基于全自动枸杞采摘机器人的研究设计

李 慧，胡文婷，谢淑芬，袁绍秋

(新疆农业大学 计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

0 引言

由于社会和经济的发展,现代人对保健生活有了更高的需求，枸杞子不仅是名贵的中医药品和保健滋补品,还是中国主要功能型特色资源之一。枸杞子广泛分布于中国宁夏和新疆等地,错综复杂的藤枝注定了枸杞子采摘的不易,而且受“无序花序、连续花果”等特性的影响[1],枸杞子采集过程需要多次完成，这不仅降低了枸杞子采集效率，也增加了枸杞子的生产成本,不利于枸杞子的生产开发。因此，研发一款能够提高效率的全自动枸杞采摘机器人，对于中国枸杞子生产开发有着重要意义。

1 研究现状

枸杞作为十分具有经济和药用价值的产物，在全世界享有盛誉，因此国内外对枸杞采摘机均有相关研究。

国外，枸杞种植地十分广阔，土地平坦，适合宽距离种植枸杞作物。以美国为例，主要是以大型自走式枸杞采摘机为主[2]，采摘的核心使用的是振动方式，每当枸杞适季时，会用两辆枸杞采摘车同时开入相邻的枸杞地路中，以相同速度缓慢前进，然后安装多层振动网，将振动网套入枸杞作物中，开启振动采摘。虽然这种采摘方式快速，但是需要枸杞作物具有宽距离种植的特点。

国内枸杞地受地理环境影响，栽培地面积多为330棵/667m2，属密植式栽培，目前主要的枸杞采摘机多为小型采摘机械，大致分为手持式力学振动型枸杞采摘机、手持式机械梳刷式枸杞采摘机和气吸式枸杞采摘机3种[3]。手持式机械振动型枸杞采摘机，原理是通过高频发生器和电机完成枸杞采集，包括偏心轮、连杆机构以及抓枝器等部分，以中国宁夏4ZGB-30型为例，当启动机器并将枸杞树枝放在抓枝器上时,高频电压就会推动偏心轮高速运动,继而利用机器的连杆推动抓枝器实现高频振荡,从而使枸杞被震落[4]，但是这种方式会将同一枝条上未成熟的枸杞一起摘下，影响下一波落果率。手持式机械梳刷型枸杞采摘机的核心采摘部件为电动机、齿轮箱和刷头，纯机械式设计，对人工依赖十分强烈，当打开电源，电动机驱动齿轮箱运动，从而带动刷头逆向运动，利用适当的刷力将枸杞刷下，但这种采摘方式对枸杞枝条损伤较大。气吸型枸杞采摘机采摘的核心为气吸模块，但质量小的枸杞或者叶子较易偏离枝条,同样容易导致未成熟枸杞、叶片被采摘的概率增大[5]。

2 系统总体设计

通过对目前4类枸杞采摘机器的研究，发现不能完全解放双手以及错误采摘未成熟果子仍是主要问题。综合各类枸杞采摘机的优缺点，能够最大程度地解放双手，可以对枸杞进行识别的小型自走式机器人可能成为主流。因此，本文设计了一种新的全自动枸杞采摘机器人，主要采用OpenMV进行开发，由L298N电机驱动模块、PCA9685舵机驱动模块和采摘刷头组成，系统结构如图1所示。OpenMV利用自带的摄像头对枸杞进行颜色识别[6]，之后控制L298N驱动直流电机实现小车运动，再利用PCA9685通信控制舵机运行角度实现机械臂运动，采摘刷头则同样由OpenMV控制，实现采摘。

图1 控制系统结构

3 相关模块设计

3.1 OpenMv

OpenMV是一款功耗低、体积小的机器视觉模块，采用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，配有MicroPython解释器，通过Python语言实现对OpenMV物理层的访问与控制[7]，OpenMV具有UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC，GPIO等通信接口。本设计利用USB接口实现电脑与OpenMV的连接，在电脑中安装OpenMV的集成开发环境IDE完成编程以及之后的调试和更新工作，以OpenMV为核心控制器，识别枸杞，输出信号，对各个电机、舵机进行控制，达到小车运动、机械臂运行的目的。

3.2 图像识别

图像识别总体分3步：图像的采集、处理和识别，其过程如图2所示，利用摄像头识别物体，通过算法进行目标的比较，对目标定位及跟踪。

图2 图像识别过程

图像处理是必不可少的一步，通过摄像头采集光学信号，转换为电信号，导入感光元件，令其初始化后，设置像素模式及分辨率。通过传感器模块从摄像头获取一帧图像，用于设置感光元件的参数，可以进行图片的预处理，然后通过使用Image模块提供的办法，获取/设置像素点、获取图像的宽度和高度。将图片转换为二维数组，之后使用ROI选择需要处理的图像区域，然后根据相应的函数返回所要研究区域的对应值[8]。

图像处理前需要对图片进行压缩，通过色域识别，可以利用LAB实现灰度图以及二值化，把THRESHOLDS中阈值的图像部分全部像素设置为1(白)，阈值外的部分设为0(黑)。OpenMV里的阈值选择工具就可以获取准确的LAB，快速地进行颜色阈值的调试。利用Find_blobs函数获取需要查找的颜色，返回多个Blob列表。OpenMV拥有许多基本函数用于图像处理，包括Image size、Sensor、噪声去除、阈值分割函数等，能完全满足枸杞识别的相关功能设计。

