東北石油大學(xué) 樊雨佳

本次設(shè)計(jì)的主要對(duì)象就是面對(duì)像瓜果類的初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品成熟度的檢測(cè)以及對(duì)后期數(shù)據(jù)的反饋，確定成熟的初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品所在位置，并反饋?zhàn)鴺?biāo)信息，對(duì)后期采摘加以控制，從而達(dá)到提高該類初級(jí)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)從檢測(cè)到控制的一體化過程的目的。

機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究起始于20世紀(jì)70年代，主要集中在植物種類的鑒別、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)檢測(cè)等方面，初期的研究多數(shù)是對(duì)機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的可行性分析及圖像處理算法的開發(fā)。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件、圖像采集處理裝置、圖像處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。目前，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始將機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)階段，以解決人口老齡化加劇、勞動(dòng)力缺失等問題引起的挑戰(zhàn)。

農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)方式：

（1）根據(jù)檢驗(yàn)過程中是否要對(duì)農(nóng)作物結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，將成熟度檢測(cè)方法劃分為傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與無(wú)傷檢測(cè)技術(shù)。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)主要是依靠經(jīng)驗(yàn)判斷是否成熟或借助糖度檢測(cè)分析儀、酸度檢測(cè)分析儀、硬度計(jì)等工具來檢測(cè)判斷農(nóng)產(chǎn)品的外觀、可溶性糖含量、酸度、硬度等等通過數(shù)值上檢測(cè)是否合格、借助此類儀器僅能起到抽查的作用，而對(duì)于大規(guī)模采摘檢測(cè)無(wú)疑是不可取的。

（2）傳統(tǒng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來判斷農(nóng)產(chǎn)品是否成熟，大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品都需要借助顏色和硬度來判斷。這種方法重復(fù)性高可由機(jī)器代替。利用機(jī)械視覺來代替人眼進(jìn)行簡(jiǎn)單且重復(fù)性高的動(dòng)作從而代替人來提高生產(chǎn)力。

總體設(shè)計(jì)思路：采摘系統(tǒng)如下構(gòu)成，無(wú)需多余的部件，實(shí)現(xiàn)精確，靈活對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行采摘。利用機(jī)械臂細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)可對(duì)植株深處的農(nóng)作物進(jìn)行采摘。在機(jī)器前部與工作手臂前端安置攝像頭，機(jī)器前部攝像頭在尋找目標(biāo)時(shí)打開，利用激光測(cè)距儀數(shù)據(jù)和機(jī)器視覺對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行鎖定當(dāng)進(jìn)入到機(jī)器工作范圍內(nèi)，啟用工作手臂前置攝像頭并關(guān)閉機(jī)器前部攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)精確采摘。采摘結(jié)束之后機(jī)器會(huì)通過藍(lán)牙發(fā)送空間位置給電腦，避免二次無(wú)用搜索（此程序可自己選擇關(guān)閉或開啟）。

圖1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)過程中主要難點(diǎn)在于確定物體位置的問題，以及各種作物特征值問題。我們對(duì)比大量數(shù)據(jù)，從實(shí)踐出發(fā)做了大量實(shí)驗(yàn)并得出結(jié)論編寫了算法，并根據(jù)現(xiàn)有的理論知識(shí)創(chuàng)建程序。確保了系統(tǒng)的實(shí)用性。最終實(shí)現(xiàn)需要連接電腦藍(lán)牙，通過藍(lán)牙實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)，并將地理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)返回給機(jī)器，最終實(shí)現(xiàn)不漏一個(gè)農(nóng)作物，高效精確地完成任務(wù)。

具體結(jié)構(gòu)模塊如圖1所示。

1 檢測(cè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖2 機(jī)械臂成圖

通過電機(jī)以及舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)來使得機(jī)械臂做出前伸，后拉，旋轉(zhuǎn)以及抓取等動(dòng)作。由兩個(gè)發(fā)送端組成整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)，發(fā)送端在PCB線路板上設(shè)計(jì)并焊接集成了STM32F103C8核心板，MPU6050姿態(tài)傳感器，nRF24L01無(wú)線收發(fā)器和一個(gè)控制機(jī)械臂爪子部分夾取功能的按鈕。MPU6050姿態(tài)傳感器輸出的并不是角度或者加速度信號(hào)，mpu6050內(nèi)部集成有處理單元DMP數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器，原始數(shù)據(jù)經(jīng)過DMP融合（打包處理）得到四元數(shù)，四元數(shù)在經(jīng)過以下的數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換分別轉(zhuǎn)換為x軸，y軸，z軸上的角度，接收端收到數(shù)據(jù)后，再將角度最終轉(zhuǎn)換為弧度交由機(jī)械臂舵機(jī)去執(zhí)行。如圖2所示。

