茄子采摘机器人颜色识别系统的研究

2022-12-01侯义锋高文秀

电子制作 2022年20期

侯义锋，高文秀

（1.广西机器视觉与智能控制重点实验室，广西梧州，543002；2.梧州学院，广西梧州，543002）

0 引言

在日常生活中，茄子是我们餐桌上经常食用的蔬菜，茄子营养极其丰富，而且还含有多种矿物质和维生素，对于身体健康有极高的功效和作用，长期食用茄子对胃癌的治疗、抗衰老、降低胆固醇和保护心血管等具有很好的效果。茄子在全世界都有广泛的种植，亚洲、非洲、地中海沿岸、欧洲中南部、中美洲等地均种植。但是就目前为止我国茄子的栽种面积不仅占据世界第一，产量也是遥遥领先，是很重要的茄子出口大国。但我国人口的老龄化越来越严重，农业劳动力不断减少，而目前如此大量的茄子采摘还是手工采摘，耗时又耗力。为了降低成本，减轻劳动量，提高效率，我们有必要提高农业机械自动化，研究茄子采摘机器人代替人工采摘。近年来很多人在研究果蔬采摘机器人细节和整体方面提出了很多有参考价值的方案，推动我国农业自动化有了很大的突破，哈尔滨商业大学的王维强研究了自然环境下茄子采摘机器人目标识别方法，与传统的识别方法相比，准确率有了很大的提高[1]；山东农业大学王思玉等人对于典型果蔬采摘机器人研究现状和趋势做出分析[2]；南京农业大学李国利对多末端苹果采摘机器人进行设计与研究，设计了杯状和筒状结构末端执行器，能够存储少量果实，满足连续采摘作业要求[3]；华南理工大学张勤等人提出了基于RGB-D信息融合和目标检测的番茄串采摘点识别定位的方法，该方法可在复杂近色背景下，实现番茄串采摘点识别定位[4]；赵文峰等人提出了集成多执行器采收机器人的设想，认为集成多执行器采收机器人适合我国温室番茄单果采收[5]。冯硕，李旗结合计算机视觉、嵌入式控制系统和卷积神经网络算法，设计了一套奇异果采摘机器人机械臂控制系统，能够实现目标果实的立体定位和精准采摘[6]。龙洁花等人研究了改进Mask R-CNN的温室环境下不同成熟度番茄果实分割的方法[7]。王雯等人研究了XELA3D触觉传感器感知猕猴桃成熟度的方法[8]。为此本文也尝试设计了茄子采摘机器人的识别系统，该系统尝试采用颜色传感器识别紫色的茄子。

1 设计原理

本设计采用的是TCS34725颜色传感器，其是一款成本偏低，性价比偏高的RGB全彩颜色识别传感器，带有4个高亮LED进行补光，保证了传感器在弱光的环境下仍然可以使用，TCS34725光数字转换器包含一个3×4的光电二极管阵列，光感应器件可以更高效地接触环境光，内部含有AD转换器，颜色传感器以白光照射物体，物体反射的光被光电二极管吸收，产生光电效应，产生光电电流，4个积分AD转换器可以将放大的光电流同时转换成16位数字值。转换周期完成后，得到原始结果并传送到数据寄存器，再根据此传感器的RGBC寄存器地址将数据读取出来。并且此传感器具有双缓冲的功能，从而提高了得到数据的完整程度。若获取的颜色值与实际的有差别，可以通过对积分时间和增益倍数两个参数的调节，得到相对准确的值。据此我们可以得到茄子成熟时紫色的值的范围为（13,12,13）～（16,15,15），茄子未成熟时青色的值的为（48,50,30）～（62,62,40）；记下两个颜色的值RGB值，通过当前数值比对来判断是否为紫色，选出成熟度达标的果实。

2 硬件控制电路设计

硬件控制系统的电路主要有以下几部分组成：主控模块STM32、颜色采集模块、按键模块、液晶显示模块、电源模块组成，系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

图2 TCS34725颜色传感器电路图

2.1 颜色采集模块

本模块采用的是以TCS34725 彩色光数字转换器为核心的颜色传感器，该传感不仅灵敏度高，而且动态范围也宽。此芯片工作电压、逻辑电压都为3.3～5V，I2C快速模式兼容接口，与单片机进行I2C通信，不需要占用太多的引脚资源，如下原理图中的右侧图是双电平转换电路，保证了通信的正常进行，SCL是I2C的时钟输入和单片机的PB10连接，SDA是I2C数据输入和单片机的PB11连接。

