基于圖像處理的番茄采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)論文

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1、 . . . 畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)） 題 目: 基于圖像處理的番茄采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì) 目 錄 摘要I ABSTRACTII 1 緒論1 1.1 研究的背景與意義1 1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀1 1.3 國(guó)研究現(xiàn)狀2 1.4 主要研究容3 2 采摘機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 2.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)5 2.2 雙目立體攝像機(jī)的選型7 2.3 圖像處理核心芯片的選型7 2.4 下位機(jī)控制器選型與電路設(shè)計(jì)13 2.5 采摘機(jī)械手自由度的降維方案和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)18 2.6 滑臺(tái)限位和采摘手接觸檢

2、測(cè)和設(shè)計(jì)20 3 雙目視覺定位模型與攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定22 3.1 雙目視覺定位模型22 3.2 攝像機(jī)標(biāo)定方法24 3.3 標(biāo)定結(jié)果與分析26 4 圖像采集和預(yù)處理29 4.1 圖像采集29 4.2 圖像裁剪和二值化處理29 4.3 圖像濾波處理31 4.4 番茄果實(shí)邊緣檢測(cè)與輪廓提取32 4.5 圖像顯示調(diào)試方法設(shè)計(jì)34 5 番茄果實(shí)的特征點(diǎn)和形心參數(shù)的提取35 5.1 番茄果實(shí)圓周上特征點(diǎn)獲取的方法設(shè)計(jì)35 5.2 計(jì)算番茄果實(shí)的圓心和半徑的方法設(shè)計(jì)35 6 立體匹配和三維坐標(biāo)計(jì)算37 6.1 立體匹配37 6.2 番茄果實(shí)的空間三維坐標(biāo)的計(jì)算37 7 上下

3、位機(jī)通訊與下位機(jī)采摘設(shè)計(jì)39 7.1 上位機(jī)與下位機(jī)串行通訊協(xié)議設(shè)計(jì)39 7.2 上位機(jī)與下位機(jī)串行通訊寄存器配置39 7.3 上位機(jī)和下位機(jī)串行通訊程序40 7.4 下位機(jī)對(duì)番茄果實(shí)定位和采摘41 8 軟件開發(fā)環(huán)境配置42 8.1 CCS開發(fā)環(huán)境配置42 8.2 IAR開發(fā)環(huán)境配置45 9 樣機(jī)試驗(yàn)和總結(jié)47 9.1 采摘機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)47 9.2總結(jié)和展望49 參考文獻(xiàn)51 致54 附錄55 附錄1 基于OPENCV的正友標(biāo)定算法程序（部分）55 附錄2 DSP 的主程序和圖像采集程序（部分）58 附錄3 圖像裁剪程序61 附錄4 圖像閾值分割程序62

4、附錄5 中值濾波程序63 附錄6 索貝爾邊緣檢測(cè)程序64 附錄7 番茄果實(shí)圓周上特征點(diǎn)獲取的程序（部分）65 附錄8 計(jì)算番茄果實(shí)的圓心和半徑的算法（部分）67 附錄9 番茄果實(shí)的空間三維坐標(biāo)定位的算法（部分）69 附錄10 上位機(jī)TMS320DM642的串行通訊寄存器配置與串行通訊程序73 附錄11 下位機(jī)MSP430F149的串行通訊程序76 附錄12 下位機(jī)對(duì)番茄果實(shí)定位和采摘的算法（部分）78 99 / 104 基于圖像處理的番茄采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì) 摘 要 目前的番茄采摘基本上都是依賴于人工作業(yè)而導(dǎo)致勞動(dòng)力成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而現(xiàn)有的采摘機(jī)器人的研究基

5、本上都是停留在理論層面，而極個(gè)別物化的成果都是基于計(jì)算機(jī)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)體積過(guò)大、功耗高和成本高。為解決以上問題，本文提出并開發(fā)了一套基于DSP的番茄采摘機(jī)器人。 本文的主要設(shè)計(jì)容包括基于DSP的采摘機(jī)器人系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、各個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)、以與基于匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言和VC++三種編程語(yǔ)言的軟件設(shè)計(jì)。本文的主要貢獻(xiàn)為：（1）提出利用DSP代替計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)番茄圖像的采集、處理和果實(shí)的空間三維定位，并進(jìn)行了驗(yàn)證；（2）提出一種采摘機(jī)械手降維的方法，解決了機(jī)器人建模復(fù)雜且實(shí)現(xiàn)困難的問題，并結(jié)合三維滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)并完成了對(duì)空間中番茄的準(zhǔn)確抓取和采摘的功能。 試驗(yàn)表明，本文研發(fā)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)番茄果實(shí)的準(zhǔn)確定位

6、和采摘，具有操作簡(jiǎn)單、體積小巧、功耗低、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的研發(fā)對(duì)于提高番茄的采摘效率，減少勞動(dòng)力、降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本具有重要的實(shí)際意義，也為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了一種新的思路和方法。 關(guān)鍵字：番茄采摘；圖像處理；DSP；雙目立體視覺 Design of Tomato Picking Robot Based on Image Processing Abstract At present, the tomato harvest work mostly depends on the artificial operation, which causes the problem

7、s of high-cost, high labor intensity etc. But now, the research of picking robot mainly focuses on the theoretical research. Few materialized productions, which use the computer as the controller, have the characteristics of big-system volume, high power-consumption, and high cost etc. To solve the

8、above problems, this paper designs a tomato picking robot based on the DSP. The main design contents of this paper include the scheme design of robot picking robot based on DSP, the hardware circuit design and software design based on the assembler language, C language and VC++ language. The main

9、contributions of this paper include two aspects: (1) a novel scheme is proposes that DSP is used to take place of the computer to complete the tomato image acquisition, image process and three-dimension localization. (2) an novel approach for reducing dimensions is proposed to reduce the picking man

10、ipulator dimensions, which solves the difficulty in robot modeling and realization method. Combing with the three-dimension slipway, the grasping and picking for tomatoes are finished in the space. This experiment tests indicate that the designed system can realize the accurate positioning and pick

11、ing for tomatoes, as well as the system has many advantages of the simple operation, compact size, low power and high cost-performance ratio. The development of this system not only has the important meanings in improving the tomato picking efficiency, reducing human labors, reducing thelabor intens

12、ity of farmers and the picking cost, but also providing a new idea and method for the development of precision agriculture. Key words：tomato picking, image process, DSP, binocular stereo vision 1緒論 1.1 研究的背景與意義 番茄(Tomato)，又名西紅柿、或者洋柿子。其部含有豐富的蛋白質(zhì)、維生素，以與胡蘿卜素等

