劉天悅，張 碩，史穎剛，劉 利

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 問題的提出

機(jī)器人競(jìng)賽是高校開展大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的優(yōu)良載體，有助于深化高等教育深層次改革，激發(fā)大學(xué)生科技創(chuàng)新積極性[1]。

授花粉機(jī)器人競(jìng)賽是中國機(jī)器人大賽農(nóng)業(yè)賽項(xiàng)的子項(xiàng)目，競(jìng)賽場(chǎng)地如圖1所示。A、B、C、D四區(qū)，采用白板筆在雌蕊上做標(biāo)記模擬人工授粉；E區(qū)采用無人機(jī)模擬風(fēng)媒授粉。

授花粉機(jī)器人從開始區(qū)出發(fā)，經(jīng)過四個(gè)區(qū)域，對(duì)不同類型的作物對(duì)靶授粉，到達(dá)終點(diǎn)區(qū)；E區(qū)無人機(jī)從起點(diǎn)區(qū)出發(fā)，依靠機(jī)器視覺[2]識(shí)別比賽場(chǎng)地標(biāo)識(shí)并校正飛行軌跡，利用產(chǎn)生的氣流模擬風(fēng)媒授粉，遍歷E區(qū)后，?？吭跓o人機(jī)終點(diǎn)區(qū)，比賽結(jié)束。

圖1 授花粉機(jī)器人比賽場(chǎng)地

A、B、C、D區(qū)的花分為雄花和雌花，E區(qū)的花為雌雄同體花，花朵樣式如圖2所示。

圖2 花朵樣式

本文設(shè)計(jì)了授花粉機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，搭建機(jī)器人控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)手眼協(xié)調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人授花粉競(jìng)賽功能，并通過參賽驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的授花粉機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)器人車體底板20由鋁合金板材制成，兩個(gè)實(shí)心橡膠車輪13和18對(duì)稱分布在車體前端，后接萬向輪10；底板前端安裝八路循跡傳感器17，左右兩側(cè)對(duì)稱安裝光電開關(guān)14和19，構(gòu)成傳感導(dǎo)航模塊引導(dǎo)機(jī)器人底盤循航。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)為四自由度機(jī)械臂，包括旋轉(zhuǎn)云臺(tái)9和三自由度連桿機(jī)構(gòu)3，連桿機(jī)構(gòu)可繞旋轉(zhuǎn)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，由關(guān)節(jié)舵機(jī)4和5、U型支架6、矩形側(cè)板7以及關(guān)節(jié)舵機(jī)8組成。舵機(jī)控制各轉(zhuǎn)動(dòng)副，可使機(jī)器人針對(duì)不同方向和高度的授粉靶標(biāo)靈活完成授粉動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)云臺(tái)基座12與車體底板20連接。

1-OpenMV; 2-白板筆; 3-連桿機(jī)構(gòu); 4,5,8-關(guān)節(jié)舵機(jī);6-U型支架; 7-矩形側(cè)板; 9-旋轉(zhuǎn)云臺(tái); 10-萬向輪;11-云臺(tái)舵機(jī);12-云臺(tái)基座; 13,18-車輪; 14,19-光電開關(guān); 15,16-步進(jìn)電機(jī);17-八路循跡傳感器;20-底板

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人以STM32為主控制核心，控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。機(jī)器人工作時(shí)，主控制器向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤基本運(yùn)動(dòng)。在引導(dǎo)線區(qū)域，八路循跡傳感器返回信號(hào)給主控制器，引導(dǎo)機(jī)器人底盤循跡；無引導(dǎo)線時(shí)，由電子羅盤MPU9250和步進(jìn)電機(jī)上搭載的霍爾編碼器實(shí)時(shí)傳輸機(jī)器人的姿態(tài)、速度和位移信息，便于車體位置調(diào)整[3]。

機(jī)器人采用光電開關(guān)檢測(cè)前方障礙物。主控制器根據(jù)光電開關(guān)返回信號(hào)判斷是否到達(dá)授粉點(diǎn)，到達(dá)授粉點(diǎn)后關(guān)閉定時(shí)器，停止底盤運(yùn)動(dòng)，并向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)手眼協(xié)調(diào)算法對(duì)靶授粉。完成授粉任務(wù)后，主控制器開啟定時(shí)器，驅(qū)動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人按照競(jìng)賽要求完成后續(xù)任務(wù)。

