賀敬

摘 要：本文具體介紹了“園役”機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，硬件設(shè)計(jì)的分析與選型，在S12開(kāi)發(fā)板上如何實(shí)現(xiàn)視頻特征值的提取與，為“園役”機(jī)器人自主識(shí)別工作環(huán)境提供參考，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主工作。本設(shè)計(jì)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也可以輔助老師進(jìn)行教學(xué)。

關(guān)鍵詞：于HOG 識(shí)別算法 機(jī)器人設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生存環(huán)境的要求也越來(lái)越高，城市環(huán)境的保護(hù)得到越來(lái)越多的重視，我國(guó)草坪行業(yè)建設(shè)也得到了迅速的發(fā)展。草坪美化環(huán)境，凈化空氣多種功能已經(jīng)成為人們的共識(shí)。割草機(jī)作為草坪養(yǎng)護(hù)的基本工具，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的生產(chǎn)和使用。一些最新的科學(xué)理論、最新的科研成果和最新的科學(xué)技術(shù)都在這些機(jī)械設(shè)備上有體現(xiàn)。[1]

除草機(jī)器人可以代替人類(lèi)進(jìn)行除草活動(dòng)，減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，也可以減少農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)量，提高農(nóng)業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化。國(guó)外較早開(kāi)展了除草機(jī)器人研究;在國(guó)內(nèi)，南京林業(yè)大學(xué)陳勇等率先提出了基于直接施藥方法的除草機(jī)器人設(shè)計(jì)了由主體、機(jī)械臂、輪子和攝像頭組成的自動(dòng)施藥除草機(jī)器人。[2]

將HOG算法用于機(jī)器人控制，從機(jī)器人智能、任務(wù)描述到運(yùn)動(dòng)控制和伺服控制技術(shù)，既包括實(shí)現(xiàn)控制所需的硬件系統(tǒng)，又包括各種軟件系統(tǒng)。最早的機(jī)器人采用順序控制方式，后來(lái)采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)綜合實(shí)現(xiàn)機(jī)電裝置的功能，并采用示教再現(xiàn)的控制方式。[3]

一、設(shè)計(jì)思路

園役機(jī)器人是由一部攝像機(jī)和一臺(tái)除草裝置，利用攝像機(jī)掃描，通過(guò)HOG算法進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)自主識(shí)別機(jī)器人前面的除草裝置就能開(kāi)始工作。除草機(jī)器人通過(guò)蓄電池充電、放電，它可以全天候連續(xù)作業(yè)，除草時(shí)對(duì)土壤無(wú)侵蝕破壞。它能防風(fēng)防雨，可以自己在花園里“辛勤勞作”

本設(shè)計(jì)由供電系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、除草系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、視覺(jué)檢查系統(tǒng)、雜草回收系統(tǒng)組成

1.供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能板（1）和支架（13）組成，主要完成本系統(tǒng)的能源供應(yīng)。

2.行走系統(tǒng)由履帶（3）和驅(qū)動(dòng)機(jī)模塊（4）電組成，實(shí)現(xiàn)園役機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)機(jī)模塊（4）可根據(jù)行走環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整行走速度。

3.除草系統(tǒng)（5）由升級(jí)調(diào)節(jié)裝置（8）、高度檢查傳感器（6）和切割電機(jī)模塊（11）構(gòu)成，切割電機(jī)模塊（11）包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)和圓形刀具，主要完成草坪的修剪，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可根據(jù)切割對(duì)象的難易調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)切割扭矩;高度檢查傳感器（6）實(shí)時(shí)檢查草坪中草的高度，為切割電機(jī)模塊（11）提供檢查信號(hào)，實(shí)現(xiàn)草坪修剪高度整齊。

4.照明系統(tǒng)（9）主要由探照燈、光敏傳感器和繼電器組成，當(dāng)本機(jī)器人處于夜間工作環(huán)境時(shí)，光敏傳感器檢測(cè)到環(huán)境光線不足，驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，開(kāi)啟探照燈照明。