13、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。西紅柿具有減肥瘦身、消除人們的疲勞等功效[1-3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界番茄總產(chǎn)量約為5000萬(wàn)噸/年，而我國(guó)則占到了約700萬(wàn)噸/年[4]。 番茄采摘作業(yè)是當(dāng)前果蔬生產(chǎn)過(guò)程中比較費(fèi)時(shí)和費(fèi)力的環(huán)節(jié)。目前，番茄采摘主要依賴于人工作業(yè)，由果農(nóng)直接將番茄從植株上采摘下來(lái)。然而人工采摘作業(yè)存在成本偏高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、而且采摘很不與時(shí)等弊端。同時(shí)，當(dāng)前我國(guó)人口老齡化嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口因?yàn)椤斑M(jìn)城”而驟減[5]。而隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)采摘作業(yè)逐漸代替人類進(jìn)行作業(yè)，可以大大減少采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，進(jìn)行番茄采摘作業(yè)自動(dòng)化的研究對(duì)于社會(huì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。 然而，番茄的大小和顏色呈現(xiàn)

14、非規(guī)則、非一致等特性，其生長(zhǎng)環(huán)境的復(fù)雜性和農(nóng)田環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化等特點(diǎn)共同決定了采摘設(shè)備的開發(fā)有一定的難度，而且由于番茄果實(shí)生長(zhǎng)環(huán)境的背景復(fù)雜，加之番茄果實(shí)生長(zhǎng)密集，果實(shí)之間的遮擋問題很嚴(yán)重，給圖像處理帶來(lái)許多困難。雖然目前已有學(xué)者進(jìn)行基于機(jī)器視覺方面的研究，但其目前的研究基本上是停留在某一方面理論層次的研究，如單純的雙目定位、機(jī)械手采摘路徑優(yōu)化等，而進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用開發(fā)的研究特別少。即使這樣，當(dāng)前極個(gè)別的物化的應(yīng)用研究都是利用了基于PC上位機(jī)的OpenCV，即首先利用計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)進(jìn)行圖像處理，然后進(jìn)一步通過(guò)控制采摘機(jī)械手對(duì)果實(shí)進(jìn)行采摘，但是這樣就使得采摘設(shè)備存在開發(fā)成本高、體積大和功耗高等缺點(diǎn)，給自

15、動(dòng)化采摘作業(yè)的推廣應(yīng)用帶來(lái)新問題。 因此，開發(fā)一套基于DSP的低功耗、小體積、低成本的番茄采摘機(jī)器人，對(duì)提高番茄采摘?jiǎng)趧?dòng)生產(chǎn)率、降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本，提高我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)設(shè)施的現(xiàn)代化和智能化水平、加快農(nóng)業(yè)科學(xué)進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2國(guó)外研究現(xiàn)狀 采摘機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)精確的采摘，最重要的就是確定果實(shí)在空間三維坐標(biāo)中的精確位置，而果實(shí)三維空間中的位置需要利用機(jī)器視覺來(lái)完成。機(jī)器視覺已有二三十年的發(fā)展歷史，其功能與適用圍隨著當(dāng)今科技的快速發(fā)展而不斷應(yīng)用和完善。采摘機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)器人中一種特別重要的機(jī)器人，很多發(fā)達(dá)國(guó)家現(xiàn)在已經(jīng)在采摘機(jī)器人領(lǐng)域有了較大的發(fā)展。比如美國(guó)、荷蘭、以色列等西方國(guó)

16、家在此領(lǐng)域有較為成熟的發(fā)展[7-15]。 20世紀(jì)80年代，美國(guó)麻省理工學(xué)院的D.Marr，從計(jì)算機(jī)科學(xué)的角度出發(fā)，將神經(jīng)生理學(xué)、數(shù)學(xué)以與心理物理學(xué)融為一體，提出了視覺計(jì)算理論，該理論是雙目視覺的前提條件，也為以后機(jī)器視覺采摘機(jī)器人的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[16-18]。 1994年，英國(guó)Silsoe研究院的科學(xué)家從圖像識(shí)別出發(fā)，研制出了蘑菇采摘機(jī)器人，該機(jī)器人可以通過(guò)圖像處理自動(dòng)測(cè)量并判斷蘑菇的大小和空間三維坐標(biāo)，進(jìn)而選擇性的進(jìn)行采摘工作[19-20]。 1996年，日本岡山大學(xué)的Kondo N通過(guò)圖像識(shí)別，研發(fā)了基于圖像處理的番茄采摘機(jī)器人。該機(jī)器人使用攝像頭采集圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理后，識(shí)別出

17、成熟的番茄，使用采摘機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的準(zhǔn)確采摘[21-22]。 2000年，以色列國(guó)家的科學(xué)家研發(fā)了世界上第一臺(tái)甜瓜采摘機(jī)器人。該機(jī)器人利用黑白圖像處理的方法進(jìn)行甜瓜的識(shí)別和空間定位。同時(shí)，該機(jī)器人還能根據(jù)甜瓜的圓形和橢圓形等幾何形狀特征的特殊性來(lái)增加識(shí)別成功的概率。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該采摘機(jī)器人可以自主完成大部分的甜瓜識(shí)別與采摘工作[23]。 1.3 國(guó)研究現(xiàn)狀 從摘機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)和成就來(lái)看，盡管我國(guó)在采摘機(jī)器人的研究領(lǐng)域起步較晚，較發(fā)達(dá)國(guó)家有不少差距，而且當(dāng)前大部分的工作還主要集中在實(shí)驗(yàn)室的仿真和試驗(yàn)階段，但不少研究人員也開始也取得了一定的成果[24-30]。 2004年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大

18、學(xué)的鐵中等人通過(guò)色彩空間參照表，提出了適用于水果采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)果實(shí)目標(biāo)提取的圖像分割算法。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用該算法分別對(duì)草莓和西紅柿等果實(shí)的圖像在Lab、HSV、YCbCr色彩模型下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，取得了理想的效果[31-32]。 2009年濰坊學(xué)院的宋鍵等人根據(jù)茄子生長(zhǎng)的空間分布信息，采用了基于直方圖的固定閾值法實(shí)現(xiàn)了對(duì)灰度圖像進(jìn)行小區(qū)域分割，完成了對(duì)茄子果實(shí)的輪廓、質(zhì)心等參數(shù)的判斷。試驗(yàn)證明，該方法對(duì)茄子等作物的識(shí)別率較高，而且系統(tǒng)本身工作穩(wěn)定，但是缺點(diǎn)是耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)[33-34]。 2010年農(nóng)業(yè)大學(xué)的司永勝等人通過(guò)對(duì)不同光照情況下拍攝的蘋果圖像進(jìn)行識(shí)別，利用歸一化的紅綠色差算法獲得蘋

