基于雙目立體視覺的采摘機器人設計

杜梟雄 張鵬超 姚晉晉 王 彥

（1.陜西理工大學機械工程學院，陜西漢中723001；2.陜西理工大學陜西省工業(yè)自動化重點實驗室，陜西漢中723001）

0 引言

農(nóng)業(yè)勞動力的匱乏，在一定程度上致使果蔬無法得到及時采摘，從而給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大損失。因此，迫切需要深入開展采摘機器人相關(guān)理論與技術(shù)的研究。本文基于機器視覺技術(shù)設計了一種智能移動式水果采摘機器人[1]，集可移動平臺、機械手臂、氣動采摘吸盤及智能控制模塊于一身。通過雙目立體視覺技術(shù)，實現(xiàn)了水果采摘機器人自主移動行走、避障及果實定位識別的功能。

1 機械本體及硬件系統(tǒng)設計

初步設計車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采摘機器人移動平臺車體結(jié)構(gòu)

2 移動平臺控制系統(tǒng)設計

本設計采用STM32F103作為主控制芯片，該芯片融高性能、實時性、數(shù)字信號處理、低功耗、低電壓等優(yōu)點于一身，同時保持了高集成度和開發(fā)簡易的特點。

2.1 主控單元

本系統(tǒng)選用STM32F103芯片作為采摘機器人移動平臺的中央控制器，完成傳感器信息收集、電機控制、外部通信擴展等任務[2]。

2.2 電機驅(qū)動模塊

在綜合考慮電機驅(qū)動機器人的承載能力、驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及功率等技術(shù)指標的基礎上完成對直流電機的選型，并且在機器人機械結(jié)構(gòu)中通過增加減速裝置來進一步提高驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，最終選擇直流電機型號為GM25-370-2414-75-14.5D10。表1為直流電機主要技術(shù)指標參數(shù)。

表1 直流電機主要技術(shù)指標參數(shù)表

2.3 紅外尋跡模塊

本文設計的采摘機器人在設置的黑帶軌道上行駛，三對紅外收發(fā)管安置于車體前部并對地，與地面相隔1 cm左右，根據(jù)接收到的反射光線強弱來判斷是否在軌跡上。光電傳感器實現(xiàn)循跡的基本電路如圖2所示。

圖2 循跡電路圖

2.4 超聲波測距模塊

考慮到采摘機器人行駛過程中可能存在障礙，因此在采摘機器人行駛過程中必須進行避障處理。

2.5 無線通信模塊

通過無線接收模塊來實現(xiàn)下位機與上位機之間的通信，可在復雜環(huán)境中保證其行進的安全性。

2.6 WiFi服務程序設計

WiFi服務系統(tǒng)由主控部分、避障傳感器、攝像頭、機械臂等部分構(gòu)成，主控部分采用STM32F103+ESP8266構(gòu)成。通過主控把采集到的攝像頭信息上傳到PC端，然后PC端顯示采摘機器人實時視頻信息。STM32通過USART2與ESP8266通信，原理圖如圖3所示。

3 軟件系統(tǒng)設計

本設計的軟件系統(tǒng)為上位機+下位機的設計框架，上位機通過接收雙目視覺模塊采集的圖像對目標進行識別與定位，然后根據(jù)目標定位數(shù)據(jù)，結(jié)合摘機械臂的模型參數(shù)和運動學的模型，進行機械手定位采摘目標逆運動學求解及軌跡規(guī)劃，解算出機械手到達目標姿態(tài)對應的關(guān)節(jié)動作角度。并通過調(diào)用串口通信類與運動控制器MCU通信，將關(guān)節(jié)動作數(shù)據(jù)傳遞給運動控制器MCU。

3.1 目標果實的檢測與定位

識別的首要任務是進行果實圖像樣本的采集，需要依靠CCD攝像機拍攝完成，根據(jù)圖片信息建立完整的果實樣本；其次是建立顏色模型，采用圖像分割技術(shù)將果實與其周圍生長環(huán)境分開，識別果實本體，并通過三原色RGB對比計算，判斷目標果實的成熟度[3]。

3.2 雙目視覺空間定位原理

采摘機器人進行采摘作業(yè)的前提是先識別成熟果實及確定其三維位置，對果實成熟率的識別和定位，極大程度地影響了采摘的成功率，然后通過WiFi模塊將圖像采集信息傳送至工控計算機，根據(jù)形成的三維圖像，進而實施準確采摘。

圖3 STM32和ESP8266原理圖

4 結(jié)語

采摘機器人的控制部分采用ARM+PC的控制方式，搭載了四自由度的機械臂。通過采用移動平臺來搭載機械手，可以使采摘機器人活動范圍更加靈活。