农业激光自动采摘定位机器人控制系统设计_基于PID控制

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1、2015年9月农机化研究第9期农业激光自动采摘定位机器人控制系统设计—基于PID控制123王立谦，汪小志，林卫国(1．华中科技大学武昌分校机电与自动化学院，武汉430064;2．武汉理工大学物流工程学院，武汉430070;3．华中农业大学工学院，武汉330108)摘要:结合STM32和MSP430单片机设计了一种新的农业果实采摘机器人激光自动瞄准系统，并在系统设计过程中引入了PID算法，大大提高了果实采摘机器人的定位精度和自动化程度。该系统对果实目标区域采用两组控制系统进行图像采集和运动控制。其中，STM32单片

2、机控制图像采集设备，并对图像信息进行分析处理，数据结果经无线通信送MSP430单片机，控制电机带动激光笔移动瞄准目标位置。系统采用OpenCV处理图像，实现了人机交互功能，利用PID控制算法调整瞄准误差，提高了瞄准精度，通过对电机的闭环控制，实现了激光自动瞄准功能。实验结果表明:此系统可以成功锁定目标，达到了较高的精度，为激光瞄准系统在农业自动化和现代化中的应用研究提供了理论依据。关键词:果实采摘;激光瞄准;PID控制;STM32;MSP430;人机交互中图分类号:TP242．3;S123文献标识码:A文章编号:

3、1003－188X(2015)09－0211－06DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.09.048所示。0引言农作物果实机器人采摘过程中，机器人采摘系统受到多方面的影响，如可见光、温度、湿度等，其采摘的位置往往和实际果实位置具有一定的偏差;而激光瞄准系统能以较高频率提供大量准确的距离信息，可靠地提供果实的方位和尺寸信息，为机器人采摘果实提高可靠的数据支持。激光瞄准器能够方便快速准确地瞄准目标，且激光瞄准器辐射强度高、单色性好、相干性好、方向性强，在目标定位方面具有很多优势。为了研究高效的机

4、器人采摘控制系统，提高机器人的作业效率，设计了以STM32单片机和MSP430单片机图1自动瞄准装置系统示意图为控制核心、以摄像头进行图像采集、以直流减速电Fig．1Theschematicdiagramautomaticaimingdevicesystem机为激光笔瞄准带动装置的激光采摘定位装置的系根据要求，系统需对摄像头数据接收及处理来寻统。找激光斑，此外根据寻找结果控制电机带动激光枪改变瞄准位置。因此，系统采用了两套单片机控制系1系统总体设计统:一套用于图像信息采集与分析处理，一套用于控系统以农作物果实为瞄

5、准目标，摄像头作为图像制激光枪二维平面移动瞄准。这两套控制系统通过采集设备，通过对图像信息的分析控制激光枪的激光无线通信模块进行数据交换，配合实现系统要求。斑置于农作物果实的指定位置，其结构示意图如图1根据图1的系统功能需求，系统采用STM32和MSP430单片机，结合摄像机、无线通信模块、电源驱收稿日期:2014－11－05动模块及语言模块进行结构设计，如图2所示。基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51305152)作者简介:王立谦(1975－)，女，四川资阳人，讲师，(E－mail)其中，STM32根据

6、采集到的图像信息判断激光斑724104439@qq．com。是否击中目标位置，并将判断结果通过无线通信的方通讯作者:汪小志(1981－)，女，武汉人，讲师，博士，(E－mail)fiber-式送给MSP430;MSP430根据此信息发出控制信息驱home@126．com。·211·2015年9月农机化研究第9期动电机转动，从而带动激光枪重新瞄准，此过程形成闭环控制，直至激光斑击中目标位置。图2系统设计结构图Fig．2Thesystemdesignstructure分离的方式，从图像数据中舍弃色度UV值而直接提2硬

7、件系统设计取亮度信息Y，可以简化数据的处理过程。无损的存2．1图像信息采集硬件电路储方式下一个像素由3个字节构成，分别为Y、U、V系统采用常见的OV7670模块进行数据采集，在值。由于只需Y值，为降低数据处理量，配置OV7670控制上，首先对无激光照射的农作物果实图像通过工作于YUV4∶2∶2的模式，1个像素由2个字节构ＲGB灰度计算标注出靶心。当激光照射到胸靶环重成。从其采集的数据中提取Y值从而定位激光斑，此新采集图像后，对激光斑定位并与靶心位置比较，输方式对于强光照射下激光斑的定位也极为有效。图3出控制信号。

8、对于高亮度激光斑的信号辨识，常见的为STM32工作电路及信息采集硬件电路图。ＲGB方式辨识会产生较大误差，因此采用YUV亮度图3摄像头控制电路Fig．3Thecameracontrolcircuit系统中STM32遵照SCCB协议，通过PD2和PD3平(低有效)，此时行同步信号HＲEF出现有效信号高口对OV7670的内部寄存器进行配置，设置其工作方电平，每STM32在像素