2.2 单片机

从难度和成本上考虑，此系统采用STM32F103单片机，该单片机的片内外设非常丰富。此芯片有32K～128K字节的FLASH存储器、6K～20K字节的SRAM，且存储器具有多重自举功能；内嵌4～16MHz高速晶体振荡器、使用外部32kHz晶体的RTC振荡器；2个12位A/D转换器具有双采样和保持的功能，有SWD串行线调试、JIAG口、串行外设接口SPI；有灵活的7通道DMA控制器可以管理存储器，设备到存储器和存储器到设备的数据传输，无须CPU任何干预；多达80个快速I/O端口；7个定时器，3个同步16位定时器，每个定时器有4个用于输入/输出比较PWM或脉冲计数的通道，1个16位6通道方便于电机控制的PWM高级定时器，具有死区控制和快速刹车的功能，1个独立看门狗，1个窗口性看门狗；并且内含9个丰富的通信接口。综上所述该单片机的性价比相对比较高，该单片机完全可以满足该系统的核心控制。

2.3 液晶显示模块

本模块我们选择的是OLED128×64白色液晶屏，该屏幕相比于一些其他的屏幕不仅具有的分辨率比较高，而且在单位面积拥有较多的像素点；超广可视角度大于160度，在显示屏中可视角度属于最大的一种屏幕；并且功耗也极低，一般情况只有0.06W；最重要的是具有宽供电范围，直接兼容常用的3.3V和5V的供电系统，所以无需接其他的电压转换电路，直接与单片机进行连接就可以。

图3 最小系统电路图

3 软件设计

颜色识别部分采用的是TCS34725颜色传感器，使用C语言编程，通过颜色传感器对茄子的颜色进行采集，将采集到的数据发送给单片机进行识别。颜色识别的程序首先是初始化，对复位和时钟控制器、寄存器进行配置，开启外部高速时钟，半周期访问使能，预取值缓存使能，外部高速时钟为PLL时钟输入源，为9倍频，使能PLL时钟，PLL时钟作为系统时钟，对HCLK时钟配置为一分频，使AHB时钟等于系统时钟，对PLCK1时钟配置为二分频，使APB1时钟等于HCLK(AHB)时钟的一半，对PCLK2时钟配置为一分频，使APB2时钟等于HCLK(AHB)时钟；然后对GPIO口进行初始化配置，对GPIOA、GPIOB、GPIOC和复位端口进行使能，选用与LED灯连接的PA3端口，模式配置为推挽输出，频率设置为10MHz，LED灯上电的初始模式为点亮；对TCS34725进行初始化配置，在其初始化函数中首先对I2C进行初始化，对I2C与TCS34725连接的GPIO口进行配置，PB10外接I2C的时钟(SCL)总线，PB11外接I2C的数据传输(SDA)总线，IO口模式设置为通用推挽输出，频率设置为50MHz，引脚初始状态为高电平有效，通过TCS34725的ID来判断TCS34725与单片机是否连接成功，连接成功将显示“Initial OK!”的字样，连接失败后将进行再次连接，若连接成功之后将会对TCS35725颜色传感器的时间积分和增益进行设置，时间积分和增益数值的设置将会影响获取数值的真实性，对TCS34725颜色传感器进行使能；对白平衡进行调整，有利于减小颜色的偏差；设置之前测得的紫色和青色茄子的阈值范围；对串口进行初始化配置，波特率设置为115200Bd，字长为8位数据格式，一个停止位，无奇偶校验位，无硬件数据流控制，具有收发模式，初始化串口，开启串口中断，使能串口；对定时器进行初始化配置，配置定时器的自动重装载值为999，时钟预分频数为71，设置定时器的计数模式为向上计数，允许定时器进行更新中断，对定时器进行使能，开启中断定时，若定时时间1达到10msLED指示灯亮，定时时间1进行清零；若定时时间2达到50ms时，进行R、G、B颜色值的读取和时间的清零，在读取过程中，为了防止读取的数据由于某些因素的影响而出现错误，所以R、G、B颜色值必须要连续进行两次的读取，然后将两次读取的数值进行比对，如果两次读取的数据不一致，则证明读取的数据受到干扰，数据不准确，不能作为有效数据处理，之后在重新进行读取数据；直到相邻2次读取的数据一致的时候，则说明数据具有准确性，将读取的R、G、B值输出并进行颜色判断，通过对读取的颜色的值和设置的阈值进行比对，如果读取的值满足紫色条件则判断为紫色，如果在青色范围则判断为青色。流程图如图4所示。