19、果了輪廓圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該識(shí)別算法的準(zhǔn)確識(shí)別率可以達(dá)到90%以上。同時(shí)，采用隨機(jī)圓環(huán)法，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確地提取果實(shí)的圓心和半徑參數(shù)[35-36]。 2014年大學(xué)的呂繼東等人為了縮短系統(tǒng)對(duì)圖像識(shí)別的時(shí)間，提高蘋果果實(shí)的識(shí)別率，利用動(dòng)態(tài)閾值分割的方法，通過(guò)改進(jìn)的去均值歸一化積法實(shí)現(xiàn)了快速跟蹤目標(biāo)果實(shí)，并進(jìn)行了不同閾值分割方法下果實(shí)識(shí)別的對(duì)比性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該方法大大減少了蘋果采摘機(jī)器人采摘過(guò)程處理時(shí)間，而且識(shí)別率也較之前的方法有所改善[37-38]。 1.4 主要研究容 本文主要是通過(guò)利用DSP控制雙目攝像機(jī)采集圖像，并經(jīng)過(guò)二值化、濾波處理、索貝爾邊緣處理、形心確定、特征點(diǎn)匹配、三維重

20、建等步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的空間三維定位，然后將番茄果實(shí)的空間三維坐標(biāo)等參數(shù)傳送至下位機(jī)，下位機(jī)進(jìn)而通過(guò)控制三維滑臺(tái)和采摘機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的抓取和采摘工作。 本設(shè)計(jì)的主要研究容如下： 1、對(duì)采摘機(jī)器人的總體硬件方案進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件主要包括數(shù)字信號(hào)處理器型號(hào)的選擇、攝像機(jī)型號(hào)的選取、控制器的選擇以與其它硬件電路的選型和設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)還對(duì)三維滑臺(tái)類型和長(zhǎng)度進(jìn)行選取并組裝，選取合適的驅(qū)動(dòng)器與配套的驅(qū)動(dòng)電源，利用控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)滑臺(tái)的控制。同時(shí)，需要選擇合適的采摘機(jī)械手并對(duì)采摘手的采摘頭進(jìn)行改裝設(shè)計(jì)，選擇合適的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器并利用下位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)械手對(duì)果實(shí)的抓取和釋放。同時(shí)，本設(shè)計(jì)還需對(duì)滑臺(tái)限位傳

21、感器和采摘機(jī)械手接觸傳感器進(jìn)行選型和設(shè)計(jì)等。 2、獲取雙目攝像機(jī)的參數(shù)和外參數(shù) 由于攝像機(jī)標(biāo)定的結(jié)果是立體視覺的前提，它決定了后續(xù)番茄果實(shí)空間三維定位的精確度。雙目攝像機(jī)標(biāo)定主要是通過(guò)兩攝像機(jī)對(duì)外界的標(biāo)定板進(jìn)行拍攝若干幅圖片后，通過(guò)利用C++編寫的上位機(jī)標(biāo)定程序計(jì)算出攝像機(jī)各自的外參數(shù)的過(guò)程。 3、利用DSP控制雙目攝像機(jī)進(jìn)行圖像采集并對(duì)采集的圖像進(jìn)行二值化處理、邊緣處理、中值濾波等預(yù)處理操作 通過(guò)利用DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻解碼芯片和視頻編碼芯片的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻采集后的輸入解碼和編碼輸出控制，然后DSP可以對(duì)采集后圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括圖像的閾值分割、索貝爾邊緣處理、中值濾波等操作，為后

22、續(xù)的空間三維定位奠定基礎(chǔ)。 4、利用DSP實(shí)現(xiàn)對(duì)特征點(diǎn)的匹配、三維重建，并能簡(jiǎn)單的進(jìn)行三維坐標(biāo)的計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果輸送至控制器 利用DSP對(duì)左右兩個(gè)攝像機(jī)采集后的圖像視頻進(jìn)行初步處理后確定番茄果實(shí)的特征點(diǎn)、形心等參數(shù)，找到相對(duì)應(yīng)的匹配點(diǎn)，并根據(jù)上述步驟中攝像機(jī)標(biāo)定得到的外參數(shù)，利用雙目定位數(shù)學(xué)模型，根據(jù)三維重建初步計(jì)算番茄的空間三維坐標(biāo)，并能通過(guò)串行通訊將其傳送到下位機(jī)控制器。 5、控制器能與DSP通訊并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)三維滑臺(tái)和采摘機(jī)械手的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄果實(shí)的精確定位、抓取和采摘 下位機(jī)控制器MSP430F149能通過(guò)串口接收來(lái)自DSP的三維坐標(biāo)信息與采摘信息，并能將番

23、茄果實(shí)的空間三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為采摘機(jī)械手的空間三維坐標(biāo)。同時(shí)，下位機(jī)控制器能根據(jù)接收的番茄果實(shí)空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)控制三維滑臺(tái)工作，使得三維滑臺(tái)移動(dòng)到待采摘的番茄正前方，然后下位機(jī)控制器可以控制采摘機(jī)械手實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的抓取和采摘工作，最后將番茄送入集果箱。 2 采摘機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，基于圖像處理的采摘機(jī)器人主要包括上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊。 上位機(jī)模塊主要包括：TMS320DM642圖像處理模塊、圖像采集模塊、視頻解碼模塊、電源模塊、視頻編碼模塊、顯示模塊和串行通訊模塊等。 下位機(jī)模塊主要包括：MSP430F149主控模塊、電源模塊、串行通訊模塊、三

24、維滑臺(tái)、采摘機(jī)械手、傳感器模塊、滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器和燈光補(bǔ)償模塊等。 上位機(jī)和下位機(jī)主要通過(guò)RS232串行通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。上位機(jī)中的圖像采集模塊采集待采摘區(qū)域的圖像后，通過(guò)視頻解碼模塊將視頻的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入TMS320DM642圖像處理模塊，TMS320DM642圖像處理模塊一方面通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行提取輪廓、形心位置確定、立體匹配和計(jì)算番茄果實(shí)的三維空間坐標(biāo)等處理和將計(jì)算后的數(shù)字信號(hào)傳輸至視頻編碼模塊，視頻編碼模塊將處理后的番茄果實(shí)的圖像再次轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)并送至顯示器進(jìn)行顯示以便開發(fā)人員調(diào)試；另一方面，TMS320DM642圖像處理模塊將

25、計(jì)算出的番茄果實(shí)的空間三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)通過(guò)串行通訊發(fā)送至下位機(jī)MSP430F149主控模塊。在這個(gè)過(guò)程中，電源模塊為上位機(jī)整個(gè)子模塊提供電能。 下位機(jī)中的MSP430F149主控模塊通過(guò)串行通訊口接收到來(lái)自TMS320DM642發(fā)送的番茄果實(shí)三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)后提取坐標(biāo)的有效值，然后通過(guò)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)三維滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)至帶采摘番茄果實(shí)的正前方位置，然后，MSP430F149主控模塊控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械手對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確抓取和采摘，最后將番茄果實(shí)送入集果箱中。在整個(gè)下位機(jī)工作過(guò)程中，電源模塊為下位機(jī)的整套系統(tǒng)提供電能，同時(shí)碰撞傳感器和觸碰傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)三維滑臺(tái)是否到達(dá)端點(diǎn)，觸碰傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)采摘

