基于OpenMV的温室喷雾机器人的系统设计

郑承云，曹瀚文，金 敏，刘涛

(1.内蒙古农牧业技术推广中心，内蒙古 呼和浩特 010010；2.内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

我国是农业大国，也是温室栽培大国。目前国内温室喷药作业主要是人工作业，人工喷药作业不仅成本高、效率低、造成药液浪费，而且对长期在温室密闭环境中农药喷洒人员的健康造成严重伤害，农作物上残留的过量农药也会对食用者造成严重的危害。近年来随着“精细农业”和“智慧农业”等理念的提出，温室作业日益由机械化趋向于智能化。随着我国大力推动人工智能化，完全由机器人代替人工作业已成为可能。

为解决上述问题，本文研究设计了温室条件下的智能喷雾机器人。该机器人是巡迹磁条的导航系统(以下简称磁导航)、机器视觉的定位识别系统、多传感器检测系统的综合应用，有着高效、精准、智能、成本低、无损伤等优点，具有广阔的应用前景。

1 整体结构设计

智能喷雾机器人通过控制机器人的运动和舵机的转动完成对目标作物的识别以及喷药动作，整个系统包含了5个部分：OpenMV4-H7-Plus、喷雾控制模块、机器人驱动模块、人机交互模块以及土壤环境检测模块。摄像头随着小车在温室行进的过程中，利用采集到的图像实时分析目标植株的位置，发送给单片机，单片机作为核心控制机械臂舵机运动，带动喷头运动到指定的目标作物的位置，并控制水泵进行喷雾。温湿度传感器把检测到的温室温湿度数据通过单片机和无线接收模块输送给串口屏，可实现实时温室环境的监测。系统原理如图1所示。

2 导航系统设计

鉴于温室地面环境复杂多变，对精度要求较高，机器人行驶的导航方式选择磁导航技术。磁导航操作简便，容易更改路径，不会受到光照等环境因素影响[1]，具有良好的可靠性、鲁棒性[2]。预先在温室铺设循迹磁条，磁导航传感器安装于前驱轮前部，引导机器人运动。机器人底座结构如图2所示，2个前轮为驱动轮，通过差动转速完成转弯。机器人启动后，机器人匀速行驶的速度为0.35 m/s，磁导航传感器安装于机器人前方位置，采集磁条信息。若方向正确，传感器中部则获得最大的磁条信息，从而保证行驶没有偏离，继续行驶；如果不是位于中央，则磁导航传感器的其他部分获得最大磁条信息，同时，将信息反馈给MCU，通过PID算法调整2个驱动轮的方向进行纠偏。

单片机（STM32F407ZGT6）经过串口转RS485模块与此导航传感器进行通信。RS485采用半双工方式进行通信，支持多点通信，传输距离远，且只需要3根线就能实现双向通信。

在使用磁传感器进行巡线操作时，需要使用PID算法进行对小车运动方向的控制。PID控制算法是连续控制系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种算法[3]。由PID控制器进行闭环控制，比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd为在线控制，Kp、Ki、Kd值的设定依据是工程整定法，即通过大量试验比较不同参数，选择最优解。本文机器人行驶算法流程如图3所示。

运动方向闭环控制采用增量式PID控制算法［4］，控制式为:

式中：Kp：比例系数；Ki：积分系数；Kd：微分系数；Ti：积分时间常数；Td：微分时间常数；Ek：控制器第k次的输出值。

3 喷雾定位系统设计

本文运用单目相机OpenMV对目标进行检测，利用其颜色识别算法对所需要的目标进行识别，结合云台控制，机器人运动时机械手能够对目标作物进行识别追踪，并且控制喷雾。摄像头选择OpenMV4-H7-Plus，其芯片是STM32F765VI ARM Cortex M7处理器，摄像头像素达500万，摄像头芯片上的所有I/O引脚输出电压均为3.3V，且5V耐受。OpenMV摄像头小巧轻便，低功耗且易于安装，搭载了microPython解释器，可以用高级语言Python，通过算法控制I/O引脚，完成对终端设备的控制。在该系统中使用了IDE中的图像识别处理算法和舵机控制函数对目标作物进行动态的追踪和识别。

系统的硬件主要是由视觉检测和机械臂两大部分构成，机械臂由PCB固定板、2个数字型号舵机MG996R和5V锂电池构成。将焊接好插针的OpenMV摄像头与车身上的PCB板连接。OpenMV首先脱机识别到目标植株色块的CX，CY坐标(x坐标和y坐标)，解算后通过控制器发送控制信号给2个机械臂的舵机。该系统的硬件组成如图4所示。

该系统的运行过程中，OpenMV摄像头对需要识别的环境进行图像采集，然后对环境中的目标作物进行识别和特征提取，当识别目标作物成功时，会用矩形将目标作物的中心坐标位置发送给机械臂从而实现动态跟踪，并控制水泵开启，实现喷雾。该检测定位喷雾算法实现的流程如图5所示。

喷雾机械臂设计为双自由度运动系统，主要是靠STM32芯片完成控制工作。首先对目标的偏移误差进行计算，由颜色识别得到的最大色块中心点坐标作为变量计算出目标作物的运动趋势，再运用PID算法来控制2个数字舵机运动。经计算后，喷雾杆长度选择0.75 m，机器人的整机高度为0.55 m，将机械臂安装于机器人顶部。水泵选取DY-2203型号农用微型直流隔膜水泵，采用一对MG996R数字舵机进行控制运动。

4 结论

本文设计了一款应用于温室的智能喷雾机器人，该款机器人使用循迹磁条作为导航方式，PID算法控制运动方向，通过对目标植株的定位和识别，由STM32芯片完成机械臂的喷雾动作。该机器人各部分之间具有良好的协调性，装置元件性能优越，价格便宜，可操作性强。试验表明，该机器人的喷雾成功率和识别率较高，可满足温室喷雾作业的需求。