基于MSP430F149智能監(jiān)控的蘋果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

宣　峰，朱清智，張　毅

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000)

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基于MSP430F149智能監(jiān)控的蘋果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

宣峰，朱清智，張毅

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000)

摘要：目前，農(nóng)村勞動(dòng)力的匱乏，農(nóng)業(yè)機(jī)器人代替工人作業(yè)已經(jīng)成為一大趨勢。絕大部分采摘機(jī)器人都是以專業(yè)的工業(yè)PC機(jī)為智能控制平臺(tái)，所占空間大、功耗高且價(jià)格十分高昂，使得智能機(jī)器人成本太高，推廣的阻力很大。為此，以MSP430F149為核心處理器，結(jié)合機(jī)器視覺理論技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套智能監(jiān)控的采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)處理采集到的圖像，指導(dǎo)采摘機(jī)器人前進(jìn)及采摘目標(biāo)果實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互工作，設(shè)計(jì)了LCD顯示電路，可以通過其實(shí)時(shí)了解采摘機(jī)器人的工作狀態(tài)，且極大地降低了制造成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)識(shí)別錯(cuò)誤率低至3.72%，提高了采摘機(jī)器人的可靠性和采摘效率，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；MSP430F149；智能監(jiān)控；機(jī)器視覺；人機(jī)交互

0引言

隨著智能農(nóng)業(yè)機(jī)械方面技術(shù)的日益成熟，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生了很大的變化，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段和生產(chǎn)工具在農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)模式上的運(yùn)用逐漸深入，促使我國實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)，發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。智能控制和信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，使得研究人員開始重視農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，使其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用更加普遍。在水果種植產(chǎn)業(yè)中，水果果實(shí)的收獲作業(yè)相對復(fù)雜和繁瑣，勞動(dòng)力的消耗較大，且果實(shí)采摘質(zhì)量的好壞很大程度影響農(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收入。在我國，人口老齡化和勞動(dòng)力的短缺，使得采摘成本較高，且在采摘過程中工人人身會(huì)存在安全隱患，因此農(nóng)業(yè)機(jī)器人的需求非常急迫。MSP430F149單片機(jī)是一款16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，內(nèi)部集成了大量模擬和數(shù)字電路，外圍電路少，可以提供極其精簡的嵌入式系統(tǒng)方案。為此，設(shè)計(jì)了基于MSP430F149處理器的智能機(jī)器人視覺系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)水果自動(dòng)化采摘作業(yè)。MSP430F149單片機(jī)核心開發(fā)板和智能監(jiān)控的采摘機(jī)器人如圖1所示。

1視覺系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺技術(shù)的功能相當(dāng)于動(dòng)物的眼睛，使沒有視覺的機(jī)器人能通過攝影機(jī)和傳感器做出正確的測量和判斷。該系統(tǒng)通過CCD相機(jī)可以獲取豐富的數(shù)據(jù)信息，MCU會(huì)快速處理。因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)高速發(fā)展的社會(huì)中，該技術(shù)已經(jīng)廣泛的用于質(zhì)量分級(jí)、產(chǎn)品質(zhì)檢、工況監(jiān)測和植物生長參數(shù)檢測等多個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器視覺工作示意如圖2所示。

圖1　MSP430F149核心開發(fā)板和智能機(jī)器人

圖2　機(jī)器視覺工作示意圖

機(jī)器視覺結(jié)合先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)和電子信息技術(shù)于一體，主要包括鹵素?zé)艄庠?、光學(xué)器件(棱鏡、偏光片、鏡頭、反射器、分光器、漫射片、濾光片)、CCD相機(jī)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理軟件及智能控制系統(tǒng)等部分。視覺系統(tǒng)總體構(gòu)建如圖3所示。

圖3　智控采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)總體架構(gòu)

機(jī)器視覺系統(tǒng)將攝像機(jī)拍攝的圖片轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，交給圖像處理系統(tǒng)，獲得物體果實(shí)的狀態(tài)信息，并依照圖像信號(hào)像素分布和色彩，處理成數(shù)字信號(hào)；MSP430F149處理器將數(shù)字信號(hào)采用各類精確運(yùn)算獲知果實(shí)物體的特征及三維坐標(biāo)，并通過判定結(jié)果去驅(qū)動(dòng)控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2目標(biāo)果實(shí)的分割識(shí)別