26、機(jī)械手在對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行抓取時(shí)，機(jī)械手的兩個(gè)手掌是否已經(jīng)接觸到番茄果實(shí)。燈光補(bǔ)償模塊能夠使使TMS320DM642圖像處理模塊更好的對(duì)外界的圖像進(jìn)行處理，減少外界光源對(duì)系統(tǒng)的干擾。 本設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1。 圖2-1 番茄采摘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)框圖 基于圖像處理的采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程圖如圖2-2所示。主要步驟包括上下位機(jī)的硬件搭建、雙目攝像機(jī)外參數(shù)的標(biāo)定等。其中，硬件搭建還包括DSP與MSP430F149之間的串行通訊，數(shù)字圖像采集中還包括將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入DSP中等[39]。 圖2-2基于圖像處理的采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)流程圖 2.2雙目立體

27、攝像機(jī)的選型 攝像機(jī)的參數(shù)決定了后續(xù)圖像處理的精度，考慮到性能和價(jià)格兩方面因素，本設(shè)計(jì)選用索尼生產(chǎn)的MJW短槍攝像機(jī)，該攝像機(jī)采用了最新的DSP數(shù)字處理技術(shù)，CCD尺寸為1/3英寸，有效像素PAL：720×576(440K)，NTSC：769×494(380K)，具有自動(dòng)白平衡(AWB)和增益補(bǔ)償控制(AGC)功能。 由于攝像機(jī)在生產(chǎn)時(shí)的工藝問題，很容易造成兩個(gè)攝像機(jī)的參數(shù)不同，如基線長(zhǎng)度、CMOS面積大小和畸變系數(shù)，因此需要在后續(xù)的軟件設(shè)計(jì)中需要對(duì)其外參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。另外，由于該攝像機(jī)可以變焦，因此在進(jìn)行圖像處理前需要對(duì)攝像機(jī)的鏡頭進(jìn)行測(cè)試，即將攝像機(jī)的焦距調(diào)整到合適的位置，使之采集的圖像

28、清晰，便于后續(xù)圖像的處理工作。 2.3圖像處理核心芯片的選型 在當(dāng)前的圖像處理領(lǐng)域，基于下位機(jī)硬件的器件主要有FPGA、ARM、DSP以與ARM與DSP組合的平臺(tái)。 方案一：FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列），采用硬件邏輯描述作為開發(fā)語(yǔ)言，器件本身的運(yùn)行速度較快，但是對(duì)開發(fā)人員的專業(yè)知識(shí)要求過(guò)高，而且程序移植較為困難。 方案二：ARM(Advanced RISC Machines)，一般用在控制領(lǐng)域和嵌入式領(lǐng)域，比較擅長(zhǎng)做時(shí)序控制類、嵌入式類的工作，不適合做大容量的數(shù)字計(jì)算工作。 方案三：DSP(Digital Signal Processor)，即：數(shù)字信號(hào)處理器，它一般適用于做數(shù)字信號(hào)

29、處理運(yùn)算方面的工作，而且實(shí)時(shí)性較好。另外數(shù)字信號(hào)處理器具有體積小、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，并且有的具有專用的協(xié)處理器用于圖像的處理工作。DSP芯片部采用的是哈弗結(jié)構(gòu)，也就是程序和數(shù)據(jù)分開管理的方式，從而使得程序處理效率較高。 綜合以上方案，我們采用TMS320DM642作為圖像處理的核心芯片。TMS320DM642是美國(guó)TI公司專門為視頻處理領(lǐng)域設(shè)計(jì)的芯片，它具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和豐富的片設(shè)備，因此成為多種視頻和圖像處理應(yīng)用的首選。 TMS320DM642芯片可以提供三種最高主頻：500M、600M和720M，其相應(yīng)的指令周期為：2ns、1.67ns和1.39ns。而且，其本身就有8個(gè)處理單元

30、，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可以完成8個(gè)指令/周期。因?yàn)槭褂玫氖荂64x核，因此其具備了128kbit的L1P高速程序緩存，128kbit的L1D高速數(shù)據(jù)緩存，2Mkbit的L2高速聯(lián)合緩存的片外設(shè)。它具有64個(gè)獨(dú)立的EDMA通道，可以很方便的實(shí)現(xiàn)與外界數(shù)據(jù)的快遞交換。 圖像處理核心芯片TMS320DM642主要包括時(shí)鐘系統(tǒng)、電源供電電路、復(fù)位電路、視頻解碼電路、視頻編碼電路以與串口通訊電路等。下面我們一一介紹： 時(shí)鐘電路： TMS320DM642有多個(gè)時(shí)鐘源來(lái)滿足不同的核和外設(shè)的需求，它通過(guò)時(shí)鐘芯片提供了六個(gè)不同頻率的時(shí)鐘源，分別是：50M的TMS320DM642時(shí)鐘，25M的以太網(wǎng)芯片時(shí)鐘，10

31、0M的SDRAM時(shí)鐘，20M的異步通訊芯片時(shí)鐘，3.57M的看門狗時(shí)鐘，4.31818M的視頻解碼芯片時(shí)鐘，27M的視頻編碼芯片時(shí)鐘。 TMS320DM642的核可以工作在600MHz頻率上，甚至超頻后能在720MHz的頻率上工作，但是DSP的外部頻率只有50MHz。因此，我們可以通過(guò)時(shí)鐘鎖相電路(PLL)來(lái)獲得倍頻，再通過(guò)分頻獲得多種不同頻率的時(shí)鐘供DSP的片外設(shè)使用。 TMS320DM642時(shí)鐘電路圖如圖2-3所示： 圖2-3 TMS320DM642時(shí)鐘電路圖 電源供電電路： TMS320DM642要求系統(tǒng)必須為其提供1.4伏和3.3伏電壓值的電源。其中，CPU核工作在

32、1.4伏，而且，DSP核對(duì)供電電源的穩(wěn)定性和可靠性要求很高。DSP在進(jìn)行工作時(shí)，特別是圖像處理時(shí)，主頻可以達(dá)到最高的720MHz，此時(shí)CPU核消耗的能量起伏非常大，而且隨運(yùn)算量變化的幅度變化急劇，很可能在短時(shí)間達(dá)到安倍級(jí)。因此，CPU核對(duì)它的供電部分具有很高的要求和限制。但是因?yàn)檗D(zhuǎn)換效率的問題，一般選擇可以承受較大電流的開關(guān)電源。開關(guān)電源具有最大的特點(diǎn)是：即使外界的負(fù)載變化很大，其依舊能輸出紋波系數(shù)較小的電壓，一般情況下可以滿足高速DSP這種對(duì)輸入電壓有較高要求的處理器。TMS320DM642的外設(shè)工作在3.3V電壓，這個(gè)電壓的要求相對(duì)沒有那么嚴(yán)格，因此可以通過(guò)開關(guān)電源或一般的穩(wěn)壓電路提供。

