現(xiàn)對小車、發(fā)動、前進及停止的控制。

1.3 控制繼電器模塊的H橋模塊

本文設計的智能移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)由控制器、電機驅(qū)動模塊及電機3個主要部分組成，確保了電動機驅(qū)動體系擁有高轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、寬調(diào)速范疇和高可靠性。系統(tǒng)采用了易控制、高性能、供電便利的直流電機驅(qū)動模塊，利用H全橋電路實現(xiàn)電機驅(qū)動功能，利用H橋驅(qū)動實現(xiàn)主電機正向和反向驅(qū)動，通過控制不同開關的連接，即可實現(xiàn)電動機正反向驅(qū)動。

1.4 IP網(wǎng)絡攝像頭模塊和圖譜識別

攝像頭能實現(xiàn)遠程監(jiān)控是本系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制的關鍵技術之一。本設計選擇 IP網(wǎng)絡攝像頭作為移動機器人的視覺傳感器，只需要1個電源，通過局域網(wǎng)和設定的服務器將攝像頭的實時視頻鑲嵌到自己的APP界面中，輸送到手持手機中，然后使用OPENCV進行圖像的識別和處理。IP網(wǎng)絡攝像頭源碼如下：

//監(jiān)聽服務器發(fā)來的消息，獲取輸入輸出視頻流：

private Runnable mRunnable = new Runnable()

{

public void run() { try {

mSocketClient = new Socket(sIP, port);

mBufferedReaderClient = new

BufferedReader(new

InputStreamReader(mSocketClient.getInputStream()));mPrintWriterClient = new PrintWriter(mSocketClient.getOutputStream(), true);handler.sendMessage(msg);} catch (Exception e) {return;}}}

// 設置視頻可見

private void setViewVisible() {

if (bProgress) {

bProgress = false;

progressView.setVisibility(View.INVISIBLE);

getCameraParams();

}

}

private void getCameraParams() {

NativeCaller.PPPPGetSystemParams(strDID, ContentCommon.MSG_TYPE_GET_CAMERA_PARAMS);

}

private Handler msgHandler = new Handler() {

public void handleMessage(Message msg)

{

if (msg.what == 1) {

Log.d("tag", "斷線了");

Toast.makeText(getApplicationContext(), R.string.pppp_status_disconnect,

Toast.LENGTH_SHORT).show();

finish();

}

}

};

1.5 WiFi模塊和通訊接口

本系統(tǒng)設計的移動機器人是利用手持安卓手機操控、用WiFi模塊進行連接，通過TCP鏈接實現(xiàn)手機客戶端與單片機之間進行無線通信。

WiFi模塊相當于設置系統(tǒng)的無線路由器，接有1個網(wǎng)絡攝像頭，借助于WiFi來實現(xiàn)命令的收發(fā)，再把相應的命令傳遞給單片機；單片機對指令經(jīng)過分析和處理，利用通信接口控制移動機器人、機械臂舵機及網(wǎng)絡攝像頭等各個模塊完成各項作業(yè)任務。

1.6 機械臂模塊

作為一種多功能智能移動機器人，它可以靈活地移動到指定的目標位置來把握對象，從而很容易地擴展；扭轉(zhuǎn)到各個不同的姿勢，有時候考慮到目標物在狹小的空間中，還要方便、靈活、有效地避讓障礙物。考慮到還有底盤的移動及機械臂的質(zhì)量，本系統(tǒng)設計了手、臂、肩3個自由度。

2 機器人軟件的設計

2.1 機器人控制端軟件的設計

本機器人系統(tǒng)的控制端使用的網(wǎng)絡攝像頭，經(jīng)過局域網(wǎng)和設定的服務器將攝像頭的視頻鑲嵌到自己上位機的APP界面中。該APP是在eclipse的環(huán)境下，通過android，Java語言編寫的上位機APP，控制移動機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等一系列動作，以及控制機械臂的舵機、電動推桿的上升和下降，完美地實現(xiàn)了機器的智能化。這個APP屏幕按鍵狀況會進行不斷的檢測，操作人員按動手機軟件上的一個鍵，指令會借助于WiFi模塊很快地傳遞到單片機上。機器人指令都是由16個字節(jié)代碼的數(shù)據(jù)包組成，保證了每一個單片機能夠按照接收到的數(shù)據(jù)包指令控制移動機器人的運行狀態(tài)，實現(xiàn)對機器人的遠程操作，手機客戶端APP界面如圖2所示。