1.2 攝影電路

圖像傳感器的指令，產(chǎn)生數(shù)碼相機(jī)專用集成電路其他模塊的同步時(shí)序，在MCU的控制下完成取景和拍照操作。OV7725是一個(gè)能夠提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能的圖像傳感器，它可以輸出整幀，子采樣，取窗口等方式的各種分辨率8/10位圖像數(shù)據(jù)，支持的數(shù)據(jù)格式有很多種，包括RAW RGB，RGB(GRB4:2:2，RGB 565/555/444)以及YCbCr(4:2:2)等格式。它的體積小，工作電壓低，具有單片VGA攝像頭影像處理器的功能，可以對(duì)圖像進(jìn)行伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等處理。一幅圖像就是一幀的數(shù)據(jù)，OV7725在采集完一幅圖像后，都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)場(chǎng)/幀同步信號(hào)VSYNC，其時(shí)序?yàn)椋阂粋€(gè)脈沖為一幀的開始，低電平時(shí)開始傳輸，另一個(gè)脈沖為一幀結(jié)束。當(dāng)捕捉到VSYNC的上跳沿（或下跳沿）時(shí)，產(chǎn)生中斷，將數(shù)據(jù)寫入到FIFO中。VSYNC保持低電平表明正在傳送圖像。當(dāng)再次捕捉到VSYNC的上跳沿（或下調(diào)沿）時(shí)，產(chǎn)生中斷，一幀圖像傳輸完畢，禁止向FIFO的寫入，并開始讀FIFO中的數(shù)據(jù)。具體流程圖如圖3所示。

圖3 攝影及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

1.3 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

SCCB（OmniVision serial camera control bus），即串行攝像機(jī)控制總線，是一種已經(jīng)由OmniVision公司定義和采納的SCCB總線是一種三線結(jié)構(gòu)的串行總線，用于完成對(duì)絕大多數(shù)OmniVision系列圖像傳輸芯片功能的控制。在簡(jiǎn)化的引腳封裝中，SCCB總線可以工作在改進(jìn)的兩線工作方式下。兩線SCCB接口有兩條通迅連接線，即SIO_D（數(shù)據(jù)線）和SIO_C（時(shí)鐘線）。SCCB接口協(xié)議是一種簡(jiǎn)化的I2C協(xié)議，兩者通信的時(shí)序基本一致，但是在應(yīng)答信號(hào)ACK和總線停止信號(hào)等方面上存在差異。STM32上沒有SCCB的硬件接口，故采用GPIO模擬I2C（SCCB的雙總線，將SCCB_E硬件接地）的方式實(shí)現(xiàn)，圖4所示是雙總線功能原理圖。

圖4 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

2 軟件算法

2.1 視覺算法

在圖像處理部分，利用相機(jī)攝影保存圖片，再將圖片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過STM32單片機(jī)的處理，采用CMOS視覺相機(jī)對(duì)客觀環(huán)境進(jìn)行記錄，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，分別傳送給圖像處理模塊，和數(shù)據(jù)運(yùn)算控制模塊。圖像處理模塊則對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行分析和處理，該模塊的核心在于采用SLAM視覺技術(shù)，完成對(duì)客觀環(huán)境的分析來達(dá)到對(duì)三維地圖的建立以及自身定位，數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)的控制和運(yùn)算模塊，從數(shù)據(jù)運(yùn)算及控制端模塊將采用ARM內(nèi)核的STM32微處理器，對(duì)攝取到的光學(xué)圖像信號(hào)運(yùn)算以及客觀環(huán)境內(nèi)主體運(yùn)動(dòng)路線的分析與制定。并將每次記錄到數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)范圍做比較，評(píng)定是否產(chǎn)品符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)再通過數(shù)據(jù)反饋模塊將記錄到的數(shù)據(jù)反饋給主機(jī)。控制端將再數(shù)據(jù)傳送到步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)完成對(duì)各個(gè)角度的檢測(cè)。為農(nóng)產(chǎn)品今后的生產(chǎn)做分析應(yīng)用。數(shù)據(jù)傳送和反饋模塊將采用藍(lán)牙以及IIC來傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)算法

單片機(jī)輸出控制信號(hào)，舵機(jī)接收控制信號(hào)控制電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)過程將采用PWM算法來控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。PWM算法是一種對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過單片機(jī)來改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期長(zhǎng)度來控制輸出頻率。從而達(dá)到控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的問題。

結(jié)論：面對(duì)社會(huì)需求以及國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺對(duì)于農(nóng)業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀，我認(rèn)為機(jī)器視覺在農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)以及采摘控制方面前景巨大，后期對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展的防蟲工作，種子篩選工作，農(nóng)田規(guī)劃方面也是大有作為。用機(jī)器代替人進(jìn)行一些可操作性不高的工作是再合適不過了。此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)不僅滿足市場(chǎng)需求，更能解決實(shí)實(shí)在在的社會(huì)問題，推進(jìn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，智能化的一劑強(qiáng)心劑。為農(nóng)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。