基于ROS農(nóng)田打藥機器人的設(shè)計與研究

陳淑瑜,楊豪,韋德泉,孫亞寧

(1.棗莊學院 機電工程學院，山東 棗莊 277160;2.棗莊學院 光電工程學院，山東 棗莊 277160)

0 引言

機器人技術(shù)近些年得到了快速的發(fā)展，智能種菜機器人、林下作業(yè)機器人、掃地機器人等逐漸被應(yīng)用于生活中[1～7].近年來，國家高度重視鄉(xiāng)村振興，并加大對農(nóng)村的投入力度[8]，為了減輕農(nóng)民負擔，減少農(nóng)藥對人身體的危害，本文設(shè)計制作了一款農(nóng)田打藥機器人，并且進行了測試，研究結(jié)論為農(nóng)田打藥機器人的制作提供參考.

1 硬件設(shè)計

1.1 主體模塊

主體模塊選用了履帶式機器小車底盤，如圖1履帶式機器小車采用了12V的直流電機，鋁合金的金屬骨架，其履帶式的車輪設(shè)計適用于打藥機器人的實際工作環(huán)境.履帶是價格低廉的塑料履帶，而且防滑功能較好.履帶小車適應(yīng)野外的各種復(fù)雜環(huán)境，能夠較好的實現(xiàn)其驅(qū)動目的.

圖1 履帶式機器小車 圖2 光電傳感器

1.2 控制模塊

控制模塊選用了STC15F2K60S2單片機.此單片機是8051單片機的增強版，STC15F2K60S2單片機比傳統(tǒng)的51單片機運行速度快很多，在相同時鐘下，最快可以比51單片機快12倍.無需外接最小系統(tǒng)電路.內(nèi)部集成多路PWM控制器，可以同時獨立輸出多路PWM，具有兩個串口，內(nèi)部集成時鐘電路，時鐘頻率可以進行配置.

1.3 避坑模塊

用光電開關(guān)傳感器作為避障模塊，如圖2所示，光電開關(guān)傳感器通過前面的遮光程度來實現(xiàn)避障的，傳感器上面有兩個小燈，一個燈發(fā)射紅外線，照到物體后，會發(fā)生漫反射.如果另一個燈收到，就會給一個低電平.

1.4 循跡模塊

基于OpenCV視覺庫的視覺循跡.OpenCV(open source computer vision library)是一個開源的計算機視覺庫，可以在市面上流行的主流操作系統(tǒng)上運行.視覺庫里面提前裝了許多圖像處理算法的函數(shù)，所以它十分的高效.視覺循跡是使用攝像頭采集車輛前方行走路徑的圖像,進行圖像識別,并判斷小車的位置.視覺循跡技術(shù)的特點是它具有較為準確的定位而且技術(shù)成本較低.視覺循跡對于各種復(fù)雜的工作環(huán)境都可以達到穩(wěn)定循跡的效果.

1.5 打藥模塊

機械式打藥機的工作原理是根據(jù)伯努利原理制做而成.伯努利原理所說的是壓強越大，液體的流速就會越大；而壓強越小，流速就會越小.設(shè)計在機器小車上安裝一個小型的抽水泵，加一個塑料軟管，將藥液噴灑出去.再安裝一個舵機，實現(xiàn)藥管左右晃動打藥.

2 軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框圖

圖3 系統(tǒng)框圖

2.2 PC端程序設(shè)計

本設(shè)計運用Linux Ubuntu 16.04發(fā)行版，在Linux上運用了ROS kinetic發(fā)行版.編程語言用的是Python.ROS的通信機制：ROS(robot operating system)是一個開源的機器人軟件平臺.ROS系統(tǒng)最大的特點就是它的發(fā)布-訂閱式的框架結(jié)構(gòu).正基于此，該設(shè)計選擇了ROS系統(tǒng)來作為農(nóng)田打藥機器人的控制操作系統(tǒng).OpenCV作為視覺節(jié)點，其它傳感器采集的信息通過MCU處理后，經(jīng)總線發(fā)送至PC端，PC端通過專門的節(jié)點進行處理.各節(jié)點經(jīng)分析綜合，給出機器人的運動方案，再經(jīng)總線傳給機器人驅(qū)動層.為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免因為串口失效引起系統(tǒng)崩潰，我們將計算機視覺部分與串口通信部分分離.

