基于机器视觉和人工智能的花圃裁剪机器人

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　　摘  要：本設计在无人控制下，结合机器视觉、人工智能和图像处理技术，智能地循迹以及避障;自行完成花圃裁剪工作;自行设计自动切割装置，高效地进行花圃裁剪工作;能够对环境信息进行智能调节，使花圃裁剪工作稳定进行;能够实现远程监控功能。
　　关键词：机器视觉;人工智能;花圃裁剪;机器人
　　中图分类号：TP242 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0031-02
　　Abstract： Under unmanned control， combined with machine vision， artificial intelligence and image processing technology， the design intelligently tracks and avoids obstacles， completes the flower bed cutting work by itself， designs an automatic cutting device to cut the flower bed efficiently and can intelligently adjust the environmental information， so that the flower bed cutting work can be carried out stably and can realize the remote monitoring function.
　　Keywords： machine vision; artificial intelligence; flower bed cutting; robot
　　引言
　　目前国内的花圃裁剪、草坪修剪等工作还处于依靠人为劳动力的模式，对此造成了园艺裁剪行业劳动力缺失、工作效率低、工作强度大等问题。基于机器视觉和人工智能的花圃裁剪机器人能够有效地解决以上问题，可实现人为远程操控，并自动循迹和避障进行裁剪工作，通过硬件电路设计以及软件程序的调试使其剪切臂能够自动并有条不紊地进行裁剪工作，系统内部各模块电路能够协调进行工作，并驱动机器人替代人类进行高效率的裁剪工作，远程操作者能够实时地远程监控机器人的工作情况。因此，此该机器人极大地提高了花圃裁剪工作的智能化及简便化，裁剪工作者只需远程操作并适时地监控其工作情况即可，大大地提高了工作效率并可确保工作的质量，从而整体提升社会生产力水平，且应用前景十分广阔。
　　1 系统组成
　　基于机器视觉和人工智能的花圃裁剪机器人能够实现人为远程操控，并自动循迹和避障进行裁剪工作。它主要包括：
　　1.1 主控制系统
　　主控制系统核心处理芯片为STM32F103VET6，系统正常工作时将芯片的I/O口引脚分别与各控制模块芯片的输入引脚相连接，根据不同芯片的通信协议以及不同的电平需求，辅以各种模块的稳压电路，以及完全自主编写的软件程序，使其能够正常进行运算和输出电压，从而使各模块电路能够协调运行，保证该机器人能够实现远程无人控制下的自动裁剪工作。
　　1.2 电机驱动系统
　　电机驱动系统主要是BTS7960组建的双电机驱动电路系统，能够具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护等功能。这种集成电路的优点是采用集成化、外围元件少、驱动电路简单、使用方便。通过PID调节方法对直流伺服电机的PWM脉宽信号进行智能控制从而间接对机器人车速进行控制。
　　1.3 远程监控系统
　　远程监控系统主要由网络摄像头模块与上位机通过无线通信模块实现，网络摄像将从机器人移动端上所采集的画面信息通过模块内部的路由器WiFi模块，借助局域网或城域网将之传至摄像头所对应的IP地址上的网络视频服务器中心，远程上位机通过访问摄像头IP地址即可提取视频信息，实现远程监控机器人的工作情况。
　　1.4 路径识别系统
　　路径识别系统主要由图像采集、图像处理、速度控制等三个部分组成，首先由OV7620摄像头模块中的CMOS图像传感器采集路面信息并将数字信号传送至图像识别系统，图像处理系统再对这些图像信号进行二值化以及最优阈值分割运算来提取目标图像的特征，进而根据判别的结果来实现对现场设备进行速度控制，从而实现机器人移动端自主循迹功能。
　　1.5 自动切割系统
