摘 要: 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重點(diǎn)工作是收割，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，追求安全、可靠、高效的農(nóng)產(chǎn)物收割是智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)控制方法，解決水果的半自動(dòng)采摘，提高每工時(shí)的生產(chǎn)效率。通過(guò)無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程控制流動(dòng)站上的機(jī)械臂在果園中漫游，農(nóng)戶(hù)可以使用固定有各種傳感器的手套遠(yuǎn)程控制它，這些傳感器可以將機(jī)械臂遠(yuǎn)程定位以收獲水果。本文討論了固定有各種傳感器的手套的設(shè)計(jì)、4自由度機(jī)械臂和無(wú)線(xiàn)控制接口的設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的設(shè)置以及實(shí)驗(yàn)室條件下的測(cè)試和評(píng)估進(jìn)行了分析。

　　關(guān)鍵詞:智慧農(nóng)業(yè);無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng);機(jī)械臂;傳感器

　　Abstract: The key work in the agricultural field is harvesting. With the development of agricultural modernization technology, the pursuit of safe, reliable and efficient harvesting of agricultural products is the focus of the development of smart agriculture. Based on the Internet of Things technology, this paper proposes a remote wireless control method to solve the semi-automatic fruit picking and improve the production efficiency per man-hour. By wirelessly controlling the robotic arm on the rover to roam the orchard. farmers can remotely control it using gloves fixed with various sensors, which can remotely locate the robotic arm to harvest fruit. This article discusses the design of gloves with various sensors fixed, the design of a 4-degrees-of-freedom robotic arm, and a wireless control interface, and analvzes the system setup and testing and evaluation under laboratory conditions.

　　Key words: smart agriculture, wireless control system, Robotic Arm; sensor

　　1 引言

　　農(nóng)業(yè)收割作為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)是推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的關(guān)鍵，利用農(nóng)業(yè)機(jī)器人完成除草、收割、噴施肥料、播種等農(nóng)業(yè)日常工作，代替了大量的勞動(dòng)力，提升了農(nóng)作物的生產(chǎn)效率。本文基于農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用實(shí)踐，以水果收獲為研究對(duì)象，通過(guò)配置有機(jī)械臂和攝像頭的流動(dòng)站佩戴固定各類(lèi)傳感器的手套，用戶(hù)遠(yuǎn)程控制該流動(dòng)站，完成水果的大產(chǎn)量收割。

　　農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)在很多方面需要分析及研究，利用部分研究成果采用無(wú)人感應(yīng)和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)農(nóng)用車(chē)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)收獲的自動(dòng)精確收割。文獻(xiàn)[1]中將自動(dòng)農(nóng)用車(chē)輛分為四類(lèi)：制導(dǎo)，檢測(cè)，行動(dòng)和制圖，同時(shí)該文獻(xiàn)還討論了行動(dòng)小組下使用的各種傳感器，包括LiDAR、測(cè)距激光傳感器、人工視覺(jué)系統(tǒng)、測(cè)距聲納傳感器等，并詳細(xì)討論了在地圖上定位自動(dòng)駕駛汽車(chē)的各種算法;文獻(xiàn)[2]中介紹了使用多光譜特征的果園水果分割，詳細(xì)介紹了如何將圖像處理技術(shù)和算法應(yīng)用于機(jī)器人農(nóng)業(yè)監(jiān)視任務(wù)的水果分割問(wèn)題。當(dāng)前用于農(nóng)業(yè)細(xì)分的分類(lèi)方法使用手工制作的基于應(yīng)用程序的功能。相關(guān)研究結(jié)果證實(shí)結(jié)合特征學(xué)習(xí)算法和條件隨機(jī)場(chǎng)來(lái)應(yīng)用多光譜圖像數(shù)據(jù)，可以為農(nóng)業(yè)提供更優(yōu)的服務(wù)。文獻(xiàn)3]中提出了基于視覺(jué)的導(dǎo)航機(jī)器人的類(lèi)似工作，作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人中無(wú)人駕駛車(chē)輛不可或缺的一部分。文獻(xiàn)[4]中討論了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Pr-

　　ecision Agriculture，PA)中按需滴水的雜草控制，其中除草劑的施用被控制為單個(gè)小滴，文中討論了在用于雜草控制的此類(lèi)機(jī)器人中控制液滴動(dòng)力學(xué)的流體動(dòng)力學(xué)和電子設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]中討論了用于修剪和水果收獲應(yīng)用的低成本機(jī)械臂。

