基于机器视觉的农业智能运输小车设计与开发.pdf

2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 基于机器视觉的农业智能运输小车设计与开发 宋 雷 李 浩欣 郭 顺 徐 航 陈龙崇 韩钰绵 广东技术师范大学机电学院 广东广州 510635 现代 科 学技术 飞 速 发展 人工智能技术 在 农业 中 也 得 到 了大 量 的应用 在 农业 生产中 对 物资 进行 短 距 离运 输 的 需 求 较多 目前 仍 然 以 传 统 的机电 设 备 或 人 力作为 运 输 方 式 采 用人工智能技术 解决 农业 短 距 离运 输 的 问 题将 对农业的发展提 供 有 效 的技术 支 撑 目前 智能 运 输 设 备 已 有 一 定 的研究进展 例 如 AGV 自动 引 导 运 输 车 1 在 设定 好 的 路 径 上通过 自动 引 导 装置 自动 行 驶 在 物 流 仓 储 中 的应用 可以 提 高 货 物 的 流 动 性 和 灵 活性 王 蕾 2 等人 设计 的智能 物 流 小 车 中 应 用了 A3C算 法 使 小 车拥 有 较 高 的 避 障 能 力 卢忠亮 3 等人 开 发的智能 物 流 小 车 结 合 射频 识别技术对 线 路 或 物 件 的电 子 标 签 进行识别 提 高 了 物 流 小 车 在 运 输 过程 的 路 径 识别 和 定 位 能 力 大 幅 度 节 省 了 运 输 的 成 本 从 上 述 文 献 可以 发现人工智能技术 可以 较 好地 解决 短 距 离运 输 问题 设计 开 发基于人工智能农业智能 运 输小 车 必 将 大 幅 度提 高 农业 生产 效 率 本文 基于 图像 识别 运 动 控 制 等技术 开 发 设计 了一 款 应用于农业 生产 的 短 距 离运 输 智能 运 输小 车 该小 车 以 Arduino作为 控 制 核 心 OpenMV作为 机 器 视 觉 模 块 LM298作为 驱 动模 块 JQ8900 16P作为 语音播 报 模 块 同 时 采 用 麦克纳姆轮 作为 运 动 机构 通过 以 上 元 器件 的 共 同 合 作 下 从 而 实现智能 运 输小 车 的 二 维 码 识别 颜色 识别 路 径 规划 全 向 运 动 等智能 运 输 要 求 能 够 在 复 杂 的 环境 条件 中 快 速 达到 运 输 目 的 1总体方 案 该 智能 小 车 的 总 体 方 案如 下图 1所示 图 1智能 小 车总 体 方 案 图 本 系统 主 要 由 Arduino控 制 模 块 摄 像 头 模 块 电 机 底盘 模 块 驱 动模 块 电 源模 块 语音播 报 模 块 舵 机 及平 板 机 械 支 架 构 成 组 成 Arduino作为本 系统 的 控 制 核 心 利 用 摄 像 头 采 集 过 来 的 数 据通过 黑白 二 值 化 以 此 判 别 障 碍 物 位 置 交 通 灯 情况 最 终区 域 等 关 键 数 据 摄 像 头 对 障 碍 物 准 确 定 位 确 定其 坐 标 位 置 同 时 判 别 规 定 的各 功 能 区 域 坐 标 单 片机 通过 返回 的 坐 标 位 置结 合 PID算 法 给 定 LM298驱 动 PWM输 出 形成 闭 环控 制 摘 要 文章 设计开 发了一 台 以 Arduino作 为 控制 核心 OpenMV作 为 机 器 视觉 模 块 的农业智能 短距离 运 输 小 车 该 智能 小 车 通过 使 用 OpenMV对 二维 码 障碍 物等进行 图 像 识别 能 够 实 现 自 主 运 行 可 以 将指定 农业物 资 运 输到指定 地 点 该 农 业智能 小 车采 用 4个 麦 克纳姆轮 作 为移动 机 构 通过 Arduino对电 机 进行 PID控制 可使 小 车 实 现 全 向 移动 提 高 农业的生 产 效 率 关键词 农业智能 运 输 小 车 Arduino OpenMV 图 像 识别 PID 中图分类号 TP242 