張清 崔卓賢 徐越 李保文

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 2.保定市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局

引言

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)中一些費(fèi)時(shí)費(fèi)力的重復(fù)性工作正逐步交由機(jī)器來(lái)完成，推進(jìn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化進(jìn)程，減少農(nóng)業(yè)上的人工參與，解放生產(chǎn)力。優(yōu)良的種子對(duì)于農(nóng)業(yè)的發(fā)展的至關(guān)重要，它決定著最終農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，因此種子需要經(jīng)過(guò)種子公司精挑細(xì)選再經(jīng)過(guò)多輪試種才能夠售賣(mài)給農(nóng)戶(hù)用于種植。種子的初步篩選交由智能機(jī)器完成迫在眉睫，基于此，本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)種子初步分揀的機(jī)器人。

1 概述

通過(guò)對(duì)工業(yè)四軸機(jī)械臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分析，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)以魔術(shù)師機(jī)械臂為核心的視覺(jué)種子分揀系統(tǒng)。通過(guò)視覺(jué)部分采集種子的具體位置和形狀等特征值，然后將所采集數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中事先錄入的優(yōu)質(zhì)種子的外部特征進(jìn)行對(duì)比識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)種子好壞的判斷，再由電腦端軟件經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，對(duì)種子進(jìn)行分揀操作。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)任務(wù)：

設(shè)計(jì)一款以視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)械臂為核心的機(jī)器人對(duì)玉米種子實(shí)現(xiàn)初步分揀，降低人工參與。

設(shè)計(jì)要求：

（1）通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)優(yōu)質(zhì)玉米種子進(jìn)行圖像采集并利用電腦端軟件將所得圖形進(jìn)行特征值采取，將每個(gè)種子的圖像特征值進(jìn)行保存得到優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）使機(jī)械臂能夠得到種子所在區(qū)域的三維坐標(biāo)。

（3）通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)得到所需挑選種子的圖像特征值并與優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論。

（4）在電腦端軟件編寫(xiě)流程令機(jī)械臂對(duì)優(yōu)良種子進(jìn)行抓取并放置到指定區(qū)域。

（5）對(duì)所挑選的優(yōu)良種子進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)并通過(guò)屏幕進(jìn)行顯示。

2.2 設(shè)計(jì)方案

3 硬件電路設(shè)計(jì)

機(jī)械臂選自越疆公司的四軸機(jī)械臂并搭配其公司的成熟軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制；視覺(jué)系統(tǒng)選取高清攝像頭并搭配優(yōu)質(zhì)的補(bǔ)光裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米種子的圖像采集；將高清攝像頭、補(bǔ)光裝置、機(jī)械臂都通過(guò)電源線(xiàn)與220V 電源進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)供電；攝像頭和機(jī)械臂通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與電腦進(jìn)行連接；STM32 單片機(jī)選擇使用STM32103RCT6 型號(hào)，使用紅外線(xiàn)感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)作為種子計(jì)數(shù)器與單片機(jī)使用杜邦線(xiàn)進(jìn)行連接；單片機(jī)通過(guò)實(shí)際充電器進(jìn)行供電；單片機(jī)與LCD 屏幕使用多根杜邦線(xiàn)進(jìn)行連接。以上即為整個(gè)系統(tǒng)的硬件連接。

4 機(jī)器工作原理與系統(tǒng)控制

4.1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械臂抓取系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、氣泵、舵機(jī)、特質(zhì)機(jī)械爪組成。步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，氣泵、機(jī)械爪、舵機(jī)來(lái)控制機(jī)械臂對(duì)物體的抓取。為保證機(jī)械爪對(duì)種子抓取成功，課題組3D 打印了末端為槽狀的機(jī)械爪，在實(shí)際抓取中成效卓著?？刂茩C(jī)械臂移動(dòng)的指令通過(guò)電腦端的軟件來(lái)下達(dá)，電腦端軟件可以手動(dòng)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)也可以通過(guò)模塊化編程來(lái)命令機(jī)械臂執(zhí)行特定的動(dòng)作指令，可以單次執(zhí)行也可以設(shè)定為重復(fù)執(zhí)行一組或一個(gè)指令。電腦端軟件對(duì)機(jī)械臂抓取種子所在位置的坐標(biāo)確定依賴(lài)于視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)可視區(qū)域的坐標(biāo)標(biāo)定，所以需要在開(kāi)始種子的抓取工作之前在電腦端的軟件由人工來(lái)利用標(biāo)定板進(jìn)行位置標(biāo)定，使得機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確抓取特定位置的種子。在標(biāo)定時(shí)可以手動(dòng)控制機(jī)械臂對(duì)九個(gè)特定位置的點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別保存，這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)可視區(qū)域面中的點(diǎn)都有對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)，為機(jī)械臂對(duì)種子的抓取做好了準(zhǔn)備為保證抓取位置的準(zhǔn)確性需要在機(jī)器停止使用的時(shí)候令機(jī)器進(jìn)行校準(zhǔn)復(fù)位，如此就可以一定程度的克服機(jī)器工作長(zhǎng)時(shí)工作所帶來(lái)的誤差，提高抓取準(zhǔn)確率。