　　2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 手套控制單元

　　如圖1所示為設(shè)計(jì)的手套原理架構(gòu)圖，由用戶(hù)控制單元、機(jī)械臂收割單元組成。其中用戶(hù)控制單元內(nèi)置有加速度計(jì)、陀螺儀和彎曲傳感器的手套，加速度計(jì)提供加速度和傾斜度，而陀螺儀提供角速度和方向。機(jī)械臂收割單元是固定手臂的流動(dòng)站，通過(guò)嵌入傳感器，并與微控制器單元(單片機(jī)，MCU)連接。手套中嵌入了三個(gè)加速度傳感器，用于控制4個(gè)自由度臂的3個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)兩個(gè)柔性傳感器來(lái)控制刀具心。

　　其中用戶(hù)控制單元是控制信號(hào)發(fā)送端，機(jī)械臂收割單元是控制信號(hào)接收端。發(fā)射端模塊包含所有傳感器、藍(lán)牙和MCU，均集成到可穿戴設(shè)備中，可穿戴設(shè)備將用戶(hù)手臂的實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)角度傳輸?shù)綑C(jī)械臂。

　　2.2傳感器設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)使用3個(gè)MPU6050 IMU(Inertial Measurement Unit，三軸加速度)傳感器，每個(gè)傳感器都具有集成在單個(gè)芯片上的3軸加速度計(jì)和3軸陀螺儀，使用PC串行接口。可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)使其可以將IMU放置在用戶(hù)的手臂、前臂和手上。撓曲傳感器的平整電阻為25k歐姆，彎曲電阻為45k-125k，在本文的應(yīng)用中，將撓性電阻器放置在手套的食指處以測(cè)量其彎曲量，柔性傳感器的實(shí)現(xiàn)如圖2所示為柔性傳感器電路圖[9]。

　　2.3藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

　　Arduino Pro Mini MCU與可穿戴設(shè)備上存在的所有傳感器通信，Arduino Pro Mini是基于ATmega328的微控制器板。使用1C通信協(xié)議訪問(wèn)IMU，并使用片上ADC采樣來(lái)自彎曲傳感器的輸入。MCU使用IMU數(shù)據(jù)計(jì)算手臂不同部分之間的角度，并通過(guò)藍(lán)牙模塊HC-05將這些角度和撓曲傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到機(jī)械臂。

　　3實(shí)驗(yàn)

　　3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　用于水果采摘的可穿戴手套具有固定的基座，整個(gè)機(jī)械臂都建立在該基座上。有三個(gè)帶有四個(gè)伺服電機(jī)的鋁通道，可在4.8-6V電壓范圍內(nèi)工作，最大行程為199.5 度。該機(jī)械臂的設(shè)計(jì)類(lèi)似于具有手臂、肩膀、肘部和腕部的關(guān)節(jié)的類(lèi)人手臂。使用該機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)總共四個(gè)自由度，其中三個(gè)是俯仰運(yùn)動(dòng)和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，末端執(zhí)行器可以被認(rèn)為是一種附加的自由度，在這種情況下，末端執(zhí)行器可以通過(guò)以所需的方式切割來(lái)閉合其爪子。

　　(1) 角度計(jì)算

　　MCU從每個(gè)IMU中獲取6DOF數(shù)據(jù)。每個(gè)IMU的角度都是使用加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算的，陀螺儀給出繞特定軸的角度的時(shí)間變化率，陀螺儀的當(dāng)前角度(方向)的計(jì)算如下：