5.視覺(jué)檢查系統(tǒng)（7）主要包括圖像采集、圖像無(wú)線傳輸模塊和圖像處理功能，通過(guò)攝像頭將實(shí)時(shí)視頻圖像信息采集到系統(tǒng)中，對(duì)圖形進(jìn)行增強(qiáng)處理，一方面將圖像信息傳輸?shù)绞謾C(jī)端或電腦端，完成實(shí)時(shí)監(jiān)控;另一方面將圖像傳輸?shù)綀D像處理模塊中，提取特征量，比對(duì)實(shí)時(shí)草高度與設(shè)定值，確定除草坐標(biāo)。記憶行走路徑，規(guī)劃除草路徑。

6.雜草回收系統(tǒng)（12）由傳送電機(jī)（10）和傳送皮帶組成，將修剪后的雜草進(jìn)行回收，存儲(chǔ)到儲(chǔ)藏室（2）中。

二、視頻處理模塊

攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過(guò)圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過(guò)視頻信號(hào)端輸出。具體而言，攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平，并保持一段時(shí)間。這相當(dāng)于，緊接著每行圖像信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽” ，此“凹槽”叫作行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過(guò)一行后，開(kāi)始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場(chǎng)的視頻信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場(chǎng)消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于其他的消隱脈沖，稱(chēng)為場(chǎng)同步脈沖，它是掃描換場(chǎng)的標(biāo)志。場(chǎng)同步脈沖標(biāo)志著新的一場(chǎng)的到來(lái)，不過(guò)，場(chǎng)消隱區(qū)恰好跨在上一場(chǎng)的結(jié)尾和下一場(chǎng)的開(kāi)始部分，得等場(chǎng)消隱區(qū)過(guò)去，下一場(chǎng)的視頻信號(hào)才真正到來(lái)。攝像頭每秒掃描25幅圖像，每幅又分奇、偶兩場(chǎng)，先奇場(chǎng)后偶場(chǎng)，故每秒掃描50場(chǎng)圖像。奇場(chǎng)時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場(chǎng)時(shí)則只掃描偶數(shù)行。

考慮到單片機(jī)的速度有限，而一些脈沖的間隔時(shí)間又較短，為了減輕其處理負(fù)擔(dān)，采用在單片機(jī)外圍配置合適的外圍芯片進(jìn)行信號(hào)提取。LM1881視頻同步信號(hào)分離芯片可從攝像頭信號(hào)中提取信號(hào)的時(shí)序信息，如行同步脈沖、場(chǎng)同步脈沖和奇、偶場(chǎng)信息等，并將它們轉(zhuǎn)換成TTL電平直接輸給單片機(jī)的I/O口作控制信號(hào)之用。

三、軟件設(shè)計(jì)

構(gòu)建Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， 在園役器人的修剪區(qū)域內(nèi)安裝路由器，平均每10平方米范圍安裝一個(gè)，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)器人以1m×1m的密度對(duì)該區(qū)域的WiFi信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行采樣，并建立環(huán)境三維地圖，采樣數(shù)據(jù)和環(huán)境三維地圖自動(dòng)存入信息處理系統(tǒng)，從而規(guī)劃最佳路徑，保障機(jī)器人自己的行進(jìn)安全、有效地避開(kāi)障礙物，到達(dá)目標(biāo)坐標(biāo)進(jìn)行修剪。

利用圖像增強(qiáng)技術(shù)，采用方向梯度直方圖算法對(duì)采集到的圖像進(jìn)行特征量的提取，將特征量轉(zhuǎn)換為草高度H，與預(yù)設(shè)高度H0進(jìn)行對(duì)比，對(duì)未修剪齊整的草坪進(jìn)行定位識(shí)別，確定目標(biāo)位置，從而進(jìn)行定向修剪。使修剪后的草坪高度一致，實(shí)現(xiàn)草坪的齊整與美觀。

結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)雖然能夠完成草坪圖像的檢測(cè)且效率較快，但檢測(cè)精度并不是很高，并且占用資源偏大，因此還需要對(duì)算法進(jìn)一步改進(jìn)，同時(shí)需要從權(quán)衡檢測(cè)精度和檢測(cè)速率方面對(duì)硬件進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而提高檢測(cè)效果和實(shí)施性。

參考文獻(xiàn)

[1]姬長(zhǎng)英.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能化的發(fā)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1999，30（1）：106～110.

[2]趙勻，武傳宇，胡旭東等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（1）：20～24.

[3]胡桂仙，于勇，王俊.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].試驗(yàn)研究，1999，30（1）：45～47.