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 01 0009 05 Abstract Thispaperdesignsanddevelopsasmartagriculturalshort distancetransportvehiclewithArduinoasthecon trolcoreandOpenMVasthemachinevisionmodule ByusingOpenMVtorecognizethetwo dimensionalcodeandobstacles thesmartvehiclecanrunautonomouslyandtransportthedesignatedagriculturalmaterialstothedesignatedplace Four Mecanumwheelsareusedasthemovingmechanismofthesmartagriculturaltransportvehicle andthemotorisPIDcon trolledbyArduino whichcanmakethecarmoveinalldirectionsandimprovetheefficiencyofagriculturalproduction Keywords smartagriculturaltransportvehicle Arduino OpenMV imagerecognition PID 基金项目 广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目 序号 30 广东省一流本科课程 粤教高函 2020 16号 作者简介 宋 雷 1979 男 博士 副教授 研究方向 智能装备 设计 与 开 发 9 2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 系统 从 而 控 制 小 车躲 避 障 碍 物 行 驶 同 时 可 通过 修 改 算 法 中 各 区 域 的 颜色阈 值 对现 场 环境 作 出 适 应 1 1智能 小 车 的机 械 结构 设计 小 车 的 总 体 结构 分 为 三 大 部 分 底盘承载 与 运 动 机 构 货仓 结构 设计 摄 像 头固 定调 节 机构 小 车 通过 摄 像 头 识别 二 维 码 之 后 打开 相 应的 仓 门 发出 语音 提 醒 装 入 货 物 关 闭仓 门 小 车 规划 路 径 走 到 相 应的 收 货 地 点 在 小 车 行 驶 的 过程 中 自动 识别 障 碍 物 交 通 灯 等 遵守 交 通 规 则 小 车 到达 终 点 后 发出 语音 提 醒 识别 二 维 码 取 出 货 物 自 主 规划 路 径返回 出发 区 域 1 货仓 2 底 盘 3 摄像头 4轮 子 简画 图 5 摄像头支撑支架 图 2智能 小 车 的 总 体结构 1 智能 小 车 的 底盘承载 运 动 机构 设计 小 车 的 车 体 采 用了 矩 形 的 四 轮 机构 车轮 采 用了 瑞 典 麦克纳姆 公 司 的 专 利 麦克纳姆轮 4 如 图 3 麦 克纳姆轮 的结构 组 成 与全 向 轮 相 似 都 是 由 轮 毂 和 辊 子 组 成 轮 毂 是 整个 轮 子 的 支 架 辊 子 则 是 安 装 在 轮 毂 上 的 鼓 状 物 但是 全 向 轮 的 轮 毂 和 辊 子 的 转 轴 相 互 垂 直 麦克纳姆轮 的 轮 毂 和 辊 子 的 转 轴 成 45 角 5 同 时 麦克 纳姆轮 可分 为 左旋 轮 以及 右旋 轮 小 车车 体 通过 4个 电机的 精 确 调 速 控 制 4个 麦克 纳姆轮 6 不同的 旋 转 方向实现 小 车 的 全 向 运 动 四 个 车 轮 朝 着 同一 个 方向 旋 转 便 可 使 小 车 前 进 或 者 后 退 对 角的 车轮 旋 转 方向 相 同 对角 间 的 车轮 旋 转 方向不同 便 可 使 左 平 移 或 者 右 平 移 同 侧 的 车轮 旋 