果園遠(yuǎn)程機(jī)器人數(shù)字視頻光纖傳輸系統(tǒng)—基于DWDM

冷 偉

(四川郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，成都 610067)

0 引言

隨著世界人口的急劇增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所承受的壓力越來(lái)越大，對(duì)大規(guī)模、高效率的生產(chǎn)模式的需求也日益明顯。同時(shí)，科技的發(fā)展和各種理論、技術(shù)的突破也使得這類生產(chǎn)模式成為可能。農(nóng)業(yè)機(jī)器人憑借其無(wú)疲勞、高效率的優(yōu)勢(shì)起到相當(dāng)重要的作用。20世紀(jì)末開(kāi)始，美國(guó)、日本、法國(guó)、印度等許多國(guó)家開(kāi)始了對(duì)自動(dòng)采摘機(jī)器人的研究，并取得了一定成果，但應(yīng)用情況并不樂(lè)觀。對(duì)于自動(dòng)化作業(yè)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。此系統(tǒng)可以協(xié)助機(jī)器人進(jìn)行自我故障診斷，可以對(duì)作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，在必要的時(shí)候可以對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。因此，高效的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要的意義，本研究擬將基于DWDM的光纖系統(tǒng)引入到采摘機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)中，以期得到高效的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

1 DWDM光纖傳輸系統(tǒng)原理及其在采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

DWDM是一種新的光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。該技術(shù)采用兩種不同的方式在光纖內(nèi)傳送數(shù)據(jù)：一是按照比特位并行傳輸；二是利用字符串串行傳輸數(shù)據(jù)。在發(fā)送端和接收端，該技術(shù)分別采用了光復(fù)用器和光解復(fù)用器，可以將光載波進(jìn)行合并和分離，從而將多路信號(hào)在一根光纖中傳輸，大大提高了光纖的利用率，可在比ITU-T建議標(biāo)準(zhǔn)小的情況下，采用50GHz和33.3GHz甚至更小的信道間隔，充分利用光線帶寬進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

DWDM系統(tǒng)主要由4部分組成，包括主要的光復(fù)用器和光解復(fù)用器，再就是必備的光源、光放大器和光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。

光復(fù)用器與光解復(fù)用器是DWDM系統(tǒng)中非常重要的器件。光復(fù)用器可以將不同的光波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行合成，光解復(fù)用器可以將不同波長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行分離。光復(fù)用器和光解復(fù)用器可以合并為一個(gè)器件，一般要求該器件具有隔離度較大、帶內(nèi)損耗較為平坦及插入損耗小等優(yōu)點(diǎn)。目前，在DWDM系統(tǒng)中，該器件的類型主要有相控陣分波器及光柵耦合器等。

光放大器可以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行放大，補(bǔ)償光信號(hào)在光纖傳輸過(guò)程中的損耗，從而提高光纖信號(hào)的傳輸距離。光信號(hào)放大器最常用的是摻餌光纖放大器，放大器利用泵浦光輸入光纖中的方法使得輸入光信號(hào)與輻射光的相位和波長(zhǎng)自發(fā)保持一致，從而使光信號(hào)的功率得到加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光信號(hào)的放大。

采用DWDM系統(tǒng)可以大大提高光纖的傳輸距離。為了克服長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中光的非線性效應(yīng)和色散受限距離不夠長(zhǎng)的問(wèn)題，需要采用更加先進(jìn)的光源。該光源必須具有穩(wěn)定的波長(zhǎng)和一定的色度色散容限。

DWDM為了實(shí)現(xiàn)光纖的復(fù)用，在一個(gè)系統(tǒng)中允許接入不同廠商的SDH系統(tǒng)。采用光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器將復(fù)用端的信號(hào)轉(zhuǎn)換為制定波長(zhǎng)的標(biāo)注光波信號(hào)，從而使終端光信號(hào)波長(zhǎng)符合規(guī)范系統(tǒng)。

DWDM系統(tǒng)具有通信傳輸速度和通信容量較高、傳輸距離長(zhǎng)、設(shè)備簡(jiǎn)單、智能化程度高等特點(diǎn)，使用在遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)中，將發(fā)揮重要的作用。因此，本次采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了該系統(tǒng)進(jìn)行高清作業(yè)監(jiān)控視頻信號(hào)的傳輸，通過(guò)對(duì)作業(yè)情況的監(jiān)控，對(duì)采摘機(jī)器人發(fā)出控制指令。

圖1為基于DWDM的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程系統(tǒng)基本框架。其中，攝像頭采集的機(jī)器人作業(yè)信息由DWD光纖傳輸系統(tǒng)傳送到電腦和手機(jī)控制終端，然后控制中心對(duì)采摘機(jī)器人發(fā)出遠(yuǎn)程控制指令，并由單片機(jī)將信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制指令對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制，包括舵機(jī)、照明電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等，從而實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

圖1 基于DWDM的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程系統(tǒng)基本框架Fig.1 The basic frame of remote system of picking robot based on DWDM

2 采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)測(cè)試

在采摘機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)過(guò)程中，為了對(duì)采摘機(jī)器人的故障狀態(tài)進(jìn)行診斷，需要實(shí)時(shí)對(duì)采摘機(jī)器人的作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)控。本文采用基于DWDM的光纖傳輸系統(tǒng)架構(gòu)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將采集得到的視頻信號(hào)通過(guò)光纖網(wǎng)路發(fā)送到電腦等終端，并在其上位機(jī)軟件中顯示攝像頭采集到的視頻信號(hào)，發(fā)出控制指令。整個(gè)工作的整體流程圖如圖2所示。

圖2 采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制總體工作流程圖Fig.2 The general working flow chart of remote control for picking robot

