一种授花粉机器人的控制系统

陈毅豪 郭映江

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

0 引言

授花粉机器人要对不同种类的作物授花粉，涉及目标识别，手眼协调，动态误差校准，作物生理特性保护等技术问题。然而，目前并没有过多具有授花粉功能的机器人，且仅有的授花粉机器人并没有完全实现智能化，需要人的手动控制来协作完成任务。本文介绍了一种授粉机器人的控制系统，由3个控制器组成，可实现授花粉机器人的智能识别、进行授粉等功能。

图1 授花粉机器人结构图

1 控制系统的组成部分

授花粉机器人的结构图如图1所示。控制系统包括主控制器、arduino控制板、电机多路驱动模块、光电传感器、灰度传感器、舵机控制板、视觉识别模块和电池。电机多路驱动模块、光电传感器和灰度传感器分别与主控制器连接，舵机控制板和视觉识别模块通过arduino控制板与主控制器连接；电机多路驱动模块与机器人的各车轮驱动电机连接，舵机控制板与机器人机械臂的各关节舵机连接，主控制器采用STM32单片机。灰度传感器有4个，按前、后、左、右4个方位分布在机器人底盘的底部以识别行走路线标志；光电传感器至少有一个，设置在机器人底盘侧面，以判断小车是否到达待授粉植物所在的位置。

2 控制系统的工作流程

控制系统流程图如图2所示。

图2 控制系统流程图

授花粉机器人的运动过程如图3所示，主控制器向多路电机驱动模块发送四路相同的PWM波，驱动各车轮驱动电机转动，使机器人匀速前进；在机器人前进过程中，若主控制器自带的陀螺仪检测到机器人向左偏斜的角度α大于1度时，机器人将向右校准，驱动电机Ⅰ、驱动电机Ⅱ加速转动从而带动相应的车轮加速转动，驱动电机Ⅲ和驱动电机Ⅳ减速转动从而带动相应的车轮减速转动，直到偏斜角度小于1度；若向右偏斜的角度α大于1度时，机器人将向左校准，驱动电机Ⅰ、驱动电机Ⅱ减速转动从而带动相应的车轮减速转动，驱动电机Ⅲ和驱动电机Ⅳ加速转动从而带动相应的车轮加速转动，直到偏斜角度小于1度；在机器人倒退过程中，若向左偏斜的角度α大于1度时，小车将向右校准，驱动电机Ⅰ、驱动电机Ⅱ减速转动从而带动相应的车轮减速转动，驱动电机Ⅲ和驱动电机Ⅳ加速转动从而带动相应的车轮加速转动，直到偏斜角度小于1度；若向右偏斜的角度α大于1度时，机器人将向左校准，驱动电机Ⅰ、驱动电机Ⅱ加速转动从而带动相应的车轮加速转动，驱动电机Ⅲ和驱动电机Ⅳ减速转动从而带动相应的车轮减速转动，直到偏斜角度小于1度。当光电传感器检测到植株时，主控制器接收到光电传感器发送的低电平信号，控制机器人停车；arduino控制板接收到主控制器发送表示停车的低电平信号后，开始向舵机控制板发送信号，使舵机控制板控制机械臂各个关节舵机动作；当机械臂末端的openmv摄像头对准花朵后，openmv摄像头开始识别待授粉花朵，若为雌花，openmv摄像头向arduino控制板发送低电平信号；arduino控制板接收到低电平信号后，向舵机控制板发送信号，舵机控制板控制各个关节舵机转动不同的角度，使设置在openmv摄像头下方的模拟授粉棒完成授粉动作；模拟授粉棒完成授粉动作后，主控制器接收到arduino控制板发送的低电平信号，控制机器人继续行进。当左右方位的灰度传感器同时检测到场地中的横向白色反光条E或F时，主控制器1接收到左右方位的灰度传感器5同时发送的低电平信号，控制机器人停止5s；机器人停止5s后，主控制器向电机多路驱动模块发送四路不同的PWM波，驱动各车轮驱动电机以不同的速度转动，使机器人向右横移；当前后方位的灰度传感器同时检测到竞赛场地中的竖向白色反光条A、B、C、D、G或H时，主控制器接收到前后方位的灰度传感器同时发送的低电平信号，控制机器人停止5s；机器人停止5s后，随后向前或向后行驶，最终达到终点停车。

图3 授粉机器人的运动过程图

3 总结

在授花粉机器人上应用该控制系统，可以使机器人底盘在行驶过程中有偏斜时，自动修正角度，保证直线行驶；当机器人到达授粉点时，利用光电传感器使小车停车，可以确保当机器人底盘在每个授粉点停车的相对位置不变，保证了授粉的精度；为视觉识别模块准确识别雌花，授粉装置精确授粉创造了良好的条件，授粉精度高。