基于HOG识别算法“园役”机器人的设计

贺敬

摘 要：本文具体介绍了“园役”机器人的设计思路，硬件设计的分析与选型，在S12开发板上如何实现视频特征值的提取与，为“园役”机器人自主识别工作环境提供参考，从而实现机器人自主工作。本设计可以激发学生的学习兴趣也可以辅助老师进行教学。

关键词：于HOG 识别算法 机器人设计

随着社会的进步和经济的发展，人们对生存环境的要求也越来越高，城市环境的保护得到越来越多的重视，我国草坪行业建设也得到了迅速的发展。草坪美化环境，净化空气多种功能已经成为人们的共识。割草机作为草坪养护的基本工具，已经实现了大规模的生产和使用。一些最新的科学理论、最新的科研成果和最新的科学技术都在这些机械设备上有体现。[1]

除草机器人可以代替人类进行除草活动，减轻农民的劳动强度，也可以减少农业从业人口数量，提高农业设备的自动化和智能化。国外较早开展了除草机器人研究;在国内，南京林业大学陈勇等率先提出了基于直接施药方法的除草机器人设计了由主体、机械臂、轮子和摄像头组成的自动施药除草机器人。[2]

将HOG算法用于机器人控制，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制技术，既包括实现控制所需的硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，后来采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。[3]

一、设计思路

园役机器人是由一部摄像机和一台除草装置，利用摄像机扫描，通过HOG算法进行识别，通过自主识别机器人前面的除草装置就能开始工作。除草机器人通过蓄电池充电、放电，它可以全天候连续作业，除草时对土壤无侵蚀破坏。它能防风防雨，可以自己在花园里“辛勤劳作”

本设计由供电系统、行走系统、除草系统、照明系统、视觉检查系统、杂草回收系统组成

1.供电系统由太阳能板（1）和支架（13）组成，主要完成本系统的能源供应。

2.行走系统由履带（3）和驱动机模块（4）电组成，实现园役机器人的前进、后退、左右转向，驱动机模块（4）可根据行走环境实时调整行走速度。

3.除草系统（5）由升级调节装置（8）、高度检查传感器（6）和切割电机模块（11）构成，切割电机模块（11）包括电机驱动电路、电机和圆形刀具，主要完成草坪的修剪，电机驱动电路可根据切割对象的难易调整电机转速，从而调节切割扭矩;高度检查传感器（6）实时检查草坪中草的高度，为切割电机模块（11）提供检查信号，实现草坪修剪高度整齐。

4.照明系统（9）主要由探照灯、光敏传感器和继电器组成，当本机器人处于夜间工作环境时，光敏传感器检测到环境光线不足，驱动继电器吸合，开启探照灯照明。

5.视觉检查系统（7）主要包括图像采集、图像无线传输模块和图像处理功能，通过摄像头将实时视频图像信息采集到系统中，对图形进行增强处理，一方面将图像信息传输到手机端或电脑端，完成实时监控;另一方面将图像传输到图像处理模块中，提取特征量，比对实时草高度与设定值，确定除草坐标。记忆行走路径，规划除草路径。

6.杂草回收系统（12）由传送电机（10）和传送皮带组成，将修剪后的杂草进行回收，存储到储藏室（2）中。

二、视频处理模块

摄像头的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行扫描的方式采集图像上的点，當扫描到某点时，就通过图像传感芯片将该点处图像的灰度转换成与灰度一一对应的电压值，然后将此电压值通过视频信号端输出。具体而言，摄像头连续地扫描图像上的一行，则输出就是一段连续的电压信号，电压信号的高低起伏反映了该行图像的灰度变化。当扫描完一行，视频信号端就输出一个低于最低视频信号电压的电平，并保持一段时间。这相当于，紧接着每行图像信号之后会有一个电压“凹槽” ，此“凹槽”叫作行同步脉冲，它是扫描换行的标志。然后，跳过一行后，开始扫描新的一行，如此下去，直到扫描完该场的视频信号，接着会出现一段场消隐区。该区中有若干个复合消隐脉冲，其中有个远宽于其他的消隐脉冲，称为场同步脉冲，它是扫描换场的标志。场同步脉冲标志着新的一场的到来，不过，场消隐区恰好跨在上一场的结尾和下一场的开始部分，得等场消隐区过去，下一场的视频信号才真正到来。摄像头每秒扫描25幅图像，每幅又分奇、偶两场，先奇场后偶场，故每秒扫描50场图像。奇场时只扫描图像中的奇数行，偶场时则只扫描偶数行。

考虑到单片机的速度有限，而一些脉冲的间隔时间又较短，为了减轻其处理负担，采用在单片机外围配置合适的外围芯片进行信号提取。LM1881视频同步信号分离芯片可从摄像头信号中提取信号的时序信息，如行同步脉冲、场同步脉冲和奇、偶场信息等，并将它们转换成TTL电平直接输给单片机的I/O口作控制信号之用。

三、软件设计

构建Kohonen神经网络模型， 在园役器人的修剪区域内安装路由器，平均每10平方米范围安装一个，然后驱动机器人以1m×1m的密度对该区域的WiFi信号强度进行采样，并建立环境三维地图，采样数据和环境三维地图自动存入信息处理系统，从而规划最佳路径，保障机器人自己的行进安全、有效地避开障碍物，到达目标坐标进行修剪。

利用图像增强技术，采用方向梯度直方图算法对采集到的图像进行特征量的提取，将特征量转换为草高度H，与预设高度H0进行对比，对未修剪齐整的草坪进行定位识别，确定目标位置，从而进行定向修剪。使修剪后的草坪高度一致，实现草坪的齐整与美观。

结语

本次设计的系统虽然能够完成草坪图像的检测且效率较快，但检测精度并不是很高，并且占用资源偏大，因此还需要对算法进一步改进，同时需要从权衡检测精度和检测速率方面对硬件进行改进和优化，从而提高检测效果和实施性。

参考文献

[1]姬长英.农业生产过程智能化的发展与展望[J].农业机械学报，1999，30（1）：106～110.

[2]赵匀，武传宇，胡旭东等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2003，19（1）：20～24.

[3]胡桂仙，于勇，王俊.农业机器人的开发与应用[J].试验研究，1999，30（1）：45～47.