張清 崔卓賢 徐越 李保文

1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 2.保定市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局

引言

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)中一些費(fèi)時費(fèi)力的重復(fù)性工作正逐步交由機(jī)器來完成，推進(jìn)農(nóng)業(yè)工業(yè)化進(jìn)程，減少農(nóng)業(yè)上的人工參與，解放生產(chǎn)力。優(yōu)良的種子對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展的至關(guān)重要，它決定著最終農(nóng)作物的產(chǎn)量與質(zhì)量，因此種子需要經(jīng)過種子公司精挑細(xì)選再經(jīng)過多輪試種才能夠售賣給農(nóng)戶用于種植。種子的初步篩選交由智能機(jī)器完成迫在眉睫，基于此，本文設(shè)計了一款針對種子初步分揀的機(jī)器人。

1 概述

通過對工業(yè)四軸機(jī)械臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分析，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)和機(jī)器視覺設(shè)計理念實(shí)現(xiàn)以魔術(shù)師機(jī)械臂為核心的視覺種子分揀系統(tǒng)。通過視覺部分采集種子的具體位置和形狀等特征值，然后將所采集數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中事先錄入的優(yōu)質(zhì)種子的外部特征進(jìn)行對比識別，實(shí)現(xiàn)對種子好壞的判斷，再由電腦端軟件經(jīng)過運(yùn)動學(xué)逆解，規(guī)劃機(jī)械臂的運(yùn)動動作，對種子進(jìn)行分揀操作。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計

2.1 設(shè)計任務(wù)與設(shè)計要求

設(shè)計任務(wù)：

設(shè)計一款以視覺系統(tǒng)和機(jī)械臂為核心的機(jī)器人對玉米種子實(shí)現(xiàn)初步分揀，降低人工參與。

設(shè)計要求：

（1）通過視覺系統(tǒng)對優(yōu)質(zhì)玉米種子進(jìn)行圖像采集并利用電腦端軟件將所得圖形進(jìn)行特征值采取，將每個種子的圖像特征值進(jìn)行保存得到優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫。

（2）使機(jī)械臂能夠得到種子所在區(qū)域的三維坐標(biāo)。

（3）通過視覺系統(tǒng)得到所需挑選種子的圖像特征值并與優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比得出結(jié)論。

（4）在電腦端軟件編寫流程令機(jī)械臂對優(yōu)良種子進(jìn)行抓取并放置到指定區(qū)域。

（5）對所挑選的優(yōu)良種子進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計并通過屏幕進(jìn)行顯示。

2.2 設(shè)計方案

3 硬件電路設(shè)計

機(jī)械臂選自越疆公司的四軸機(jī)械臂并搭配其公司的成熟軟件實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的運(yùn)動控制；視覺系統(tǒng)選取高清攝像頭并搭配優(yōu)質(zhì)的補(bǔ)光裝置實(shí)現(xiàn)對玉米種子的圖像采集；將高清攝像頭、補(bǔ)光裝置、機(jī)械臂都通過電源線與220V 電源進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)供電；攝像頭和機(jī)械臂通過數(shù)據(jù)線與電腦進(jìn)行連接；STM32 單片機(jī)選擇使用STM32103RCT6 型號，使用紅外線感應(yīng)光電開關(guān)作為種子計數(shù)器與單片機(jī)使用杜邦線進(jìn)行連接；單片機(jī)通過實(shí)際充電器進(jìn)行供電；單片機(jī)與LCD 屏幕使用多根杜邦線進(jìn)行連接。以上即為整個系統(tǒng)的硬件連接。

4 機(jī)器工作原理與系統(tǒng)控制

4.1 機(jī)械臂運(yùn)動系統(tǒng)

