基于STM32的智能除草機器人設(shè)計*

張麗慧，尹序臻，江永鑫，荊汝鐸

（廈門理工學(xué)院 電氣工程與自動化學(xué)院，福建 廈門 361024）

隨著社會的快速發(fā)展，使得原本從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動力逐步轉(zhuǎn)向其他行業(yè)[1]，加之在我國當(dāng)前階段中農(nóng)村人口老齡化問題逐漸加重，導(dǎo)致農(nóng)村勞動力數(shù)量逐漸的減少，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常的進(jìn)行造成了嚴(yán)重影響，不利于我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展[2]。另外，采用人工或者除草設(shè)備在農(nóng)田除草，勞動成本高且效率低下，不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)行。為提高農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，發(fā)展現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是必然選擇的途徑，而農(nóng)業(yè)除草機器人就是精確農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture)在農(nóng)田除草上一個重要應(yīng)用，也是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然途徑[3]。

隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展及其在農(nóng)業(yè)上定位和識別領(lǐng)域的應(yīng)用，基于機器視覺的除草機器人得到了很大的發(fā)展[4]。但現(xiàn)在國內(nèi)外的大多數(shù)除草機器人都是采用噴灑除草劑的方式除草，對環(huán)境造成了一定的污染，也增加了農(nóng)藥殘留。因此，很多國家已經(jīng)頒布法令明令禁止使用化學(xué)除草劑[5]。

為解決以上問題，本文設(shè)計了一種智能除草機器人，利用圖像識別技術(shù)和機械手準(zhǔn)確定位技術(shù)進(jìn)行除草，綠色環(huán)保，省時省力；另外，結(jié)合多種傳感器，智能化程度高，保證除草的精度，大大提高田間作業(yè)效率。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本設(shè)計以STM32單片機為控制核心。當(dāng)機器人電源開啟后，灰度傳感器檢測到路徑發(fā)送信號給單片機，單片機輸出指令給電機驅(qū)動模塊，電機驅(qū)動模塊發(fā)送高低電平至電機控制車輪轉(zhuǎn)向；同時攝像頭模塊實時拍攝并進(jìn)行圖像處理，當(dāng)識別到雜草并待其進(jìn)入到視野中央時，攝像頭模塊發(fā)送停車信號給單片機；單片機通過電機驅(qū)動模塊控制機器人停止移動，隨后控制舵機使機械臂定距夾取雜草。此外，溫濕度傳感器在除草機器人工作時實時采集農(nóng)田里的溫濕度信息給單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并在LCD顯示屏上顯示；最后除草機器人在農(nóng)田巡邏完畢后單片機會控制蜂鳴器發(fā)出警報。該智能除草機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

2.1 主要元器件清單

見表1。

2.2 整體硬件搭建

該智能除草機器人主要包括履帶式底盤和多自由度機械臂，詳見圖2。

表1 除草機器人各硬件模塊及其參數(shù)表

如圖2、圖3所示，履帶式底盤包括上下底板、分別安裝于底板兩側(cè)的履帶組件以及驅(qū)動履帶組件運動的電機。上底板放置有機械臂，下底板放置有STM32單片機、電池、電機驅(qū)動模塊、灰度傳感器（2個，并列安裝于下底板前端中央）、溫濕度傳感器和顯示屏。STM32單片機與機械臂、攝像頭模塊、電機驅(qū)動模塊、灰度傳感器、溫濕度傳感器和顯示屏有電性連接。履帶組件包括履帶以及設(shè)置在履帶內(nèi)側(cè)的主動輪和從動輪。

機械臂包括依次鉸接的云臺、第一旋臂、第二旋臂、第三旋臂和機械爪，如圖4所示。第一旋臂通過第一舵機與云臺連接。第一舵機設(shè)置在云臺上，且云臺驅(qū)動第一舵機繞豎向軸轉(zhuǎn)動。第一舵機的輸出端與第一旋臂連接，驅(qū)動第一旋臂繞水平軸轉(zhuǎn)動。第二旋臂鉸接于第一旋臂遠(yuǎn)離云臺的一端，且二者的鉸接處設(shè)有第二舵機，第二舵機驅(qū)動第二旋臂繞第一旋臂轉(zhuǎn)動。第三旋臂鉸接于第二旋臂遠(yuǎn)離第一旋臂的一端，且二者的鉸接處設(shè)有第三舵機，第三舵機驅(qū)動第三旋臂繞第二旋臂轉(zhuǎn)動。通過三個舵機對三段旋臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動控制，使得機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)類似人體關(guān)節(jié)的彎曲或伸展運動，便于控制機械爪靠近或遠(yuǎn)離目標(biāo)物，動作靈活，操作方便。機械爪安裝于機械臂端部，第五舵機可驅(qū)動其張開或閉合。機械臂末端還安裝有攝像頭支撐支架，攝像頭模塊就安裝在支撐架上。

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要由主程序、循跡子程序、除草子程序和溫濕度檢測子程序組成。