3.3 自走式设计

OpenMV识别到枸条后，计算出具体位置信息，结合L298N芯片、I2C总线通信等驱动直流电机带动小车移动，实现自走式功能。小车自走式底盘采用直流电机控制，驱动板由L298N为主提供稳定的5 V电压。L298N也是常用的实验小车电源驱动模组,主要用于车辆底盘运动的开发,含有4个逻辑电平通道的驱动控制电路,可以顺利驱动46 V，2 A以下的电机，其主要原理如图3所示。

图3 L298N电机驱动模块

L298N分逻辑供应电压和驱动供应电压，一般情况下，驱动供应电压都要大于逻辑供应电压，其中驱动供应电压的最大电压可以达到36 V，而逻辑供应电压则在4.5～36 V。本设计将2，3，13，14号引脚作为输出脚，带动两个直流电机，将5，7，10，12作为输入引脚，连接OpenMV控制器的I/O引脚，同时根据L298N的真值表使模块作用，即高电平有效，6,11号引脚使能，从而带动小车运动。

在确定2路电机转动方向时，需要先设置L298N的IN1和IN2[9]，当使能端作用时，IN1为1，IN2为0，实现电机逆时针旋转；IN1为0，IN2为1，实现电机顺时针旋转；使能EN端(PWM输入端)还能利用PWM控制调速。PWM系统是在适当的通信频率下,通过周期变化实现占空比的方法,来变化输出的最大有效电流。在电动机控制系统中,占空比和直流电机的速度成正比,测试时通过改变PWM的电压，可以让电机输出不同的转速。

3.4 机械臂设计

枸杞采摘机械臂，其使用舵机供电电压在5～7 V，也可以接受稍高的电压。机械臂的每个动作都是舵机顺序运行，4个舵机依次运行，为了防止出现机械臂运行故障，采用相对大功率的电源供电。OpenMV中自带的3个引脚可以控制舵机，但是OpenMV引脚输出的电压较低，考虑到直接用OpenMV引脚供电，会出现舵机无法运行的问题，选择了以PCA9685芯片为主的舵机驱动板。

PCA9685是一款输出可调节、控制的芯片，使用I2C总线实现通信。本设计中取4路输出端，均可自由调节PWM的频率(40～1 000 Hz)和占空比(0%～100%)。编程实现对各个舵机角度的控制，舵机转动角度通过输出同周期内高电平占周期时间的比例来实现。一般舵机需要的频率为50 Hz，其计算公式为[10]：

其中频率设定寄存器(地址为0XFEH)中写入的值为Prescal，主控芯片的时钟信号为EXTCLK，refresh_rate为期望得到的PWM脉冲频率[10]，本设计中的舵机为50。

本设计中只使用了4个通道，在未来的设计中可以再加入多个舵机，增加自由度。机械臂需要的4个舵机的控制信号的周期为20 ms，0.5～2.5 ms的逻辑高电平在20 ms中的占比宽度，对应舵机的旋转角度0o～180o,并表现为线性变化。

I2C总线实现OpenMV与PCA9685芯片的通信。I2C总线具有操作简单、方便有效的优点，可以使电路设计更加简单，减少线路的复杂性。I2C的写操作如图4所示，读操作如图5所示。

图4 发送数据

图5 接收数据

SCL与SDA两根线上可以连接多个外部设备器件，每个外部设备都有自己的地址，I2C总线通过地址区分辨认外部设备器件。

通过I2C总线协议与OpenMV控制舵机，以PCA9685控制芯片为基础，实现对机械臂运动的控制。机械臂的运动主要模仿手持式枸杞采摘器采摘枸杞的过程，在机械臂头部安装了枸杞采摘刷头，当全自动枸杞采摘机器人识别并运动到枸杞前时，机械臂开始运动，同时采摘刷头进行工作。

3.5 采摘头设计

常见的枸杞采摘头有气吸式、梳刷式和振动式，本设计采用的是旋转振动式刷头，既弥补了气吸式强依赖电源的特点，又减缓了梳刷式对手动的高要求。刷头主要部署在一个电机上，随着电机的旋转，刷头利用惯性不断振动，达到采摘枸杞的效果，如图 6所示。刷头采用硅胶材料，随着转速的不同，硅胶质感也有所不同。枸杞因生长习性的影响，常见的金属条振动容易将未成熟的枸杞震落，影响枸杞出果率，而气吸式容易对叶子枝条造成一定损害，影响来年结果率[11]，因此介于中间的硅胶材质是最好的选择。针对不同生成状况的枸杞林，可以综合测试出一个适当的转速，以达到最符合枸杞生态的采摘。

图6 采摘结构

4 结语

本文通过对各类枸杞采摘机的结构和原理研究，综合设计了一种全自动枸杞采摘机器人，弥补了以前不能完全解放双手，采摘效率低下，错误采摘未成熟果子的缺点。该全自动枸杞采摘机器人主要使用视觉识别方案，基于OpenMV进行开发，利用自带的摄像头对枸杞进行颜色识别，结合L298N和PWM对各电机和舵机进行控制，实现对小车的运动控制。机械臂驱动选择了以PCA9685芯片为主的舵机驱动板，I2C总线进行OpenMV和舵机的通信，采摘刷头选用旋转电机的振动方式。经测试，该全自动枸杞采摘机器人各类功能初步完成。