宋黎明，管翼森，孟文寶

（1.洛陽理工學(xué)院機器人學(xué)院，河南洛陽 471023；2.固高科技（深圳）有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快和人民對美好生活需求的提升，公園、廣場、道路兩旁、社區(qū)周圍的綠籬等，是不可或缺的人文風(fēng)景線。綠籬苗木的修剪及造型作為城市綠化作業(yè)中的一項經(jīng)常性工作，涉及面廣，不僅作業(yè)內(nèi)容、對象及條件差異大，而且季節(jié)性和地域性特點鮮明[1]。目前，在城市園林、道路兩側(cè)隔離綠帶養(yǎng)護中，工作人員普遍使用修枝剪刀和手持式綠籬機進行修剪[2]。這種作業(yè)方式具有消耗大量體力、工作效率低下和發(fā)生事故率高等缺點[3]。由于養(yǎng)護工人短缺的原因，綠化工人上崗前的培訓(xùn)常常無法得到有效落實，技術(shù)水平存在著很大的差異，所以修剪后綠籬尺寸的整齊性和美觀性往往得不到保證[4]。同時，用機器人代替人力工作是未來的趨勢。這就迫切需要研制出一種專門用于綠籬造型的機器人來提高設(shè)備的自動化、智能化水平，減少人工造型所帶來的各種缺點。

本文采用智能車與修剪機械手相結(jié)合的設(shè)計思路，以單片機為控制核心，采用人體紅外、超聲波模塊實現(xiàn)移動避障與測距，并且通過Raspberry Pi（樹莓派）控制視覺模塊識別綠籬外觀，并與預(yù)設(shè)造型匹配，并建立信息通訊，最終由Arduino單片機讀取各個模塊數(shù)據(jù)進行實時判斷，并進行電機控制，使得機器人自動對小型綠籬進行平面軌跡和正弦軌跡形狀的修剪造型。該機器人具有高度的自動化，能夠較好地克服人工的缺點，大大減少了人力物力的浪費，實現(xiàn)了設(shè)計要求。

1 總體方案設(shè)計

本設(shè)計以小型綠籬為工作對象，應(yīng)具備的功能有：（1）識別工作環(huán)境中的人和物，保證機器人能夠安全、準(zhǔn)確地進行移動；（2）根據(jù)綠籬高度調(diào)節(jié)機器人高度，裁剪出符合要求的造型。由于圓柱形機械手具有結(jié)構(gòu)緊湊、活動空間適中，控制簡單等優(yōu)點，因此，本設(shè)計將具有四自由度的圓柱形機械手置于具有避障功能的智能車上，共同組成了小型綠籬造型機器人[5]。其組成示意圖如圖1所示，圖中機械手由動力系統(tǒng)、修剪機構(gòu)和視覺系統(tǒng)組成。該機器人系統(tǒng)以Arduino單片機為主控芯片，由直流電機、舵機和各類傳感器和多種調(diào)壓電路組成。其包括基于ATMEGA系列為核心的主控系統(tǒng)和樹莓派為核心的視覺控制系統(tǒng)，控制智能車運動，控制機械臂運動。系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。

圖1 機器人組成示意圖

圖2 系統(tǒng)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 機器人本體機械設(shè)計

智能車主體采用了12 V供電的25-GA370直流減速電機作為動力源，設(shè)計并選擇了專用的鋁制底板，前、后輪均采用直流電機控制，保證車體的穩(wěn)定性。機械手由直流電機伸縮桿調(diào)節(jié)修剪高度，舵機（DG-995 15 kg）用來控制末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)的自由度，共同完成末端在空間上的位置變換。末端執(zhí)行器選擇齒形刀具，通過直流減速電機帶動齒條移動完成切割工作。機器人三維模型如圖3所示。

圖3 機器人三維模型圖

2.2 主控制板

主控制板是機器人的核心，承擔(dān)著接收和發(fā)送各個模塊指令的任務(wù)，主控板選用ArduinoUNO R3開發(fā)板。因為Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，其生態(tài)中包括多種開發(fā)板、模塊、擴展板[6]。其中，UNO R3是最適合入門且功能齊全、使用量最多的Arduino開發(fā)板。Arduino Uno是一款基于ATmega328P的微控制器板。它有14個數(shù)字輸入/輸出引腳(其中6個可用作PWM輸出)，6個模擬輸入，16 MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復(fù)位按鈕。只需要通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通訊。

2.3 電源模塊

電源模塊由電池和可調(diào)降壓穩(wěn)壓模塊組成，其中電池采用4塊14.8 V/2 200 mA的航模電池分別為主控板、舵機、直流電機供電和視覺系統(tǒng)供電?？烧{(diào)降壓穩(wěn)壓模塊選用LM2596S芯片，可以將輸入電壓為3.3～40 V的輸出為1.25～35 V。在系統(tǒng)中需要的輸入電壓為5 V和12 V，通過調(diào)節(jié)該模塊電阻的阻值來得到需要的電壓[7]。

