智能农业采摘系统的设计与实现.docx

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1、摘要智能农业机械化一直以来都是人们努力的方向，而且，现在农业生产的规模和一些要求都在慢慢的提高，有很多的项目的作业的劳动都是十分密集的，随着我国现在人口老龄化的问题也越来越严重，导致劳动力也在慢慢的减少，这样就导致了农业生产的一些成本有所提高，逐渐降低了产品的市场竞争力。所以，采摘机器人成为智能采摘的研究方向，人们可以用过机器人的信息感知功能以及图像识别的功能，然后进行果实成熟判定，进而保证果实采摘的质量，与此同时也能够保证果实的采摘。智能农业采摘系统主要是由机械手、单片机、舵机以及电机驱动组成，智能农业采摘系统的机械臂由基座、手臂、手腕、手部等一些主要的器件构成的。而且硬件机械系统是由JD0

2、05单目摄像头、TBSK20舵机、还有一些基本的金属支架组件组成的，在了解了机械系统中的机械臂结构还有舵机控制方法的一些理论知识的探究之后，于是就设计了智能农业采摘机械臂的控制系统，然后用于对果实的采摘。关键词：单片机；智能采摘；机械臂；舵机AbstractInte11igentagricu1tura1mechanizationhasa1waysbeenthedirectionofpeop1esefforts,andnow,thesca1eofagricu1tura1productionandsomerequirementsares1ow1yimproving,therearemanyproj

3、ectsoftheworkofthe1aborisveryintensive,withChina,spopu1ationagingprob1emisbecomingmoreandmoreserious,1eadingtothe1aborforceisa1sos1ow1yreducing,which1eadstosomeofouragricu1tura1productionThishasimproved,andgradua11yreducedthemarketcompetitivenessofproducts.Therefore,pickingrobothasbecometheresearchd

4、irectionofinte11igentpicking.Peop1ecanusetheinformationperceptionfunctionandimagerecognitionfunctionoftherobot,andthenjudgethefruitmaturity,soastoensurethequa1ityoffruitpicking,atthesametime,itcana1soensurethefruitpicking.Inte11igentagricu1tura1pickingsystemismain1ycomposedofmanipu1ator,sing1echipmi

5、crocomputer,steeringgearandmotordrive.Themechanica1armofinte11igentagricu1tura1pickingsystemiscomposedofbase,arm,wrist,handandothermaincomponents.Andthehardwaremechanica1systemiscomposedofJD005monocu1arcamera,tbsk20steeringgear,andsomebasicmeta1bracketcomponents.Afterunderstandingthestructureoftheme

6、chanica1arminthemechanica1systemandsometheoretica1know1edgeofthesteeringgearcontro1method,thecontro1systemoftheinte11igentagricu1tura1pickingmanipu1atorisdesigned,andthenusedforpickingfruits.Keywords:Sing1eChipMicrocomputerInte11igentPickingMechanica1ArmSteeringGear摘要IAbstractII第I章绪论11.1 课题背景11.2 目的

7、和意义21.3 课题研究现状3第2章系统分析62.1 可行性分析62.2 硬件系统的总体结构62.3 机械手的硬件结构组成72.4 机械手控制原理82.5 主要功能模块简介10本章小结13第3章控制系统设计143.1 总体的结构设计143.2 硬件开发工具与PCB设计方法153.3 芯片控制模块163.4 蜂鸣器模块183.5 电源模块183.6 控制芯片的选取193.7 键盘指令输入模块203.8 液晶显示模块213.9 摄像头模块223.10 舵机接口模块233.11 24第4章系统软件设计254.1 软件开发环境254.2 STM32软件系统设计流程254.3 机械手软件设计总体方案26

8、4.4 舵机设计流程294.5 液晶显示设计流程图30本章小结31第5章系统调试325.1 硬件调试325.2 软件调试335.3 机械手控制实验335.4 图像识别实验35本章小结35结论36致谢37参考文献38附录1译文39附录2英文参考资料41附录3电路原理图44附录4代码45第1章绪论1.1 课题背景不论是国内还是国外，农业发展的历程都是比较长久了，从第一台能够应用于农业生产的机器出现，至今已经有了50多年的历史。在这几十年的发展中，工业信息技术不断地进步和发展，在于农业生产技术也得以大力发展。由于许多工业生产的需求和一些技术的进步，从可编程的示教再现机器人然后到基于传感器、有自主能力

9、的机器人再到现在正在研究的智能机器人。机器人系统涉及到到的方面非常广，比如说机械的控制、传感器和计算机技术这些，它就是一个包含多个子系统一起工作的机电设备。其中控制器是实现机器人控制的一组硬件以及软件的集合，它的任务是将给定指令转换为机器人的运动操作序列。当然，机器人对控制器的功能有不一样的需求，这其中包含从最基本的轨迹生成和控制，然后到高层的相关的任务规划、数据的融合和各式各样的智能控制方法，功能集合主要在于具体的机器人类别和应用需求。机器人控制器是影响机器人性能的主要的部分，它能够在一些程度上约束对于机器人技术的发展。就目前来说。因为人工智能、计算机科学和传感器技术和一些学科快速发展，致使