转 方向 相 同 而 不同 侧 的 车轮 旋 转 方向不同 即 可 实现 小 车 在 原 地 360 旋 转 若只 是 驱 动 对角的 两 个 车轮 即 可 实现 小 车 在 45 方向 上 斜 进 由 于 小 车 的 整体 车身 重 量 为 2kg 3kg 底盘 和 驱 动 轮 受 力 较大 因此采 用重 量 轻 强 度 高 的 铝 合 金 板 做 底盘 图 4底 盘 的 轴承连接 图 5 底 盘 的 小 钢板连接 原 底盘 辅 助 连接 结构 采 用 轴 承 式 连接 如 图 4 该 结构 可以 通过 改 变 底盘 形 状 和 角度 在 较 复 杂 地形 行进 但是 轴 承 式有 连接 稳 定性差 受 力 易 变形 结构不 可 靠 等 缺 点 由 于 底盘 需 要 承 受 较大 载 荷 故 对 此 辅 助 连接 结构进行一 些改 进 采 用 小 钢 板 如 图 5 进行 连接 通过 8个 螺栓 与 底 盘 螺孔 对应 连接 钢 板 结构 受 力面 大 不 容 易 发 生 旋 转 和变形 改 进 后 小 车底盘 结构 稳 定性 提 高 了 可 靠 性 也 图 3 麦 克纳姆轮 实 物 图 10 2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 有 提 升 小 车 在 行进 中 底盘 不 会 发 生 变形 麦克纳姆轮 灵 活性 和 稳 定性 也 得 到 提 高 2 摄 像 头固 定调 节 机构 设计 摄 像 头固 定 结构 摄 像 头 高 度 调 节 结构 和 摄 像 头 支 架 为 自 主设计 铝 合 金 板 材 加 工 摄 像 头 高 度 和 角度 调 节 螺母 的 松 紧 程 度 使 摄 像 头 上 下 移 动 拧 紧 螺母 后 固 定 如 图 6 1 2主 要 元 器件 的 选 型 1 主 控 制 器 的 选 型 采 用 Arduinomega 2560作为主 控 器 Arduino是 一 款开 源 硬 件 库 函 数 封 装 完全 资料 齐 全 接 口丰富 扩 展 性 高 开 发 简 单 适 合 开 源 项 目 以及 原 型 机的 快 速 开 发 完全 可以 实现 本 系统 的各 个 设计 任务 具 有 良 好 的 响 应 速 度 2 视 觉 采 集 装置 选 型 OpenMV是 比 较 适 合 本 项 目 的一 个 机 器 视 觉 模 块 成 本 低 功 能 强 大 7 OpenMV具 有 众 多 硬 件 接 口 能 够 高 效 率 地 实现机 器 视 觉 的 算 法 而 且可 用 USB接 口 用 于 连接 电 脑 上 的 集成 开 发 环境 OpenMVIDE 提 供 Python编 程 接 口 8 协 助 完 成编 程 调 试 和 更 新 固 件 等 工 作 2智 能小车 的 PID控制 自动 控 制 原 理 是 近 年 来 在 各 个 行业 都 比 较 受 欢迎 的一 项 技术 随着直 流 电机 制作 工 艺 的提 高 在 电 气 领 域 被 应用的 也 越 来 越 广 泛 尤 其 是 在 近 几 年 来 的机 器 人 竞 赛中 其 中 传 统 的 PID控 制 是 最受 欢迎 的 9 PID控 制 简 单 地 说 是 根据理 想 的 运 动和 实 际 运 动 的 差 别构 建 一 个 偏 差 量 将 偏 差 按 比 例 积 分和 微 分 通过 线 性 组合 构 成 控 制 量 对 被 控 对 象 进行 控 制 除 此 之 外 PID还 可以 采 用 增 量式表达式 对于机 械 部 件 来 说 计算 机 每 次 只 输 出 控 制 增 量 即 可 从 而减 少了机 器 人 故障 发 生 时 的 过 冲误 差 累 积 等 影响 并 能实现 无 扰 切 换 同 时 PID控 制 也 变 得 更加 灵 活 了 10 连 续 的 PID控 制 它 根据 给 定值 r t 与 实 际 输 出 值 c t 构 成 偏 差 e t r t c t 将 偏 差 的 比 例 P 积 分 I 和 微 分 D 