2.4 避障模塊

機器人在戶外工作時，需要隨時獲取人和周圍障礙物的情況，從而實現(xiàn)對人和障礙物的避障功能。本機器人中選擇8個HC-SR04超聲波測距模塊和4個CT-418型人體熱釋傳感器，均布在智能車前、后、左、右4個方向，用來避障和測距。

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度達到3 mm。由VCC（電源正）、trig（控制端）、echo（接收端）和GND（電源負）4個引腳組成。超聲波測距利用I/O觸發(fā)實現(xiàn)，即主控板發(fā)出至少10 μs的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，并不斷檢測是否有超聲波信號返回，如果檢測到信號返回，I/O端口輸出高電平，且保持的時間就是超聲波從發(fā)射到接收的時間。最終根據(jù)公式s=vt/2計算出距離。

CT-418型人體熱釋傳感器是一種檢測人或動物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，用于檢測人體或動物的活動情況。當(dāng)該傳感器監(jiān)測到周圍溫度有變化時，受熱釋電效應(yīng)影響會在傳感器內(nèi)部的兩個電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱的電壓，經(jīng)放大電路放大后輸出信號。

2.5 電機驅(qū)動模塊

機器人中選擇常用的H橋電機驅(qū)動模塊L298N來實現(xiàn)直流減速電機的控制。主控板通過I/O對L298的輸入端寫入不同的高或低電平組合，就能夠?qū)崿F(xiàn)對電機轉(zhuǎn)向的控制，從而實現(xiàn)智能車運動。L298N的邏輯表如表1所示。通過主控板基于PWM脈寬調(diào)頻控制方式的PID控制L298芯片輸入端PWM波的占空比可以調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，以達到穩(wěn)定控制電機的方向及運動速度，實現(xiàn)機器人在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定運動[8]。

表1 L298N的邏輯表

2.6 舵機驅(qū)動模塊

舵機的轉(zhuǎn)動角度是通過調(diào)節(jié)PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號的占空比來實現(xiàn)的。因此，舵機驅(qū)動模塊選擇以PCA9685為芯片的PWM舵機驅(qū)動模塊。電壓范圍為3.3 V和5 V，通過地址控制腳來控制設(shè)備的IIC地址。

2.7 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)主要由Raspberry Pi（樹莓派）控制板和攝像頭組成。Raspberry Pi是由樹莓派基金會研發(fā)的，基于Linux系統(tǒng)的單板機電腦，具有優(yōu)秀的擴展性和易開發(fā)性，適用于各個年齡段的人學(xué)習(xí)使用，并且支持多種語言進行應(yīng)用開發(fā)，包括C語言和Python腳本等，現(xiàn)有大量的開源軟件，也便于實行開發(fā)擴展。本項目中選擇Raspberry Pi 3B+，采用Broadcom BCM2837B0，CPU主頻1.4 GHz，內(nèi)存為1 GB。

攝像頭型號為HBV-1714，采用OV9750（1/3）CMOS傳感器，視場角為30°，焦距為3.85 mm，分辨率為1 280×480、50幀/s，通過攝像頭實時拍攝綠籬外觀，結(jié)果反饋至樹莓派控制板中進行模板匹配，指導(dǎo)機器人進行外觀造型。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，機器人在上電后能夠獨立完成一段小型綠籬修剪，因此，在上電后，機器人需要能夠滿足自由移動，并修剪綠籬的動作。將機器人放置在指定位置，各模塊初始化，由視覺系統(tǒng)中攝像頭拍攝待修剪綠籬外觀[9]，通過匹配找到合適的修剪方式，并規(guī)劃機械手運動路徑[10]，由樹莓派將信號發(fā)送至Arduino的I/O端口，經(jīng)過主控板處理后，驅(qū)動機械手舵機和末端執(zhí)行器運動，并且主控板對各個傳感器識別信號進行算法邏輯處理后進行控制電機，實現(xiàn)機器人運動。軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測試

按照設(shè)計圖將機器人機械和電控硬件分別安裝在相應(yīng)區(qū)域，在實驗室中以冬青樹（長×寬×高為50 cm×50 cm×100 cm）為模擬實驗對象，測試其工作效果，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 實驗結(jié)果匯總表

本款機器人完成了設(shè)計中要求的視覺檢測外觀，匹配綠籬造型，完成機械手水平、垂直和簡諧運動軌跡規(guī)劃，并能夠根據(jù)環(huán)境條件完成機器人移動作業(yè)。通過測試可得該機器人從原理上可以完成小型綠籬外觀造型的任務(wù)，但是存在一定的誤差，該誤差可以通過人工適當(dāng)修復(fù)完成，誤差產(chǎn)生原因在于機械結(jié)構(gòu)振動、環(huán)境中光線變化影響攝像頭拍攝等。

5 結(jié)束語

經(jīng)過測試結(jié)果可知，本文在小型綠籬造型設(shè)計機器人正常移動的前提下，實現(xiàn)了水平、垂直和簡諧運動軌跡，總體上控制效果較好，能夠完成預(yù)期的功能，并且具有自動化較高、操作簡單等特點，具有良好的應(yīng)用前景。