圖2 手機APP界面

程序代碼如下：

//重力感應控制電機和舵機：

public void

onSensorChanged(SensorEvent event) {

int x = (int) event.values[0];

int y = (int) event.values[1];

int z = (int) event.values[2];

if (x==0&&y < 0) {

if (isConnecting && mSocketClient != null) {

String OUTPUT = "OUTPUT 0";

char a = 'a';

try {

mPrintWriterClient.print(a);

mPrintWriterClient.flush();

mPrintWriterClient.print(OUTPUT);

mPrintWriterClient.flush();

} catch (Exception e) {return;}}

2.2 單片機程序設計

本文選用STM32F407單片機作為核心處理器，其具有很多優(yōu)點。首先該單片機控制器集成了單周期DSP指令和FPU指令，還可以完全地兼容于STM32F2系列產(chǎn)品，可以對ST的用戶進行擴展產(chǎn)品升級。除此之外，STM32F4單片算法的運行速度和效率有了大幅度的提升。支持程序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸并行處理，單片機代碼如下：

int main(void)

{

NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

delay_init(168);

uart_init(115200);

EN_Init();

TIM14_PWM_Init(500-1,84-1)

GPIO_SetBits(GPIOD,GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 |

GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);

while(1){

TIM_SetCompare1(TIM14,500);

a=USART_ReceiveData(USART1);

if(a=='a'){

TIM_SetCompare1(TIM14,80);

}}

2.3 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試

根據(jù)系統(tǒng)分布式的設計理念，對系統(tǒng)的每一個軟硬件進行聯(lián)合調(diào)試：①檢查系統(tǒng)的WiFi模塊和檢查手機APP是夠能連接到無線網(wǎng)絡，檢查手機屏幕是否可以接收到攝像頭視頻流，保障屏幕成像清晰；②對于接收到不同機器人指令的單片機相應的每一個模塊進行調(diào)試；③檢查機器人電機驅(qū)動電路L298N、機器人的機械臂模塊及機器人的推桿模塊等。每一個模塊都調(diào)試完成后，要進行的聯(lián)機進行調(diào)試，一直調(diào)試到系統(tǒng)完成開發(fā)再停止。

3 系統(tǒng)技術特點和應用方式方法

實現(xiàn)了手機安卓APP的操作和遠程遙控操作，采用WiFi模塊及其4G網(wǎng)絡使機器人性能更穩(wěn)定。 通過傳感模塊，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的智能感知和圖譜識別，構(gòu)建靶向目標的可視化操作，實現(xiàn)智能感知、圖譜識別和知識決策。用手機安卓或者平板電腦控制移動機器人工作，方便快捷，屬于農(nóng)機化機器人應用的新領域，具有重要的現(xiàn)實意義。

4 農(nóng)業(yè)上應用的實例

本設計的農(nóng)業(yè)機智能機器人主要在山東省青島市城陽區(qū)青島農(nóng)業(yè)大學蔬菜瓜果種植試驗基地使用，選擇草莓大棚設置作為實驗對象。用戶通過手機下載安裝，用Java語言構(gòu)建APP，打開APP界面會顯示前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止，重力感應、退出感應按鈕用來控制機器人的各種功能。

實踐證明：該農(nóng)業(yè)智能機器人工作穩(wěn)定可靠，耗能小， 手機操作方便，使用簡單，能滿足大部分群體用戶要求。另外，降低了人工成本，提高了農(nóng)業(yè)機械化水平，避免踩踏莊稼和踩硬土層，移動靈活，效率高，可帶來更大的生產(chǎn)效益。圖3是應用實際操作圖。

5 結(jié)論

采用STM32F407單片機作為核心控制器，在eclipse環(huán)境下，通過android語言、Java語言構(gòu)建APP后臺操作平臺，利用xml構(gòu)建手機APP界面，利用傳感器構(gòu)建移動機器人監(jiān)控傳感系統(tǒng)。通過WiFi模塊技術實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡化操控功能及對機器人進行智能遠程操作。該設計可以降低農(nóng)民的勞動強度，改善農(nóng)民工作環(huán)境，提高作業(yè)效率，進而提高了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率。