機(jī)械臂抓取系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、氣泵、舵機(jī)、特質(zhì)機(jī)械爪組成。步進(jìn)電機(jī)來控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動，氣泵、機(jī)械爪、舵機(jī)來控制機(jī)械臂對物體的抓取。為保證機(jī)械爪對種子抓取成功，課題組3D 打印了末端為槽狀的機(jī)械爪，在實(shí)際抓取中成效卓著。控制機(jī)械臂移動的指令通過電腦端的軟件來下達(dá)，電腦端軟件可以手動控制機(jī)械臂運(yùn)動也可以通過模塊化編程來命令機(jī)械臂執(zhí)行特定的動作指令，可以單次執(zhí)行也可以設(shè)定為重復(fù)執(zhí)行一組或一個指令。電腦端軟件對機(jī)械臂抓取種子所在位置的坐標(biāo)確定依賴于視覺系統(tǒng)對可視區(qū)域的坐標(biāo)標(biāo)定，所以需要在開始種子的抓取工作之前在電腦端的軟件由人工來利用標(biāo)定板進(jìn)行位置標(biāo)定，使得機(jī)械臂能夠準(zhǔn)確抓取特定位置的種子。在標(biāo)定時可以手動控制機(jī)械臂對九個特定位置的點(diǎn)進(jìn)行識別保存，這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對可視區(qū)域面中的點(diǎn)都有對應(yīng)的三維坐標(biāo)，為機(jī)械臂對種子的抓取做好了準(zhǔn)備為保證抓取位置的準(zhǔn)確性需要在機(jī)器停止使用的時候令機(jī)器進(jìn)行校準(zhǔn)復(fù)位，如此就可以一定程度的克服機(jī)器工作長時工作所帶來的誤差，提高抓取準(zhǔn)確率。

4.2 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)由高清攝像頭和補(bǔ)光裝置組成。高清攝像頭來實(shí)現(xiàn)對可視區(qū)域坐標(biāo)值的標(biāo)定，玉米種子位置、形狀特征值的采集。在對可視區(qū)域玉米種子進(jìn)行圖像信息采集之后交由電腦端軟件將種子的特征值與優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，在相似率達(dá)到一定程度即可認(rèn)為此玉米種子高概率為優(yōu)良種子，即可下達(dá)指令使機(jī)械臂進(jìn)行抓取并放到指定位置。經(jīng)過多次試驗相似率定為84%最為合理，這樣就可以在保證挑選種子優(yōu)良率較高的情況下盡可能的保證好的種子不會被篩選出去。優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫由已經(jīng)人工挑選并且經(jīng)過試種的優(yōu)良種子特征值構(gòu)成，是通過與高等院校農(nóng)學(xué)院合作長期積累得到的數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)庫可以不斷的增加優(yōu)良種子樣本，樣本的數(shù)量越多就越能保證玉米種子的優(yōu)良率并且降低優(yōu)良種子被篩選出去的幾率。

4.3 計數(shù)系統(tǒng)

計數(shù)系統(tǒng)由STM32 單片機(jī)、紅外線感應(yīng)光電開關(guān)和4.3 寸LCD 屏幕組成。通過紅外線感應(yīng)光電開關(guān)得到種子的數(shù)量再由單片機(jī)控制LCD 屏幕進(jìn)行顯示。LCD 屏幕將會顯示總的種子數(shù)量、優(yōu)良種子數(shù)量、非優(yōu)良種子數(shù)量。程序通過Keil5 進(jìn)行編寫，程序由初始化程序，顯示子程序、計數(shù)器程序組成。

4.4 工作步驟總結(jié)

（1）通過將一些優(yōu)良種子的圖像特征值進(jìn)行提取并保存到電腦端來構(gòu)建一個玉米種子數(shù)據(jù)庫。

（2）通過視覺系統(tǒng)與電腦端軟件對可視區(qū)域進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，使得區(qū)域內(nèi)每個位置都有對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。

（3）高清攝像頭對可視區(qū)域內(nèi)需要挑選的種子進(jìn)行圖像采集并對特征值進(jìn)行提取，然后經(jīng)電腦端軟件將特征值與優(yōu)良種子數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比得出相似率，相似率在84%及以上玉米種子將會被作為優(yōu)良種子挑選出來放到指定位置。相似度達(dá)不到84%的將被認(rèn)定為非優(yōu)質(zhì)種子。

（4）在分揀過程中由紅外線感應(yīng)光電開關(guān)實(shí)時測量種子數(shù)量，單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并在LCD 屏幕進(jìn)行顯示。

5 結(jié)語

通過將機(jī)械臂運(yùn)動系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、紅外線感應(yīng)光電開關(guān)、STM32 單片機(jī)、LCD 屏幕等物品進(jìn)行連接，配合電腦軟件對玉米種子進(jìn)行初步分揀并分區(qū)域放置，實(shí)現(xiàn)了玉米種子分揀的機(jī)械化，智能化?，F(xiàn)階段分揀機(jī)器還只能完成初步分揀，雖然最終的分揀仍需人工完成，但是分揀機(jī)器的出現(xiàn)將為優(yōu)良種子的選取降低人工參與度與時間成本，為農(nóng)業(yè)智能化打下一定的基礎(chǔ)。