　　(2) 數(shù)據(jù)采集與傳輸

　　Arduino MCU使用I2C通信協(xié)議與IMU傳感器通信。數(shù)據(jù)采集執(zhí)行過(guò)程如下：a)每個(gè)IMU通過(guò)從睡眠狀態(tài)喚醒來(lái)初始化;b)Arduino通過(guò)一次向單個(gè)IMU分別提供+5V電壓來(lái)啟用每個(gè)IMU;c)啟動(dòng)與所選IMU芯片的通信。MCU總共向傳感器請(qǐng)求12個(gè)寄存器，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)自由度，采集完所有寄存器后，通信中斷，MCU繼續(xù)讀取下一個(gè)傳感器;d)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作之前，MCU重復(fù)此過(guò)程三次，以從3個(gè)IMU傳感器中的每個(gè)采集數(shù)據(jù)。撓曲傳感器的值映射到50到230的合適范圍。計(jì)算完成后，將形成以下格式的字符串：，，，，Cend effecter-value>。字符串通過(guò)串行端口發(fā)送到藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將字符串發(fā)送到接收器端的藍(lán)牙模塊。

　　(3)數(shù)據(jù)接收及解碼

　　Arduino將通過(guò)存儲(chǔ)從藍(lán)牙模塊獲取的值來(lái)處理接收到的數(shù)據(jù)，直到第一個(gè)逗號(hào)的值都將被存儲(chǔ)為肩角。讀取的所有角度將存儲(chǔ)在用逗號(hào)分隔的不同存儲(chǔ)位置中，測(cè)試解碼的角度的有效性，并且僅當(dāng)每個(gè)角度在每個(gè)關(guān)節(jié)的指定范圍MIN_VALUE到MAX_VALUE中時(shí)才有效。

　　3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　系統(tǒng)測(cè)試設(shè)置包括一個(gè)4自由度機(jī)械臂，該機(jī)械臂帶有輕質(zhì)鋁通道，其中一個(gè)用作固定鏈接，其余三個(gè)用作移動(dòng)鏈接。切割器的末端執(zhí)行器連接在最后一個(gè)鏈接上，在該測(cè)試設(shè)置中，該切割機(jī)將修剪保持在其范圍內(nèi)的細(xì)樹(shù)枝。用戶(hù)戴上帶有傳感器和MCU設(shè)置的手套，如圖3所示，通過(guò)使用拇指和食指來(lái)模仿裁刀動(dòng)作。

　　在所有用戶(hù)執(zhí)行不同的預(yù)定義手勢(shì)(每個(gè)手勢(shì)10次，共定義了4中手勢(shì)，分別為G1、G2、G3、G4)的情況下，表1中列出了平均成功百分比。從表中可以看出，當(dāng)用戶(hù)全部執(zhí)行10次手勢(shì)時(shí)，G1的平均成功率均為99%，而G3和 G4均為98%。

　　對(duì)于每個(gè)手勢(shì)，都會(huì)捕獲手臂反應(yīng)的視頻并分析反應(yīng)時(shí)間，端到端藍(lán)牙發(fā)送和接收時(shí)間對(duì)于任何類(lèi)型的手勢(shì)都是恒定的。類(lèi)似地，發(fā)射器、手套和接收器之間的藍(lán)牙配對(duì)時(shí)間、機(jī)械臂也保持不變，可忽略延遲計(jì)算時(shí)間，延遲的變化僅取決于傳感器響應(yīng)手勢(shì)的速度以及用戶(hù)控制單元處將信號(hào)提供給MCU的速度，以及該MCU將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換為命令的速度。在機(jī)器人收割機(jī)一側(cè)，當(dāng)接收到命令時(shí)，它們必須由MCU解碼，然后在每個(gè)自由度處將控制信號(hào)生成到相應(yīng)的伺服電機(jī)。表2為用戶(hù)手勢(shì)的反應(yīng)時(shí)間統(tǒng)計(jì)，四個(gè)不同用戶(hù)對(duì)所有四個(gè)手勢(shì)的反應(yīng)時(shí)間在800到980ms的范圍內(nèi)，定時(shí)差為180ms.

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　隨著農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)在所有發(fā)達(dá)國(guó)家?guī)?lái)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的革命，本文介紹了機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，該機(jī)械臂可以使用固定有各種傳感器的手套遠(yuǎn)程控制。將使用戶(hù)能夠在控制室而不是在現(xiàn)場(chǎng)控制手臂，并在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的某些測(cè)試，包括成功/失敗測(cè)試和反應(yīng)時(shí)間測(cè)量測(cè)試，結(jié)果證明本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在遠(yuǎn)程控制性能方面較優(yōu)。

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文章名稱(chēng)： 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)無(wú)線(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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