33、 TMS320DM642對(duì)電源的具體要求如表2-1所示。 表2-1 TMS320DM642對(duì)電源的具體要求 TMS320DM642電源供電電路圖如圖2-4所示： 圖2-4 TMS320DM642電源供電電路圖 復(fù)位電路： TMS320DM642不僅對(duì)電壓和電流有一定要求，對(duì)復(fù)位信號(hào)也有要求。它要求復(fù)位信號(hào)必須具備一定時(shí)間的低電平和跳變周期。本設(shè)計(jì)中選用的是TPS3823-33，該芯片所搭建的復(fù)位電路較為簡(jiǎn)單：系統(tǒng)上電后，該芯片首先檢測(cè)電源的電壓，如果正常，則給出復(fù)位信號(hào)，DSP開始正常啟動(dòng)。 TMS320DM642復(fù)位電路圖如圖2-5所示： 圖2-5 TMS32

34、0DM642復(fù)位電路圖 視頻解碼電路設(shè)計(jì)： TMS320DM642芯片最多能采集6路視頻圖像信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，我們集成了四個(gè)視頻解碼芯片，這樣可以實(shí)現(xiàn)4路視頻的實(shí)時(shí)采集功能，即使試驗(yàn)中有一路或兩路視頻解碼芯片壞掉我們依然可以使其正常工作。本設(shè)計(jì)中視頻解碼芯片采用TI公司生產(chǎn)的TVP5150芯片，這是一款高性能、低功耗的視頻解碼芯片，支持兩路復(fù)合視頻的視頻輸入，其視頻輸出格式為通用的BT656，具有封裝面積小、超低功率等優(yōu)點(diǎn)。 TVP5150視頻解碼電路圖如圖2-6所示： 圖2-6 TVP5150視頻解碼電路圖 在上述設(shè)計(jì)的電路中，一般視頻電路的輸入電路，為了降低功耗和噪聲，需要

35、控制輸入到芯片的視頻信號(hào)的電壓調(diào)整到0-1V之間。當(dāng)然，TVP5150可以采集PAL或者NTSC視頻，而且可以自動(dòng)判斷視頻輸入信號(hào)的制式，因此不需要我們自己去控制并轉(zhuǎn)換。 視頻編碼輸出電路設(shè)計(jì)： 本設(shè)計(jì)中，視頻編碼芯片我們采用的是菲利普公司的SAA7121，該芯片輸入為標(biāo)準(zhǔn)的8位BT656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流，輸出為PAL制復(fù)合視頻CVBS信號(hào)，該信號(hào)可以直接通過(guò)AV轉(zhuǎn)接頭接在顯示器上。與TVP5150一樣，SAA7121也使用I2C總線來(lái)設(shè)置工作參數(shù)和反饋狀態(tài)信息，且也只能作為從設(shè)備。SAA7121視頻解碼輸出電路圖設(shè)計(jì)如圖2-7所示： 圖2-7 SAA7121視頻解碼輸出電路圖 串

36、口通訊電路： TMS320DM642提供了一路RS232串行通訊口，考慮到MSP430F149也有串行通訊口，因?yàn)槲覀冞x擇RS232作為DSP和MSP430F149之間的通訊方式。盡管TMS320DM642上視頻捕獲口提供的McBSP功能可以作為串口通訊口，但是因?yàn)樗械囊曨l捕獲口已經(jīng)被視頻的兩路輸入和一路輸出耗盡，因此我們只能通過(guò)其它方式擴(kuò)展串行通訊接口。在該功能的擴(kuò)展中，我們使用了TI公司的TL16C752B異步通訊收發(fā)器，該芯片包含了兩路獨(dú)立的異步收發(fā)器，可以分別為接收和發(fā)送提供64個(gè)字節(jié)的FIFO（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)先出序列），而且支持DMA方式的數(shù)據(jù)傳輸，使得數(shù)據(jù)通訊非常方便。TMS

37、320DM642的串口通訊電路圖如圖2-8如下： 圖2-8 TMS320DM642的串口通訊電路圖 2.4下位機(jī)控制器選型與電路設(shè)計(jì) 2.4.1下位機(jī)核心模塊的選擇 方案一：采用STC89C52系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定。但是其主頻偏低，功能偏弱，而且外設(shè)較少，I/O引腳偏少。 方案二：采用MSP430系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)部集成了較豐富的外設(shè)，特別是能夠產(chǎn)生PWM波形并擁有硬件乘法器。并且其一般擁有較多的I/O口，可以滿足不是特別復(fù)雜系統(tǒng)的需求。 方案三：采用TMS320F28系列DSP。該系列的DSP擁有較高的主頻，而且片外設(shè)很豐富，I/O口較多，非常適

38、合復(fù)雜系統(tǒng)的控制。但是價(jià)格一般較高，開發(fā)難度較大。 綜合以上方案，我們選擇了TI公司的MSP430F149作為下位機(jī)的核心控制器。該單片機(jī)有著60K的尋址圍，同時(shí)帶有16為總線尋址結(jié)構(gòu)，芯片核工作電壓為3.3V。而且超低功耗模式，在低功耗模式下，最小的工作電流僅為1.3mA。由于它有三個(gè)UART通信接口，因此可以很方便的與本設(shè)計(jì)中的DSP和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)器等模塊連接和通訊。 2.4.2 下位機(jī)的功能分配與總體方案設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，MSP430F149承擔(dān)了下位機(jī)的主要檢測(cè)和控制功能，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1．通過(guò)串行通訊接收來(lái)自TMS320DM642的三維坐標(biāo)信息并將數(shù)據(jù)存入數(shù)組中；

39、2．根據(jù)接收到的三維坐標(biāo)信息驅(qū)動(dòng)三維滑臺(tái)對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確定位； 3．驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械手對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確抓取和采摘； 4．驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊對(duì)接收到的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示并顯示當(dāng)前的采摘區(qū)域； 5．驅(qū)動(dòng)4×4按鍵模塊，能夠接收到矩陣鍵盤的鍵入信息并實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)器人的手動(dòng)控制； 6．實(shí)時(shí)檢測(cè)碰撞傳感器的觸點(diǎn)閉合信息，并能對(duì)外界的信息做出反應(yīng)，如：在滑臺(tái)到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)，與時(shí)停止相應(yīng)的滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)。 本設(shè)計(jì)所用到MSP430F149單片機(jī)的I/O多達(dá)40多個(gè)，每個(gè)I/O口都著自己的功能。具體的各個(gè)引腳功能分配如表2-2所示，MSP430F149總體方案電路圖設(shè)計(jì)如圖2-9所示。 表2-2 MS