通过 线 性 组合 构 成 控 制 量 对 受 控 对 象 进行 控 制 其 控 制 规 律 为 1 传 递 函 数 为 根据 控 制 规 律 得 到 n 1时 刻 的 控 制 量 1 摄像头固定 结构 2 摄像头 3 摄像头高 度 调 节 结构 4 摄像头支架 图 6 图 像采 集结构 装 配 图 0 0 1 u t pd i t pid det tKetetdtT Tdt det KetKetdtK dt i 11 1 pdpid Us GsKTsKKKs EsTss 2 p 0 u 1 n d i i T T nKeneienen TT 3 图7图像识别 流 程 图 11 2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 设 4 得 5 可 简 化 为 式 中 K p 为 比 例 系数 T i 为积 分时 间常 数 T d 为 微 分 时 间常 数 K i K p T i 为积 分系数 K d K p T d 为 微 分系数 在 本文 的智能 小 车 设计 中 智能 小 车 需 要多 次 启 停 故 采 用 增 量式 PID控 制 用于对 小 车 速 度 调 节 和 姿 态 控 制 3OpenMV图 像 识别 通过 O penMV摄 像 头 进行 二 维 码图像 识别 识别 出 需 要 运 输 的 物料 和 小 车 行 驶 的 路 线 通过 软串口 通 讯 将 信 息 传 输给 A rduino 在 小 车 行 驶 的 过程 中 识别 道 路上 的 红绿 灯 以及 障 碍 物 将 红绿 灯 与 障 碍 物 的信 息 发 送给小 车 最 后 识别出 终 点 区 域 将 终 点 区 域 信 息 发 送给小 车 采 用 OpenMV进行 图像 识别 过程 中 需 要 先 对 OpenMV中 的一 些 相 机 参数 进行 设 置 首先 是 采 用 sen sor reset 对 感 光 元 件 初 始化 第 二需 要 选 择合 适 的 分 辨 率 和像 素 的 模式 分 辨 率一 般 通过采 用 sensor QVGA 选 择 320 240的 QVGA模式 像 素 模式在 OpenMV有 灰 度 模式和 色 彩 模式 本文 研究的智能 小 车 需 要进行 颜 色 识别 故 通过 sensor RGB565采 用 色 彩 模式 第 三需 要 通过 sensor set auto gain False sensor set au to whitebal False 关 闭白 平 衡 便 于获 得 稳 定 的 图像 u 1 nunun u 1 2 1 2 p p i pd KT nKenenen T KT enenen T u 1 2 1 2 pi d nKenenKen Kenenen 6 图8程序流 程 图 图 9智能 小 车整 机 测试 12 2021年 1期 智能装备与系统 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 4 智 能小车 的系统 集成 及测 试 4 1控 制程 序 总 体 结构 系统 上 电 运 行 程 序 进行 自 检 自 检 完 成 由 OpenMV识别 二 维 码 将 识别 后 的信 息 发 送 到 Arduino Arduino控 制 语音播 报 模 块 以及 仓 门 做 出 相 对应的要 求 其 次 控 制 麦克纳姆轮底盘 行 驶 到 指 定 的 地 点 在 行 驶 过程 中 OpenMV将 识别 到 的 障 碍 物 以及 交 通 灯 的信 息 发 送给 Arduino Arduino控 制 麦克纳姆轮底盘 避 开 障 碍 物 并 在 相 应的 区 域 等 待 交 通 灯 到达 指 定 的 收 货 区 域 后 进行 语音播 报 并 且 控 制 相 应的 仓 门 取 出 物料 最 后通过 Arduino控 制 麦克纳姆轮底盘 自 主 规划 路 径回 到 出发 区 域 4 2图像 识别 子 程 序 OpenMVM7摄 像 头 上 