4.2 視覺(jué)系統(tǒng)

視覺(jué)系統(tǒng)由高清攝像頭和補(bǔ)光裝置組成。高清攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)可視區(qū)域坐標(biāo)值的標(biāo)定，玉米種子位置、形狀特征值的采集。在對(duì)可視區(qū)域玉米種子進(jìn)行圖像信息采集之后交由電腦端軟件將種子的特征值與優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，在相似率達(dá)到一定程度即可認(rèn)為此玉米種子高概率為優(yōu)良種子，即可下達(dá)指令使機(jī)械臂進(jìn)行抓取并放到指定位置。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)相似率定為84%最為合理，這樣就可以在保證挑選種子優(yōu)良率較高的情況下盡可能的保證好的種子不會(huì)被篩選出去。優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫(kù)由已經(jīng)人工挑選并且經(jīng)過(guò)試種的優(yōu)良種子特征值構(gòu)成，是通過(guò)與高等院校農(nóng)學(xué)院合作長(zhǎng)期積累得到的數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以不斷的增加優(yōu)良種子樣本，樣本的數(shù)量越多就越能保證玉米種子的優(yōu)良率并且降低優(yōu)良種子被篩選出去的幾率。

4.3 計(jì)數(shù)系統(tǒng)

計(jì)數(shù)系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)、紅外線(xiàn)感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)和4.3 寸LCD 屏幕組成。通過(guò)紅外線(xiàn)感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)得到種子的數(shù)量再由單片機(jī)控制LCD 屏幕進(jìn)行顯示。LCD 屏幕將會(huì)顯示總的種子數(shù)量、優(yōu)良種子數(shù)量、非優(yōu)良種子數(shù)量。程序通過(guò)Keil5 進(jìn)行編寫(xiě)，程序由初始化程序，顯示子程序、計(jì)數(shù)器程序組成。

4.4 工作步驟總結(jié)

（1）通過(guò)將一些優(yōu)良種子的圖像特征值進(jìn)行提取并保存到電腦端來(lái)構(gòu)建一個(gè)玉米種子數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)與電腦端軟件對(duì)可視區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，使得區(qū)域內(nèi)每個(gè)位置都有對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。

（3）高清攝像頭對(duì)可視區(qū)域內(nèi)需要挑選的種子進(jìn)行圖像采集并對(duì)特征值進(jìn)行提取，然后經(jīng)電腦端軟件將特征值與優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比得出相似率，相似率在84%及以上玉米種子將會(huì)被作為優(yōu)良種子挑選出來(lái)放到指定位置。相似度達(dá)不到84%的將被認(rèn)定為非優(yōu)質(zhì)種子。

（4）在分揀過(guò)程中由紅外線(xiàn)感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)實(shí)時(shí)測(cè)量種子數(shù)量，單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并在LCD 屏幕進(jìn)行顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、紅外線(xiàn)感應(yīng)光電開(kāi)關(guān)、STM32 單片機(jī)、LCD 屏幕等物品進(jìn)行連接，配合電腦軟件對(duì)玉米種子進(jìn)行初步分揀并分區(qū)域放置，實(shí)現(xiàn)了玉米種子分揀的機(jī)械化，智能化?，F(xiàn)階段分揀機(jī)器還只能完成初步分揀，雖然最終的分揀仍需人工完成，但是分揀機(jī)器的出現(xiàn)將為優(yōu)良種子的選取降低人工參與度與時(shí)間成本，為農(nóng)業(yè)智能化打下一定的基礎(chǔ)。