40、P430F149引腳分配 圖2-9 MSP430F149總體方案電路圖 2.4.3 下位機(jī)串行通訊電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，使用了MSP430F149其中的兩路串行通訊功能，第一路主要用于MSP430F149與上位機(jī)TMS320DM642的通訊，主要接收來(lái)自上位機(jī)的番茄果實(shí)的三維坐標(biāo)信息并用于為采摘機(jī)械手對(duì)果實(shí)的精確定位和抓取；第二路主要用于控制采摘機(jī)械手上的兩個(gè)舵機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械手對(duì)果實(shí)的抓取和采摘。 在本設(shè)計(jì)中，我們選用了MAX3232芯片作為MSP430F149的串行通訊芯片，MAX3232芯片具有兩路接收器和兩路驅(qū)動(dòng)器，也就是可以同時(shí)接受兩路數(shù)據(jù)，同時(shí)可以發(fā)送兩路數(shù)據(jù)

41、。另外，它還提供了1uA的關(guān)斷模式，有效地降低了系統(tǒng)的功耗。 MAX232串行通訊電路圖如圖2-10所示。 圖2-10 MAX232串行通訊電路圖 2.4.44×4矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)的初期，當(dāng)番茄采摘機(jī)器人處于死區(qū)或者番茄機(jī)器人因?yàn)槟承┕收隙l(fā)生停止或失控行為時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)三維滑臺(tái)、采摘機(jī)械手等的手動(dòng)調(diào)整，也為后期工作人員操作提供方便，我們?cè)O(shè)計(jì)了4×4矩陣鍵盤。這樣系統(tǒng)不僅可以通過(guò)自動(dòng)控制，而且具有手動(dòng)微調(diào)等功能，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和安全性。本設(shè)計(jì)中的4×4矩陣鍵盤電路圖設(shè)計(jì)如圖2-11所示。 圖2-11 4×4矩陣鍵盤電路圖 該4×4矩陣鍵盤的盤上一共16個(gè)數(shù)

42、字和字母等，每個(gè)按鍵都有自己的功能，具體的功能分配如表2-3所示。 表2-34×4矩陣鍵盤功能分配表 2.4.5 LCD12864液晶顯示模塊電路設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，為了使人機(jī)信息互換更加人性化，讓開發(fā)人員在程序調(diào)試過(guò)程中更加方便。我們?cè)诳刂乒裆习惭b了一塊LCD12864液晶顯示屏。在系統(tǒng)運(yùn)行中，通過(guò)12864液晶來(lái)顯示MSP430F149接收到的三維坐標(biāo)信息、采摘區(qū)域等參數(shù)，提高了系統(tǒng)參數(shù)的可讀性。在本設(shè)計(jì)中，我們將LCD12864液晶安裝在控制柜的正面，方便用戶察看和讀取數(shù)據(jù)。 本設(shè)計(jì)中的LCD12864液晶電路圖如圖2-12所示，LCD12864液晶工作時(shí)的圖像如圖2-13所示

43、。 圖2-12 LCD12864液晶電路圖 圖2-13 LCD12864液晶工作時(shí)的圖像 2.5采摘機(jī)械手自由度的降維方案和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 2.5.1采摘機(jī)械手自由度的降維方案設(shè)計(jì) 采摘機(jī)械手在進(jìn)行對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確抓取時(shí)，如果要定位空間中的某一個(gè)三維坐標(biāo)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械手在空間中的任意變換姿態(tài)，則需要至少六個(gè)自由度才能完成，即：采摘機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)（基座）、大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)（肩關(guān)節(jié)）、小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)（肘關(guān)節(jié)）、手腕的上下擺動(dòng)（腕擺動(dòng)關(guān)節(jié)）和左右旋轉(zhuǎn)（腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)）、采摘手的合（手爪關(guān)節(jié)）。當(dāng)然在數(shù)學(xué)建模和仿真時(shí)，只需對(duì)前四個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行分析即可。即使這樣，由于自由度的數(shù)目問題，在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)仍

44、然比較困難，仍需要一系列的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、連桿變換、矩陣變換以與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)位姿的求解等知識(shí)。 為了降低求解和設(shè)計(jì)難度，本設(shè)計(jì)提出了一種降維方法，即利用三維滑臺(tái)的方式代替六自由度的采摘機(jī)械手，由于三維滑臺(tái)中的每一維滑臺(tái)決定了采摘手在三維空間中的位置，即：X方向滑臺(tái)決定了采摘手在三維空間中的x的坐標(biāo)值大小，Y方向滑臺(tái)決定了采摘手在三維空間中的y的坐標(biāo)值大小，Z方向滑臺(tái)決定了采摘手在三維空間中的z的坐標(biāo)值大小。只要能夠確定三維滑臺(tái)的每一維滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的增量大小，就可以很容易的計(jì)算出采摘手在三維空間中的位置變換關(guān)系。 2.5.2三維滑臺(tái)選型、受力方向分析和措施 滑臺(tái)具有重量輕、精度高、精度可逆性等優(yōu)點(diǎn)，

45、現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用在PCB雕刻機(jī)、打印機(jī)、ATM、印刷機(jī)等設(shè)備中，它們?cè)谄渲谐袚?dān)了非常重要的角色?；_(tái)主要分為同步帶滑臺(tái)和滾珠絲杠滑臺(tái)，我們?cè)谶x用時(shí)可以根據(jù)負(fù)荷大小，受載荷方向、沖擊和振動(dòng)大小等情況來(lái)選擇。 本設(shè)計(jì)中，X方向的水平滑臺(tái)主要受垂直方向的壓力，另外，由于采摘機(jī)械手進(jìn)行不平衡的運(yùn)動(dòng)，因此還要受到前后方向的壓力。由于X方向上的同步帶滑臺(tái)的托盤面積狹小，為了增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們選擇在平行X方向上增加一根光軸，這樣大大增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也提高了系統(tǒng)的抗擾性能。在X方向的滑臺(tái)上，為了提高整套系統(tǒng)的移動(dòng)速度和精度，我們選用了靜音同步帶滑臺(tái)，長(zhǎng)度為2000mm。 Y方向上的水平滑臺(tái)主要

46、受水平的壓力，由于Y方向上的滑臺(tái)只能豎直放置，并且豎直與X方向上的托盤的接觸截面積較小，因?yàn)槲覀儾捎冒卜拧癓”形狀支架的方式增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在Y方向的滑臺(tái)上，由于采摘機(jī)器在該方向上不會(huì)大幅度移動(dòng)，但是不管采摘機(jī)器在工作或非工作期間都需要承受垂直方向的力，并且考慮到系統(tǒng)的成本，我們選用了滾珠絲杠滑臺(tái)，長(zhǎng)度為800mm。 Z方向上的滑臺(tái)主要收到采摘機(jī)械手的不平衡運(yùn)動(dòng)的力，由于放置問題，因?yàn)槲覀冎饕捎帽M量自平衡的方法，即：將Z方向的滑臺(tái)的中心點(diǎn)盡量放置在Y方向滑臺(tái)的滑塊上，這樣在大多數(shù)情況下，Z方向上的滑臺(tái)的受力是均勻的，這樣間接地增強(qiáng)了系統(tǒng)的自平衡性。在Z方向的滑臺(tái)上，由于采摘機(jī)器在該方向上