10、机器人的研究能够在高水平上进行，而且这也是给机器人控制器的性能提出更高层次的要求。这次论文设计的智能农业采摘系统属于开放式控制器，由于机器人技术的发展，机器人应用领域的不断增加，对机器人的性能提出了更高的要求，所以，怎样才能够有效地将其它领域的研究成果运用到机器人控制系统的实时操作中，在这个过程中是具有挑战性的研究工作。开放式机器人控制器的研究毫无疑问就是对机器人性能和自主能力提高和在推动机器人技术的发展的意义可谓是非常大的。本文研究的主要内容是基于单片机的智能农业采摘机械手控制系统的设计与实现，这是在整体机械手项目设计其中一的部分，这次设计的主要包括通过摄像机对果实图像识别、果实定位和机械臂

11、控制系统的设计三部分。智能农业采摘机械臂在经过图像识别来判断果实是否成熟和视觉定位系统给出果实的坐标之后，然后通过坐标和舵机角度相对应的转换以后知道舵机转动的角度，并且通过控制系统对舵机的角度进行操控，然后进行改变机械臂的位姿，然后就能达到对果实进行采摘的功能。整个系统的设计可以应用于水果果实的采摘，智能采摘机械手的应用能够帮助人们解决农业劳动力不够的问题，能够按时完成水果果实的采摘，并且代替人们完成一些辛苦的劳动。因此，在以后的农业生产过程当中，果实智能采摘机器人肯定会使自己的价值有更大的作用。1.2 目的和意义1 .课题目的本论文是通过单片机技术和图像识别技术出发，建立一个能够完成水果果实

12、的智能采摘控制系统。其目的是替代传统人工工作方式，使水果能够按时采摘，使用机器的方式，姜人工从人工劳动中解放出来，提高采摘的效率。而且它也能够在解决农业劳动力不足问题上有一些帮助，同时还可以代替人们去做危险、环境恶劣、或者单调无聊重复性的工作，能够更加有效的实现工厂内无菌化生产一些相对应的工作。随着我国人口老龄化的加重，劳动力缺少成为了现在最主要的问题，在这次的论文中机械手控制系统的设计是整个采摘机械手项目中的一个子项目。整个机械手项目包含果实的图像识别、果实及机械手的定位和机械手控制系统设计三个部分构成。首先果实图像识别部分对成熟果实进行识别，其次通过果实定位部分对果实坐标和机械臂位姿进行定

13、位，通过坐标与舵机坐标间关系的转换后，由硬件控制系统输入舵机相应的坐标，然后通过电机和舵机的作用下对机械臂的控制。控制对于机械臂的控制实现采摘的工作。2 .课题意义本论文的设计是使用单片机、机械臂相结合完成水果采摘的过程，使用单片机作为控制系统驱动机械臂以及在摄像头的作用下能够准确地进行成熟果实的识别和定位，从而引导末端执行器准确接近目标进行采摘作业，控制系统和机械手臂系统的设计对果实的采摘较为迅速而准确。本论文研究工作中使用了人机协作的开放式结构的思想，能够进行水果的采摘的过程，具有操作简单，定位准确等优点，应用于农业采摘方向的控制器技术的研究以及对原有控制器的改造，能够极大的提高果实的采摘

14、效率。同时也解放了劳动力，对于农业生产实践具有重要的实用价值。1.3课题研究现状1国外研究现状自20世纪80年代初以来，基于工业机器人技术、视觉、图形处理技术和人工智能技术的成熟，美国第一台番茄采摘机器人于1983年问世。近30年来，日本和欧美国家相继开展了苹果、橘子、西红柿等水果智能采摘机器人的研究。美国拥有成熟的行走式农业采摘机器人理论技术，这些主要的原因就是美国本身就拥有比较发达的科学技术、非常高的农业机械化程度和美国的领土比较广阔。在二十一世纪初，世界农业博览会就是在美国加利福尼亚州图莱里开幕，这次农业博览会上加利福尼亚西红柿机械公司向人们展出了两台全自动西红柿采摘机。西红柿采摘机首先

15、将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓，主要是有一个光谱分选设备，可以识别出仓中的红色，对红色的西红柿进行判断和筛选，然后用输送带将番茄送到货车货舱，未成熟的西红柿和枝叶一起碾碎，喷在田里用作施肥的原料。在保证单位面积番茄产量的前提下，长12.5米、宽4.3米的番茄采摘机效率约为每分钟1吨，每小时约70吨。日本的智能农业采摘机器人技术的发展是最成熟的，这有很大一部分原因是由日本自身的自然资源条件所决定的。因为日本的自然条件主要表现为土地资源比较贫乏、而且劳动力也不足、人口密度大、山地比较多，湿度相对来说较大，所以发展温室作业是非常必要的。为了解决这些问题，日本选择了机械化和自动化相结合为发展方向，主

16、要目的是为了改善劳动环境，为此日本Kondo.n等人研制了六度采摘自由度机械手，这类机械手能够在倾斜棚支架下进行工作，为了机械手采摘的设计，黄瓜的栽培方式也随之改变，主要是让检测和采摘变得更加容易，黄瓜果实在倾斜棚的下方，这样就便于黄瓜鱼茎叶分离。为了能够进行图像识别，这类机械手的时候会在摄像机前加了滤波片，在末端执行器上装有切割器、果梗探测器和机械手指。这样在采摘的过程中，当机械手指抓住黄瓜后，由果梗探测器寻找果梗，然后由切割器切断果梗。还研制出草莓采摘机器人。草莓的栽培方式有两种，主要是高架栽培模式和传统模式。其中，高架培养模式更适合机器人操作，因此应用更为广泛。这类机器人采用五自由度采摘机械手，末端执行器采用真空系统加螺旋