电 进 入 程 序 初 始化 摄 像 头 设 置 摄 像 头 的 时 间 等 参数 初 始 进行 二 维 码 的识别 将 识别出 来 的信 息 通过 串口 发 送 到 Arduino Arduino控 制 舵 机 打开 相 对应的 仓 门 以及在 指 定 的 道 路上 行 驶 行 驶 过程 中 进行对 障 碍 物 的识别 在 每 一 帧 的 图 片 中 用 矩 形 框 住 障 碍 物 用 函 数 获 取 矩 形 的 中 心 x y坐 标 发 送给 Arduino Arduino控 制 小 车躲 避 障 碍 物 行 驶 并 且在 行 驶 过程 中 对 红绿 灯 进行识别 将 识别 到 的 红绿 灯 信 息 传 输 到 Arduino中 如 果 是 红 灯 时 Arduino控 制 小 车 停 止 绿 灯 时 控 制 小 车 正 常 行 驶 通过 了 有 红绿 灯 的 道 路 后 再 次 进行 障 碍 物 的识别 控 制 小 车躲 避 障 碍 物 行 驶 最 后 在 行 驶 中 进行 终 点 区 域 的识别 控 制 小 车 到达 指 定 的 终 点 区 域 4 3智能 小 车 的 测 试 将 智能 小 车 全部 组 装 好 放 入 模 拟 环境 中 测 试 智能 小 车 的 运 转 情况 在 测 试 过程 中 智能 小 车 能 够 正确 发出 对应的 语音 提 醒 以及 打开 对应的 货仓 正确 的识别 二 维 码 交 通 信号 灯 准 确地 识别 障 碍 物 并 自 主 进行 路 径 规 划 到达 指 定 收 货 地 点 并 发出 相 应的 语音 提 醒 待扫描 二 维 码取 出 货 物 后 自 主 规划 路 径回 到 出发 区 域 5结束语 本文设计 开 发一种农业智能 运 输小 车 该小 车 利 用 OpenMV进行 图像 识别 能 够精准 地 对 二 维 码 障 碍 物 等进行识别 采 用 麦克纳姆轮 作为 移 动 机构 通过 Ar duino进行 运 动 控 制 使 农业智能 运 输 车 能 够 全 向 移 动 快 速 将 农业 物资 送 至 指 定 地 点 本文设计 开 发的农业智 能 运 输小 车 具 有 较 高 的 运 输 效 率 实现了人工智能技术 与 农业 生产 装备的 有 效 集成 可以 大 幅 度提 高 农业 生产 效 率 参考文献 1 李 贤 杰 张 钦 红 汽车厂 内 物 流搬 运系统中 AGV应用研究 J 上 海 管理 科 学 2016 38 6 84 88 2 王 蕾 宗孝 鹏 赵 南希 等 应用于智能物 流 小 车 的 避障 策 略 研究 J 公 路 交 通科 技 2018 4 309 313 3 卢忠亮 沈 慧 芳 陈 杰 基 于 射 频 识别的智能物 流 小 车 J 江 西 理 工 大 学学 报 2011 32 3 53 56 4 徐 启明 基 于 51单 片 机 的 金 属 探 测 全 方 位移动 智能 小 车 J 电 子 世界 2018 22 090 151 153 5 王子 昊 袁巍 杨海 涛 基 于 麦 克纳姆轮 的 AGV运 动 路 径 规 划 J 内 燃 机 与 配 件 2019 16 110 228 230 6 夏 国 庆 Mecanum轮 全 向 移动 机 器 人研 制 D 南 京 东 南 大 学 2010 7 耿家乐 胡 立 夫 马溥临 等 基 于 Arduino的 水 面智能 垃圾 清 理 与 水 样 采 集 机 器 人 J 工业 仪 表与 自 动 化 装 置 2020 2 131 135 8 陈 璨 王 军 民 杨 昌乐 等 基 于 OpenMV的 螺旋 管 内 焊缝 自 动 跟踪 系统 研究 J 焊 接 技术 2019 48 2 72 75 9 刘 旭 东 PID控制 策 略 在 轮 式 机 器 人电 子 竞赛 中 的应用 J 科 学 大 众 2014 9 131 132 10 张玉 叶 机 器 人 小 车 电 机 PID控制 算 法 及 仿真 J 咸阳 师 范 学 院 学 报 2020 35 4 18 21 13