47、實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)采摘機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，因此需要考慮運(yùn)動(dòng)速度，因此我們選用了同步帶靜音直線滑臺(tái)，長(zhǎng)度為900mm。 2.5.3三維滑臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 在本設(shè)計(jì)中，由于側(cè)重點(diǎn)為系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)思路和圖像處理，因此在無(wú)關(guān)緊要的模塊上，為了節(jié)省時(shí)間，并沒有去深入的設(shè)計(jì)每一個(gè)模塊電路。本設(shè)計(jì)中選擇的滑臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為已經(jīng)開發(fā)好的成品，型號(hào)為：HYQD40-H5742。該驅(qū)動(dòng)器是一款專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制，而且可以通過(guò)3位撥碼開關(guān)選擇步進(jìn)電機(jī)的8檔細(xì)分控制，通過(guò)3位撥碼開關(guān)可以選擇步進(jìn)電機(jī)的6檔電流控制。該驅(qū)動(dòng)器非常適合驅(qū)動(dòng)57、42型兩相、四相混合式步進(jìn)電機(jī)。 在HYQD40-H

48、5742驅(qū)動(dòng)器的控制面板上，詳細(xì)的列出了信號(hào)線的接口定義，接口主要分為三部分，分別為：信號(hào)輸入端、電機(jī)繞組連接和工作電壓的連接。HYQD40-H5742驅(qū)動(dòng)器的接口定義如表2-4所示。 表2-4HYQD40-H5742驅(qū)動(dòng)器的接口定義 本設(shè)計(jì)中，我們采用的是共陽(yáng)極接法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的配置：分別將CP+，DIR+，EN+連接到下位機(jī)的供電電源上，CP-端子接入脈沖輸入信號(hào)，DIR-端子接入方向信號(hào)，EN-端子接入使能信號(hào)，由于該驅(qū)動(dòng)器部已經(jīng)含有光耦隔離，因此在控制器和驅(qū)動(dòng)器的連接之間并沒有再考慮安裝光耦?？刂破鱉SP430F149和HYQD40-H5742驅(qū)動(dòng)器的連接示意圖如圖2-1

49、4所示。 圖2-14 驅(qū)動(dòng)器和控制器的連接示意圖 2.6滑臺(tái)限位和采摘手接觸檢測(cè)和設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中，當(dāng)三維滑臺(tái)在X、Y、Z方向上運(yùn)動(dòng)到最兩端時(shí)，如果不加保護(hù)措施，很容易造成步進(jìn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，輕者導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，重則燒毀電機(jī)。因此需要在每個(gè)滑臺(tái)的最端部安裝傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的安全保護(hù)。同樣的，在采摘機(jī)械手上，由于機(jī)械手的兩爪在對(duì)番茄果實(shí)進(jìn)行抓取時(shí)，采摘機(jī)器人并不知道何時(shí)接觸到果實(shí)，何時(shí)停止機(jī)械爪的閉合動(dòng)作，很容易破壞番茄果實(shí)，造成采摘失敗。因此也有必要在兩機(jī)械爪的一側(cè)安裝傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄果實(shí)的接觸感應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄果實(shí)的保護(hù)。 方案一：采用接近開關(guān)。接近開關(guān)又稱近接傳感器，它可以偵測(cè)出

50、物體的存在與否，以便讓控制器了解運(yùn)動(dòng)物體的位置和有無(wú)情況。該類型傳感器用途非常廣泛，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)物體的非接觸感測(cè)，缺點(diǎn)是檢測(cè)所需的時(shí)間周期較長(zhǎng)。 方案二：采用碰撞傳感器。碰撞傳感器又叫限位開關(guān)，一般安裝在相對(duì)靜止或者運(yùn)動(dòng)的物體上。當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體接近限位開關(guān)時(shí)，開關(guān)上方的壓片可以接觸到限位開關(guān)的接點(diǎn)，從而引起閉合的觸點(diǎn)斷開或者斷開的觸點(diǎn)閉合，進(jìn)而引起控制器對(duì)碰撞傳感器檢測(cè)信號(hào)的變化。該類型的傳感器價(jià)格低廉，響應(yīng)周期很短，缺點(diǎn)是檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)物體必須和傳感器進(jìn)行接觸才能動(dòng)作。 綜合以上方案，由于滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)到端點(diǎn)時(shí)，需要控制器與時(shí)發(fā)送動(dòng)作指令來(lái)控制滑臺(tái)停止運(yùn)動(dòng)，然而控制器從發(fā)出指令到滑臺(tái)停止

51、運(yùn)動(dòng)又需要一定的時(shí)間，而這段時(shí)間滑臺(tái)還是在向前運(yùn)動(dòng)的，因此很容易造成滑臺(tái)步進(jìn)電機(jī)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損害。因此，我們需要考慮響應(yīng)周期較短的傳感器。本設(shè)計(jì)中采用方案二中的碰撞傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)滑臺(tái)的限位檢測(cè)。同樣道理，在采摘機(jī)械手的接觸檢測(cè)中，為了簡(jiǎn)單和安全起見，依舊利用的是開關(guān)式碰撞傳感器，當(dāng)番茄果實(shí)接觸到碰撞傳感器的彈性膜片時(shí)，控制器通過(guò)檢測(cè)信號(hào)并且發(fā)出控制機(jī)械手停止閉合的指令，從而有效的保護(hù)了番茄果實(shí)的完整性。 本設(shè)計(jì)中的三維滑臺(tái)和采摘機(jī)械手限位檢測(cè)電路圖如圖2-15所示。 圖2-15 三維滑臺(tái)和采摘機(jī)械手限位檢測(cè)電路圖 3 雙目視覺定位模型與攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定 3.1 雙目視覺定

