李澤宇，解迎剛，曹滿鑫，羅 萌，張子軒

（北京信息科技大學 信息與通信工程學院，北京 100101）

0 引 言

據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界草莓總產(chǎn)量約為5 000萬噸/年，而我國則占到了約700萬噸/年。草莓采摘作業(yè)是當前果蔬生產(chǎn)過程中比較費時和費力的環(huán)節(jié)。目前，草莓采摘主要依賴于人工作業(yè)，由果農(nóng)直接將草莓從植株上采摘下來。然而人工采摘作業(yè)存在成本偏高、勞動強度大、采摘不及時等弊端。同時，當前我國人口老齡化現(xiàn)象較嚴重，農(nóng)業(yè)勞動人口驟減。而隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，自動采摘作業(yè)將逐漸代替人類進行作業(yè)，可以大大降低采摘人員的勞動強度。因此，進行草莓采摘作業(yè)自動化的研究對于社會具有重要的現(xiàn)實意義。

然而，草莓的大小和顏色呈現(xiàn)非規(guī)則、非一致等特性，其生長環(huán)境的復雜性和農(nóng)田環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化等特點共同決定了采摘設(shè)備的開發(fā)有一定的難度；而且由于草莓果實生長環(huán)境復雜，加之草莓果實生長密集，果實之間的遮擋問題很嚴重，給圖像處理帶來許多困難。雖然目前已有學者進行基于機器視覺方面的研究，但目前大多停留在某一方面理論層次的研究，如單純的雙目定位、機械手采摘路徑優(yōu)化等，而進行實際應(yīng)用開發(fā)的研究很少。當前極個別的物化的應(yīng)用研究均利用了基于PC上位機的OpenCV，即首先利用計算機視覺庫進行圖像處理，然后進一步通過控制采摘機械手對果實進行采摘。此舉導致采摘設(shè)備開發(fā)成本高、體積大和功耗高，給自動化采摘作業(yè)的推廣應(yīng)用帶來新問題。

針對上述問題，本文設(shè)計了一套基于DSP的低功耗、小體積、低成本的草莓采摘機器人。實踐表明，該機器人對提高草莓采摘勞動生產(chǎn)率、降低農(nóng)民的勞動強度和采摘成本，提高我國精準農(nóng)業(yè)設(shè)施的現(xiàn)代化和智能化水平、加快農(nóng)業(yè)科學進步具有重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的采摘機器人主要包括上位機模塊和下位機模塊。

上位機模塊主要包括：TMS320DM642圖像處理模塊、圖像采集模塊、視頻解碼模塊、電源模塊、視頻編碼模塊、顯示模塊和串行通信模塊等。

下位機模塊主要包括：STM32F103主控模塊、電源模塊、串行通信模塊、三維滑臺、采摘機械手、傳感器模塊、滑臺驅(qū)動器、舵機驅(qū)動器和燈光補償模塊等。

上位機和下位機主要通過RS 232串行通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。上位機中的圖像采集模塊采集待采摘區(qū)域的圖像后，通過視頻解碼模塊將視頻的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入TMS320DM642圖像處理模塊。TMS320DM642圖像處理模塊一方面通過對數(shù)字信號進行處理和分析，實現(xiàn)對草莓果實進行提取輪廓、形心位置確定、立體匹配和計算草莓果實的三維空間坐標等處理和將計算后的數(shù)字信號傳輸至視頻編碼模塊。視頻編碼模塊將處理后的草莓果實圖像再次轉(zhuǎn)換為模擬信號并送至顯示器進行顯示，以便開發(fā)人員調(diào)試。另一方面，TMS320DM642圖像處理模塊將計算出的草莓果實的空間三維坐標的數(shù)據(jù)通過串行通信發(fā)送至下位機STM32F103主控模塊。在這個過程中，電源模塊為上位機子模塊提供電能。

下位機中的STM32F103主控模塊通過串行通信口接收到來自TMS320DM642發(fā)送的草莓果實三維空間坐標數(shù)據(jù)后提取坐標的有效值；然后通過滑臺驅(qū)動器驅(qū)動三維滑臺運動至帶采摘草莓果實的正前方位置；之后，STM32F103主控模塊控制舵機驅(qū)動器驅(qū)動采摘機械手對草莓果實進行準確抓取和采摘；最后將草莓果實送入集果箱中。在下位機工作過程中，電源模塊為下位機系統(tǒng)提供電能，同時碰撞傳感器和觸碰傳感器實時檢測三維滑臺是否到達端點，觸碰傳感器實時檢測采摘機械手在對草莓果實進行抓取時，機械手的兩個手掌是否已經(jīng)接觸到草莓果實。燈光補償模塊能夠使使TMS320DM642圖像處理模塊更好地對外界圖像進行處理，減少外界光源對系統(tǒng)的干擾。

本文設(shè)計的草莓采摘機器人的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 草莓采摘機器人的整體結(jié)構(gòu)框圖

基于圖像處理的采摘機器人的設(shè)計流程如圖2所示。主要步驟包括上下位機的硬件搭建、雙目攝像機內(nèi)外參數(shù)的標定等。其中，硬件搭建還包括DSP與STM32F103之間的串行通信，數(shù)字圖像采集還包括將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入DSP中。

圖2 基于圖像處理的采摘機器人的設(shè)計流程

2 實驗結(jié)果

本設(shè)計通過使用DSP代替原有的需要依賴OpenCV進行圖像處理的計算機，利用低成本、小體積的數(shù)字信號處理器實現(xiàn)了雙目攝像機圖像采集。

本設(shè)計完成的主要工作有：

（1）進行了系統(tǒng)整體的硬件方案的選擇和設(shè)計；

（2）通過VC實現(xiàn)了對雙目攝像機進行內(nèi)部參數(shù)的獲取和校正；

（3）利用DSP控制雙目攝像機進行雙路視頻采集并對采集的圖像進行了閾值分割、索貝爾邊緣處理、中值濾波等操作，并通過處理后的圖像找到了形心；

（4）實現(xiàn)了利用DSP對特征點的簡單匹配及三維重建處理，并能簡單的進行三維坐標的計算和將計算結(jié)果輸送至控制器；

（5）實現(xiàn)了DSP與控制器之間的通信，下位機能根據(jù)通信數(shù)據(jù)實現(xiàn)對三維滑臺和機械手的控制；

（6）實現(xiàn)了DSP和控制器能協(xié)調(diào)工作，完成對某一區(qū)域內(nèi)草莓的采摘工作。

本系統(tǒng)在選型的時候就考慮到了農(nóng)業(yè)工作環(huán)境的復雜性，并且盡可能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和工作效率。

3 結(jié) 語

本文針對現(xiàn)有草莓采摘設(shè)備存在開發(fā)成本高、體積大和功耗高等問題，設(shè)計了一套基于DSP的草莓采摘機器人。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計達到了預(yù)期目標，其對提高草莓采摘率，降低農(nóng)民的勞動強度和采摘成本，提高我國精準農(nóng)業(yè)設(shè)施的現(xiàn)代化和智能化水平，加快農(nóng)業(yè)科學進步具有重要的現(xiàn)實意義。