圖4 授花粉機(jī)器人控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 底盤基本運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)分布如圖5所示，由57步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，采用TB6600電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器與主控制器的IO口相連。主控制器開啟或關(guān)閉內(nèi)部定時(shí)器實(shí)現(xiàn)底盤啟停；向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的PUL端口發(fā)送PWM波，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速；向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的DIR端口發(fā)送高低電平信號(hào)，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人底盤基本運(yùn)動(dòng)。

圖5 機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)分布

3.2 循跡路徑規(guī)劃

授花粉機(jī)器人底盤前端裝有八路循跡傳感器S308，從左至右依次為L4～L1和R1～R4?；谘E的路徑規(guī)劃流程如圖6所示。

圖6 基于循跡的路徑規(guī)劃流程

主控制器把連接八路循跡的IO口設(shè)置成浮空輸入，讀取信號(hào)，判斷循跡傳感器工作狀態(tài)。循跡傳感器初始信號(hào)為高電平信號(hào)，當(dāng)識(shí)別到引導(dǎo)線時(shí)，經(jīng)過觸發(fā)器整形，向主控制器發(fā)送低電平信號(hào)。當(dāng)L1和R1分別向主控制器發(fā)送高電平信號(hào)和低電平信號(hào)時(shí),車體左偏，主控制器控制左輪加速、右輪減速；當(dāng)L1向主控制器發(fā)送低電平信號(hào)時(shí)，主控制器控制兩車輪同速正轉(zhuǎn)，完成車體位置校正；反之亦然。

3.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本運(yùn)動(dòng)

授花粉機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用LSC-16舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制,使用舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制模式和動(dòng)作組控制模式。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制模式用于微調(diào)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端接近最佳授粉位置；動(dòng)作組控制模式由上位機(jī)調(diào)試舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度，控制舵機(jī)按照預(yù)先調(diào)試好的固定動(dòng)作運(yùn)行。

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器與主控制器串口通信，通信參數(shù)為波特率9600，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗(yàn)位，接收數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制模式和動(dòng)作組控制模式下，分別采用指令CMD_SERVO_MOVE和指令CMD_ ACTION_GROUP_RUN 。

表1 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收數(shù)據(jù)的幀格式

3.4 對(duì)靶授粉

將OpenMV和白板筆安裝在執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端可方便機(jī)器人對(duì)靶授粉，為能準(zhǔn)確識(shí)別花蕊并對(duì)雌蕊授粉，設(shè)計(jì)手眼協(xié)調(diào)算法，控制流程如圖7所示。

串口初始化后，主控制器向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端接近花蕊。OpenMV根據(jù)面積判斷是否雌蕊，如果不是雌蕊，向主控制器發(fā)送信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端接近下一個(gè)花蕊，直至OpenMV識(shí)別到雌蕊，并將面積發(fā)送給主控制器。

通過上位機(jī)預(yù)先調(diào)試執(zhí)行機(jī)構(gòu)最佳位置，將OpenMV識(shí)別到的花蕊理論面積存儲(chǔ)在主控制器中。主控制器根據(jù)雌蕊實(shí)際面積與理論面積的差值，微調(diào)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直至實(shí)際面積大于理論面積，停止微調(diào)，對(duì)靶授粉。執(zhí)行機(jī)構(gòu)接近花蕊和執(zhí)行授粉動(dòng)作以動(dòng)作組控制模式實(shí)現(xiàn)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)微調(diào)以任意舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制模式實(shí)現(xiàn)。

為使OpenMV能穩(wěn)定準(zhǔn)確識(shí)別花蕊并確定雌蕊面積，使用灰度圖像處理[4]，并加入濾波算法和白平衡增益。

圖7 手眼協(xié)調(diào)算法控制流程

4 結(jié)語

根據(jù)機(jī)器人競(jìng)賽要求，設(shè)計(jì)了授花粉競(jìng)賽機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，結(jié)合視覺識(shí)別模塊、傳感導(dǎo)航模塊和手眼協(xié)調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的競(jìng)賽功能。搭載競(jìng)場(chǎng)地進(jìn)行上百次實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明，該機(jī)器人能順利快速完成競(jìng)賽要求。本文設(shè)計(jì)的授花粉競(jìng)賽機(jī)器人參加了2019中國機(jī)器人大賽并獲得冠軍，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的有效性，對(duì)相關(guān)競(jìng)賽機(jī)器人設(shè)計(jì)有一定參考意義。