　　自动切割系统主要由自行设计的可伸缩力臂杆以及自动切割装置组成。可伸缩力臂杆是由伸缩杆通过嵌套装置内部嵌套齿条，与齿条凹槽距相契合的齿轴作为直流电机中转轴，因此，齿轴通过与齿条之间的摩擦力带动齿条运动，通过控制电机的正反转从而控制齿条的伸缩长度，实现控制可伸缩力臂杆的工作范围。自动切割装置是由直流电机带动锋利的圆锯片，通过直流电机的旋转带动圆锯片旋转，从而实现切割工作。只需通过PWM信号控制直流电机转速足够快，即可切割硬度相对较高的物体。
　　1.6 电源供电系统
　　电源供电系统是由4节18650电池串联连接以达到14.8V，考虑到主控制单片机系统需求电压低，因此采用集成直流电压变换器 MC34063作降压、稳压处理。整个电源供应系统分为电机驱动供电、稳压电路、充电电路3个部分。通过这3个部分的相互连接与控制协调，辅以各种稳压电路，形成一个完整并适合自动裁剪机器人工作的电源供应系统。
　　1.7 环境信息调节系统
　　环境信息调节系统是由温度模块以及照明模块组成。电机在高速运转时会产生大量热量，温度模块主要实现当温度传感器DS18B20检测到机器人内部工作环境高于设定的某个温度值时，启动降温装置，降温装置由负风压机构成，降温换气效果可达90%～97%，能够有效地降低不透风机器内部的温度，防止机器内部温度过大，造成工作异常。照明模块主要是通过PCF8591数模转换芯片实现，通过光敏电阻采集环境中的光照强度，通过AD/DA转换成流过照明LED灯的电流大小，从而智能地控制照明灯亮度，保证机器人在黑暗条件下也能正常进行工作。 　　1.8 机器人移动端自行运动系统
　　机器人移动端自行移动系统主要由超声波避障模块组成，机器人的避障模块利用超声波传感器测距原理设计，通过自行编写避障程序，限定机器人与障碍物之间的最短距离，在程序中设定当超声波检测到障碍物后会执行相关程序从而控制机器人执行相应的行进指令来绕过障碍物。
　　2 主要技术指标
　　图像处理中我们需要对图像进行灰度化处理，因为灰度图像只含有亮度信息，不包含色彩信息，将RGB彩色图像灰度化可大大减少计算量，提高运算速率。灰度图像为单通道图像，待处理数据为原来的1/3。对采集到的图像进行最优阈值分割，按照一定的阈值将目标从图像的背景中分割出来，从而得到目标路径信息。
　　为了度量和提取图像中的形状，以达到对图像进行分析和识别的目的，我们还需对图像进行数学形态学操作，运用到的运算有4个：膨胀、腐蚀、开启和闭合。摄像头模块将三维实物到二维平面图像的转换，因为网络摄像头固定于移动端智能机器人上，并且工作环境大多数情况下采集到的图像为水平地面，故景象转为图像这一变换关系为固定不变，成线性关系，由于采集影像在水平地面的平面上，因此只需要二维坐标描述。我们将摄像头模块的物理参数通过一定的变换，组合成一些中间参数，经过变换后，一般只需解线性方程组就可以标定摄像头模块，大大简化了标定过程。摄像头模块以及机器人的标定完成，这样保证了采集图像的有效性，有利于我们对图像进行处理，从而计算并确定出机器人的行驶路径。
　　3 创新点及应用
　　（1）本机器人将智能机器人与自行设计的裁剪机结合成一体，具有能够进行长时间稳定高效裁剪园林植物等功能，解放了传统裁剪工人的劳动力，对社会公共环境的美化将作出突出贡献。本花圃裁剪机器人能够适应各种恶劣环境，如在高低温环境以及陡峭地势等环境，利用其代替传统的工人进行高强度工作，能够解决一系列工人的安全等问题，又减少了人工需求。
　　（2）本机器人拥有两个摄像头，结合机器视觉和图像处理技术，能够及时采集到工作效果的图像以及路况信息，使机器人具有路径识别以及检测工作效果的功能。使机器人能够自行检查工作效果并及时修整裁剪不完美的地方，让本机器人拥有能够裁剪出媲美于人工的花圃的特点。
　　（3）本机器人配备了多种传感器，能够及时采集工作环境以及工作情况的信息并发送到主系统，实现智能调节，保证机器人的稳定工作，能够自行处理工作遇见的问题，实现智能控制的效果，使机器人具有在无人控制的情况下也能稳定工作的特点。
　　（4）本机器人能够實现远程调控，能够让裁剪工作者足不出户即可完成裁剪工作，大大提高了裁剪工作者的便利性。
　　（5）本机器人的切割模块采用自行设计的可伸缩力臂杆以及自动切割装置组成，该装置相对于普通裁剪剪刀，工作效率高，切割效果好。
　　4 结束语
　　基于机器视觉和人工智能的花圃裁剪机器人是一个集多种传感器为一体，可人为远程控制并且实时监控、工作稳定及工作方式灵活的多功能裁剪移动平台。它通过硬件电路设计以及软件程序的调试，自动切割系统能够自动并有条不紊地进行裁剪工作。主控制系统协调控制内部各模块电路，根据外部环境信息进行智能调节并驱动机器人替代人类进行高效率的裁剪工作，远程操作者能够实时地远程监控机器人的工作情况。
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