在環(huán)境復(fù)雜的果林中，機(jī)器人想要成功采摘目標(biāo)果實(shí)，最重要的一步是精準(zhǔn)地識(shí)別目標(biāo)果實(shí)，機(jī)器視覺的顏色空間模型算法和圖像處理決定了目標(biāo)果實(shí)的準(zhǔn)確分割識(shí)別。雙目攝影機(jī)拍攝果實(shí)的顏色圖像和空間圖像，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)果實(shí)表皮的顏色、形態(tài)特征和距離信息確定。

顏色模型指空間顏色坐標(biāo)的某個(gè)能夠看得到的光子集合，是所有顏色域的集合，如圖4所示。RGB就是空間直角坐標(biāo)系顏色系統(tǒng)的一個(gè)單位立方體，控制系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)果實(shí)顏色的深度層次進(jìn)行數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存，以便圖形處理系統(tǒng)確定果實(shí)成熟度。

圖4　RGB顏色模型

該機(jī)器人系統(tǒng)利用圖形處理軟件，采用幾何推導(dǎo)法計(jì)算出色調(diào)、飽和度、亮度，從而推算識(shí)別出目標(biāo)果實(shí)及其成熟度。則有

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，H為顏色色調(diào)；S為顏色飽和度；I為顏色明度。根據(jù)3個(gè)值的計(jì)算及采用面積加權(quán)直方圖算法，通過判斷果皮顏色，進(jìn)而根據(jù)水果各個(gè)時(shí)期的顏色對比，就可以判斷水果是否符合采摘要求。

3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智控采摘機(jī)器人需要對采集系統(tǒng)快速處理，以高效敏捷地驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前行，控制機(jī)械手去完成采摘作業(yè)。針對這些因素，設(shè)計(jì)了以MSP430F149為核心控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)，可完成實(shí)時(shí)采集信息、處理信息、機(jī)器人在現(xiàn)場的自動(dòng)控制和采摘狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示。該控制系統(tǒng)硬件電路主要包括MSP430F149最小系統(tǒng)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、12864顯示及按鍵輸入等電子電路。

3.1　MSP430F149最小系統(tǒng)電路

MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)是用很簡單的元器件組成一個(gè)核心處理器可以正常運(yùn)行的基本電路，主要包括MCU、振蕩電路和復(fù)位電路。其中，振蕩電路包括8MHz和 32kHz兩種振蕩模式，處理器可以根據(jù)外圍器件的需要選擇合適的時(shí)鐘頻率。其電路原理圖如圖5所示。

3.2　12864液晶顯示電路

12864是一個(gè)圖形點(diǎn)陣顯示器，共有128×64個(gè)點(diǎn)陣，可以完成圖形顯示，最多能顯示32個(gè)漢字，直流5V供電。此系統(tǒng)作為最簡單的顯示功能，主要用來指示采摘機(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)及電池剩余電量，是人機(jī)交互的一個(gè)窗口。其電路原理圖如圖6所示。

3.3　伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

伺服電機(jī)主要有扭矩、速度、位置3種控制模式。其中，扭矩形式是通過外部模擬量的輸入來設(shè)定電機(jī)軸對外的轉(zhuǎn)矩大小，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為大于預(yù)設(shè)值時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則反轉(zhuǎn)；速度形式是通過模擬量的輸入或者脈沖的頻率來進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，進(jìn)行速度模式控制時(shí)需要給上位反饋電機(jī)的位置信號(hào)以做運(yùn)算用。該采摘機(jī)器人需要幾種模式的共同切換控制，來完成機(jī)器人的前進(jìn)及后退、抓取等機(jī)械動(dòng)作。伺服電機(jī)電路如圖7所示。

圖5　MSP430F149最小系統(tǒng)原理圖

圖6　12864液晶顯示原理圖

圖7　伺服電機(jī)電路圖

3.4　系統(tǒng)電源電路

智能采摘機(jī)器人采用5V/5A的鋰電池供電，電池5V輸入電壓經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)5V到3.3V和5V到1.8V的轉(zhuǎn)換。嵌入式系統(tǒng)MSP430F149處理器供電電壓是3.3V，因外圍電路對處理芯片干擾大，故 DC-DC模塊需加濾波電容減小紋波。MSP430嵌入式模塊需要長期供電，當(dāng)外部斷電時(shí)需要采用電池來給其供電。系統(tǒng)電源電路如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)電源電路