采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制終端通過(guò)DWDM光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)和路由器進(jìn)行連接，遠(yuǎn)程控制終端通過(guò)上位機(jī)軟件將控制指令發(fā)送給路由器，路由器接收到控制指令后通過(guò)內(nèi)部的串口發(fā)送軟件，將接收到的命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)；單片機(jī)接收到指令后控制執(zhí)行終端執(zhí)行動(dòng)作，包括小車的運(yùn)動(dòng)、舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)和電路照明等。其中，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要包括電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成方框圖Fig.3 The block diagram of the minimum system composition of a single chip microcomputer

單片機(jī)最小系統(tǒng)的電源電路模塊主要是為單片機(jī)和其他模塊提供電源電壓。本設(shè)計(jì)中采用的電壓主要是標(biāo)準(zhǔn)的+5V電壓，時(shí)鐘電路主要為單片機(jī)的控制指令提供基本的時(shí)序脈沖序列。采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)另一個(gè)重要的部件是舵機(jī)，在設(shè)計(jì)時(shí)將兩個(gè)舵機(jī)合成到一個(gè)控制臺(tái)上，一個(gè)負(fù)責(zé)垂直方向的旋轉(zhuǎn)，一個(gè)負(fù)責(zé)水平方向的旋轉(zhuǎn)。用于采摘機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)視頻采集的攝像頭也安裝在控制臺(tái)上，通過(guò)單片機(jī)發(fā)出PWM信號(hào)控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)攝像頭在轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的示意圖如圖4所示。

圖4 舵機(jī)示意圖Fig.4 The rudder schematic diagram

舵機(jī)實(shí)際是一種伺服電機(jī)，通過(guò)發(fā)送不同的脈寬調(diào)制信號(hào)，控制不同的旋轉(zhuǎn)角度，脈寬可以從0.5～2.5ms之間變化，相對(duì)應(yīng)可以調(diào)整的角度為0°～180°，呈線性變化。整個(gè)遠(yuǎn)程控制過(guò)程的軟件執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5 采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制軟件流程Fig.5 The remote control software process for picking robot

攝像機(jī)將采集到的視頻信號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制端，遠(yuǎn)程控制端根據(jù)采摘機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)發(fā)出控制指令，指令在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)分析后發(fā)送給舵機(jī)和電機(jī)，執(zhí)行攝像頭的旋轉(zhuǎn)和采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的相關(guān)動(dòng)作，從而完成遠(yuǎn)程控制。

3 采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)性能測(cè)試

為了測(cè)試DWDM光纖傳輸系統(tǒng)在采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中發(fā)揮的作用，采用DWDM光纖傳輸系統(tǒng)架構(gòu)了遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)監(jiān)控效果和機(jī)器人的性能進(jìn)行了測(cè)試，如圖6所示。

圖6 基于DWDM光纖系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制采摘機(jī)器人Fig.6 The remote control picking robot based on DWDM optical fiber system

將高清攝像頭安裝在采摘機(jī)器人的頂部，在舵機(jī)的作用下可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將單片機(jī)控制系統(tǒng)嵌入到機(jī)器人內(nèi)部，并進(jìn)行了封裝。首先，對(duì)白天作業(yè)背景下的監(jiān)控圖像進(jìn)行了采集，得到了如圖7所示的結(jié)果。

圖7 白天作業(yè)背景下圖像采集Fig.7 The image acquisition under daytime operation background

圖7中，在白天作業(yè)背景下，采摘機(jī)器人可以從作業(yè)地點(diǎn)將高清的圖像反饋到遠(yuǎn)程控制端，并可對(duì)果實(shí)進(jìn)行特征提取，為采摘機(jī)器人的果實(shí)目標(biāo)定位奠定了基礎(chǔ)。

為了驗(yàn)證采摘機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，在夜間作業(yè)背景下對(duì)作業(yè)場(chǎng)景的圖像進(jìn)行了采集，如圖8所示。在夜間作業(yè)背景下，采摘機(jī)器人也可以傳回高清的作業(yè)圖像，并可對(duì)果實(shí)目標(biāo)圖像進(jìn)行特征提取，從而驗(yàn)證了監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

為了驗(yàn)證光纖傳輸系統(tǒng)性能的可靠性，對(duì)傳輸系統(tǒng)的時(shí)延特性和丟包率進(jìn)行了測(cè)試，得到如表1所示的結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可以看出：傳輸系統(tǒng)具有較低的時(shí)延特性和丟包率，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。

圖8 夜間作業(yè)背景下圖像采集Fig.8 The image acquisition under night operation background

表1 光纖傳輸性能測(cè)試Table 1 The performance test of fiber transmission

最后，對(duì)采摘機(jī)器人的采摘性能進(jìn)行了測(cè)試，得到了如表2所示的測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可以看出：采摘機(jī)器人對(duì)于果實(shí)目標(biāo)的識(shí)別效率較高，且采摘的準(zhǔn)確率也較高，可以滿足采摘機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)的設(shè)計(jì)需求。

表2 采摘性能測(cè)試Table 2 The picking performance test

4 結(jié)論

為了提高采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的性能，將基于DWDM的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)引入到了監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，從而有效地提高了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力，對(duì)白天和夜間作業(yè)條件下的系統(tǒng)性能分別進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：在白天和夜間作業(yè)條件下，監(jiān)控系統(tǒng)都可以傳回高清的作業(yè)場(chǎng)景圖像，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。為了驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的作用，對(duì)采摘機(jī)器人的作業(yè)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：采摘機(jī)器人具有較高的果實(shí)目標(biāo)識(shí)別效率，其采摘準(zhǔn)確率也較高，從而驗(yàn)證了方案的可行性。