2.2.1 視覺節(jié)點程序設(shè)計

首先導(dǎo)入OpenCV圖像處理庫，創(chuàng)建攝像頭對象并打開攝像頭，然后讀取攝像頭進入主循環(huán)，在主循環(huán)中首先判斷攝像頭是否成功讀取到了攝像頭數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)正確讀取就對圖片進行處理，如果沒有成功獲取就繼續(xù)讀取.圖片處理中首先對圖片進行高斯濾波，然后是顏色空間變換，將原本的RGB轉(zhuǎn)化為SVH，這樣使得程序更好的對圖片的色彩以及飽和度信息進行判斷和分類，然后對圖片進行二值化，二值化后的數(shù)據(jù)只有黑白二種顏色，通過調(diào)用函數(shù)找到二值圖像中所有的連通域并通過編寫算法找到最大連通域，畫出最大連通域的最小外接正四邊形并找出正四邊形的幾何中心，我們定義該點為小車下一步要達到的目標點.最后通過topic廣播出去.流程圖如圖4所示.

圖4 視覺節(jié)點流程圖

2.2.2 串口收發(fā)節(jié)點程序設(shè)計

該部分主要負責訂閱監(jiān)聽來自視覺節(jié)點的話題，并根據(jù)話題內(nèi)容決定小車的走向，并通過串口發(fā)送給小車.該部分原可以放入視覺節(jié)點中，但考慮到如果結(jié)點因為兩個設(shè)備中一個設(shè)備故障而失效時可能會帶來另一個設(shè)備被占用而無法重啟節(jié)點，所以添加此節(jié)點.

在該節(jié)點中首先導(dǎo)入串口處理函數(shù)庫并打開對應(yīng)串口，然后編寫監(jiān)聽的回調(diào)函數(shù)，最后注冊監(jiān)聽來自視覺節(jié)點的話題，進入等待階段.當受到訂閱的消息時系統(tǒng)會自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)，在回調(diào)函數(shù)中首先對接收到的消息進行判斷，然后得出小車應(yīng)該直行、左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)，最后把小車方向控制信息通過串口發(fā)送給小車.該部分程序流程圖如圖5所示.

圖5 控制節(jié)點流程圖 圖6 單片機流程圖

2.3 單片機程序設(shè)計

實時采集傳感器并將傳感器采集到的信息經(jīng)處理后上傳，并且接受來自PC端的命令，控制電機，來完成PC端想要機器人完成的動作.該部分程序流程圖如圖6所示.

2.4 實地調(diào)試

調(diào)試地點選擇了足球場的草地，模擬了一條白線為農(nóng)田的路徑，也就是機器人運動的路徑.經(jīng)實地調(diào)試發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)了用ROS系統(tǒng)控制機器人的驅(qū)動，機器人根據(jù)PC端發(fā)出的指令進行前進后退以及轉(zhuǎn)彎.機器人會根據(jù)前方安裝的光電開關(guān)傳回來的路徑信息進行反饋避障，并根據(jù)視覺攝像頭進行視覺循跡，通過在機器人身上安裝的打藥機械裝置完成農(nóng)田打藥工作.

圖7 視覺循跡圖 圖8 ROS操作界面圖

圖9 整體實物圖

3 結(jié)論

基于ROS操作系統(tǒng)的農(nóng)田打藥機器人是將傳統(tǒng)的農(nóng)田打藥機械裝置和循跡避障智能車相結(jié)合，能夠通過電腦操作從而控制機器人進行農(nóng)田打藥.該設(shè)計將傳統(tǒng)的循跡智能車進行了優(yōu)化，將傳統(tǒng)循跡智能車所采用的超聲波傳感器換成了基于OpenCV視覺庫的攝像頭視覺循跡，此改良能夠進一步的提升機器人的準確定位，利于人們對于機器人的控制.基于ROS操作系統(tǒng)的農(nóng)田打藥機器人能夠大大的提高農(nóng)田打藥工作的效率，并且省時省力，能夠很好的減輕人工負擔.