3.1 主程序

程序運行，進(jìn)行攝像頭、定時器中斷與GPIO等模塊的初始化，進(jìn)入一個主循環(huán)等待中斷的發(fā)生。主程序流程圖如圖5所示。

3.2 循跡子程序

如圖6所示，使用定時器中斷，每到給定時間進(jìn)入中斷。根據(jù)灰度傳感器回傳信號的變化判斷機器人行進(jìn)路線是否偏移，若偏移，通過電機的正反轉(zhuǎn)調(diào)整機器人行進(jìn)方向，調(diào)整后判斷是否到達(dá)終點，是則停車并關(guān)閉中斷，否則本次中斷結(jié)束，等待下次中斷。

3.3 除草子程序

如圖7所示，進(jìn)入中斷，初始化攝像頭，進(jìn)行圖像識別，判斷是否發(fā)現(xiàn)雜草，若未發(fā)現(xiàn)則繼續(xù)進(jìn)行圖像識別，若發(fā)現(xiàn)則鎖定雜草。此時機器人繼續(xù)前進(jìn)，待機器人移動到最佳區(qū)域（攝像頭模塊識別到雜草后鎖定其幾何中心點，此點會隨著機器人的前進(jìn)移動，當(dāng)其移動至攝像頭所拍攝區(qū)域中央，即表示機器人移動到最佳區(qū)域）時停車并驅(qū)動舵機控制機械臂進(jìn)行除草，除草結(jié)束后再次進(jìn)行圖像識別，若雜草消失則機器人繼續(xù)行進(jìn)并結(jié)束本次除草，否則再次進(jìn)行除草。

其中，舵機的控制采用為50 HZ的PWM波。單片機通過調(diào)整輸出信號高電平的占空比改變舵機的姿態(tài)角，多個舵機同時保持不同的姿態(tài)角為機械臂的一個姿態(tài)。機械臂的除草動作由不同的機械臂姿態(tài)連續(xù)變化而成。為此，設(shè)定5個機械臂姿態(tài)：

⑴ 歸零姿態(tài)：抓取前與抓取后的姿態(tài)，此時舵機上的攝像頭（攝像頭模塊裝于機械臂末端舵機上）視角為垂直軌跡看向農(nóng)田。

⑵ 前伸姿態(tài)：抓取過程的其中一個姿態(tài)，此時舵機前伸，攝像頭視角保持不變，機械爪狀態(tài)為張開。

⑶ 夾緊姿態(tài)：與前伸姿態(tài)相比較，此姿態(tài)保持其余舵機姿態(tài)角，僅將機械爪夾緊。

⑷ 拔取姿態(tài)：保持機械爪夾緊，機械臂由夾緊姿態(tài)向回移動，此姿態(tài)可將雜草拔出。

⑸ 松開姿態(tài)：機械爪松開，此姿態(tài)可使拔出的草掉落。

3.4 溫濕度檢測子程序

如圖8所示，單片機發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式。高速模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到單片機發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進(jìn)行溫濕度采集。DHT11等待單片機開始信號結(jié)束后，發(fā)送80 us低電平響應(yīng)信號，再發(fā)送出40 bit的數(shù)據(jù)（8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗和），單片機接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并控制LCD1602顯示溫濕度數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試和結(jié)果驗證

將程序?qū)懭雴纹瑱C后并完成除草機器人的組裝，其實物如圖9所示。

為了驗證本文設(shè)計的除草機器人的可靠性，對其自主除草功能進(jìn)行了測試：首先，搭載除草環(huán)境。如圖10所示，場地使用多塊60 cm×60 cm泡沫地板拼接，場地中擺放有3D打印的南瓜和蕨類雜草，用于模擬農(nóng)田里的作物和雜草。泡沫板上貼有用于機器人循跡用的黑色膠帶，用于模擬農(nóng)田里的道路。

其次，調(diào)試機器人的各功能模塊。將機器人放置在場地循跡線起始位置，檢查各器件性能正常后開啟電源，觀察機器人循跡功能，識別功能，機械臂的隨動、夾取、放置和復(fù)位功能的情況并根據(jù)現(xiàn)象對機器人做出調(diào)整，直至其所有功能達(dá)到預(yù)期效果。

最后，進(jìn)行整體測試。測試中機器人按照指定循跡線循跡并能準(zhǔn)確識別雜草，驅(qū)動機械臂伸向雜草并驅(qū)動機械爪將其夾緊，圖10為夾緊后拔出前時刻的抓拍。同時，除草機器人實時采集溫濕度信息并顯示在LCD顯示屏上，如圖11所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于STM32的自動除草機器人。該機器人可運用在指定路徑的種植區(qū)中，實現(xiàn)自動除草功能。機器人通過灰度傳感器來識別種植區(qū)里的路徑；同時通過攝像頭模塊進(jìn)行顏色及形狀識別鎖定雜草，實現(xiàn)圖像處理功能；機器人識別到雜草后STM32單片機控制機械爪定距夾取雜草，將其清除。此外，機器人在工作時還實時顯示溫濕度信息于LCD顯示屏上。相對于采用化學(xué)除草劑的除草機器人，本設(shè)計采用機械方式除草，減少了環(huán)境污染，綠色環(huán)保。