嵌入式系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的方法有很多種，而電源的很多指標(biāo)是不可能同時(shí)兼顧的，往往需要在效率、噪聲性能、紋波、成本等方面進(jìn)行折中考慮。處于對成本、效率的的考慮 ，整個(gè)系統(tǒng)電源電路采用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)三端線性穩(wěn)壓器進(jìn)行DC-DC轉(zhuǎn)換：一路采用LM1117-33將5V降至3.3V，一路采用LM1117-18將5V降至1.8V。

4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智控采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要考慮機(jī)械控制驅(qū)動(dòng)的精確性和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，采用IAR Embedded Workbench為開發(fā)平臺(tái)。IAR Embedded Workbench為開發(fā)不同的MSP430目標(biāo)處理器項(xiàng)目提供強(qiáng)有力的開發(fā)環(huán)境，并為每一種目標(biāo)處理器提供工具選擇，為開發(fā)和管理MSP430嵌入式應(yīng)用程序提供了極大便利。該系統(tǒng)軟件包括Main主程序和圖片處理、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器采集及LED顯示等子程序。系統(tǒng)通過調(diào)用各個(gè)子程序，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)器人整體的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并根據(jù)信息反饋實(shí)時(shí)修改控制指令。智控采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。

圖9　控制系統(tǒng)軟件流程示意圖

5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該視覺系統(tǒng)的可靠性，在蘋果林對該系統(tǒng)進(jìn)行了分割識(shí)別實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分別在晴天和陰天進(jìn)行，并以攝像圖離目標(biāo)物小于250cm和大于250cm拍攝50幅圖片，然后通過圖像處理軟件進(jìn)行識(shí)別。實(shí)驗(yàn)識(shí)別結(jié)果如表1所示。

由表1可見：在整個(gè)識(shí)別實(shí)驗(yàn)中，陰天由于光線不強(qiáng)烈，該機(jī)器人系統(tǒng)識(shí)別正確率較高；攝像機(jī)離目標(biāo)物的距離小于250cm識(shí)別正確率也很高，表明機(jī)器人系統(tǒng)識(shí)別正確率與環(huán)境狀況和測試舉例有關(guān)。經(jīng)分析可知，此機(jī)器人最低識(shí)別率為89.47%，識(shí)別正確率較高，可靠性強(qiáng)，符合設(shè)計(jì)要求。

表1　目標(biāo)識(shí)別結(jié)果

6結(jié)論

以MSP430F149處理器為核心搭建了水果目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，采用模塊分類設(shè)計(jì)法，運(yùn)用顏色模型對比方式，可以依照園林環(huán)境采用合適的方式進(jìn)行識(shí)別作業(yè)，系統(tǒng)移植性能強(qiáng)，圖像信息處理速度快，識(shí)別正確率高。該智能識(shí)別系統(tǒng)對于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人快速識(shí)別目標(biāo)并進(jìn)行正確采摘作業(yè)具有很大幫助，同時(shí)還可以大幅度提高采摘效率，對實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘無人化具有十分重要的意義。

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Design for Apple-picking Robot Based on MSP430F149 Intelligent Monitoring

Xuan Feng, Zhu Qingzhi, Zhang Yi

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

Abstract：At present, as the lack of rural labor,it has become a major trend that agricultural robots are used to be instead of workers. The vast majority of picking robots is a professional industrial PC intelligent control platform, which has a large space, high power consumption,high price and cost, the resistance to agricultural extension. This paper takes MSP430F149 as the core processor, combined with the theory of machine vision technology, it designs a set of intelligent control system for picking robot, which can process the collected images in real time, and guide the picking robot to advance and pick the fruits. In order to realize the work of human computer interaction, the LCD display circuit is designed, and the working state of the picking robot can be understood through its use, and the manufacturing cost is greatly reduced. The experimental results show that the recognition error rate of the robot vision system is low to 3.72%, which improves the reliability and efficiency of picking robot.

Key words：picking robot; MSP430F149; intelligent monitoring; machine vision; human computer interaction

中圖分類號(hào)：S225.93;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0234-05

作者簡介：宣峰(1981-)，男，河南南陽人，講師，碩士。通訊作者：朱清智(1980-)，男，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail)xuanfeng1981@qq.com。

基金項(xiàng)目：河南省高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15B535002);河南省高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(14B510011)

收稿日期：2015-08-09