52、位模型 3.1.1雙目視覺定位數(shù)學(xué)模型 基于雙目立體視覺定位的數(shù)學(xué)模型如圖3-1所示。雙目立體視覺定位系統(tǒng)由左右兩部攝像機(jī)組成。暫定兩攝像機(jī)的光心分別放置在圖中的OL，OR處，圖中的L，R分別代表左側(cè)攝像機(jī)和右側(cè)攝像機(jī)。在三維空間中任意一點(diǎn)P，坐標(biāo)記作P(x,y,z)，假設(shè)該P(yáng)點(diǎn)在左右兩攝像機(jī)成像平面中投影的點(diǎn)為P1點(diǎn)和P2點(diǎn)，記作P1(xl,yl)和P2(xr,yr)，這兩個(gè)像點(diǎn)其實(shí)是三維空間中任意一點(diǎn)P點(diǎn)的像，也叫“共軛點(diǎn)”。通過(guò)這兩個(gè)共軛點(diǎn)P1和P2，分別作它們與各自對(duì)應(yīng)的攝像機(jī)的光心OL和OR的連線，兩連線的交點(diǎn)就是三維空間中的象點(diǎn)P(x,y,z)，這就是雙目視覺定位原理[40]。

53、 圖3-1 雙目立體視覺定位數(shù)學(xué)模型 3.1.2圖像坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的選取 圖像坐標(biāo)系(Pixel coordinate system) 本設(shè)計(jì)中，雙目攝像機(jī)采集的視頻和圖像通過(guò)模擬信號(hào)的方式經(jīng)高速數(shù)字信號(hào)處理器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字圖像，并通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)處理和計(jì)算。轉(zhuǎn)換后的每幅數(shù)字圖像在數(shù)字信號(hào)處理器的存儲(chǔ)器中是以A×B的二維數(shù)組的方式進(jìn)行存放的，A行B列的數(shù)字圖像中的每個(gè)元素稱之為像素(pixel)，該像素的數(shù)值大小即為該圖像點(diǎn)的灰度大小[41]。 如圖所示，我們?cè)诓杉囊环鶊D像上以左上角作為坐標(biāo)原點(diǎn)定義一個(gè)二維的直角坐標(biāo)系u，v。在圖像中的隨機(jī)一個(gè)像素點(diǎn)的坐

54、標(biāo)記作(U0,V0)，其中U0就是該像素點(diǎn)在圖像中的x坐標(biāo)值的大小，V0就是該像素點(diǎn)在圖像中的y坐標(biāo)值的大小。因此該像素點(diǎn)的坐標(biāo)(U0,V0)就是以像素為單位的圖像坐標(biāo)系。圖像坐標(biāo)系的表示形式如圖3-2所示。 圖3-2 圖像坐標(biāo)系的表示形式 一般情況下，原點(diǎn)O1處于圖像坐標(biāo)系的中心位置，也就是處于圖像的中間位置，但是可能由于攝像機(jī)橫向畸變、徑向畸變等某些原因，造成原點(diǎn)O1并不處于圖像坐標(biāo)系的中心位置，而是發(fā)生一些偏離。我們假定每個(gè)像素點(diǎn)在x軸和y軸的物理尺寸分別是dx，dy，那么圖像中任意一個(gè)像素點(diǎn)在兩個(gè)坐標(biāo)系(x,y)和(u,v)下具有如下關(guān)系式：

55、 (3-1) 將以上公式化成齊次坐標(biāo)和矩陣的形式，具體公式表達(dá)如下： (3-2) 然后，將上述齊次坐標(biāo)和矩陣的形式再次轉(zhuǎn)換為逆陣的形式，公式如下： (3-3) 攝像機(jī)坐標(biāo)系(Camera coordinate system) 攝像機(jī)成像的幾何關(guān)系圖如圖3-3所示。其中，OLXLYLZL為攝像機(jī)本身位置的坐標(biāo)系，攝像機(jī)的光心位置為OL，攝像機(jī)的焦距大小為OLO1。圖中，x軸平行于XL軸，y軸平行于YL軸。攝像機(jī)的光軸為ZL，光軸ZL和圖像平面呈垂直關(guān)系，并且光軸ZL與圖像平面的交點(diǎn)就是圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)O1[42]。 圖3-3 攝像機(jī)成像的幾何

56、關(guān)系圖 世界坐標(biāo)系(World coordinate system) 在三維的空間中，將攝像機(jī)安裝在三維滑臺(tái)上后，由于三維滑臺(tái)是不斷移動(dòng)的，造成攝像機(jī)的位置在空間中也是不固定的，因此我們需要選擇一個(gè)基準(zhǔn)的坐標(biāo)系來(lái)描述它在世界中的位置，我們選取的這個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系就叫做世界坐標(biāo)系，它包括XW，YW，ZW三個(gè)坐標(biāo)軸。 假設(shè)空間三維中的一點(diǎn)，表述為P點(diǎn)，那么該點(diǎn)在上述中的攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xw,yw,zw,1)，(xc,yc,zc,1)。并且，該攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系還具有如下關(guān)系： (3-4) 3.2 攝像機(jī)標(biāo)定方法 3.2.1標(biāo)定原理 攝像機(jī)標(biāo)定最主要的作用就是為了

57、確定左右兩個(gè)攝像機(jī)自身的相對(duì)位置，外參數(shù)值以與建立成像模型，以便能確定空間三維坐標(biāo)系中的目標(biāo)點(diǎn)與其在圖像成像平面上的像點(diǎn)間具有的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 當(dāng)前的攝像機(jī)標(biāo)定方法主要有：正友標(biāo)定法、自標(biāo)定法、直接線性變換法等。因?yàn)闀r(shí)間和精力有限，考慮到難度和精度方面，因此本設(shè)計(jì)使用了正友提出的攝像機(jī)標(biāo)定算法[43]。 3.2.2基于OpenCV的正友標(biāo)定方法 OpenCV，也就是：Open Source Computer Vision Library。它是Intel發(fā)行的基于開源的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)，可以運(yùn)行在Linux、Windows等操作系統(tǒng)上。它主要由C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，同時(shí)提供了Pyth

58、on、Ruby、MATLAB等語(yǔ)言的接口，里面含有圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的通用算法，用戶只需對(duì)其調(diào)用即可完成對(duì)圖像等的處理工作。 在攝像機(jī)定標(biāo)前，首先打印一高精度的5×7棋盤格的圖像，將其粘貼在一塊大小合適的KT板上，這里所說(shuō)的高精度應(yīng)該盡量使用高精度的打印機(jī)，因?yàn)槠灞P格的精度直接決定了雙目攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定的精確度。本設(shè)計(jì)的攝像機(jī)標(biāo)定采用自制的5×7格標(biāo)定板，標(biāo)定板的實(shí)物圖片如圖3-4所示。 圖3-4 標(biāo)定板的實(shí)物圖片 本設(shè)計(jì)的雙目攝像機(jī)標(biāo)定圖例如圖3-5所示，包括（a）左視圖和（b）右視圖。 (a) 左攝像機(jī)

59、 (b) 右攝像機(jī) 圖3-5 雙目攝像機(jī)標(biāo)定圖例 3.2.3基于OpenCV的正友標(biāo)定算法程序 這里需要強(qiáng)調(diào)的是：由于正友標(biāo)定算法是基于2D模型的，如果棋盤擺放的不平整，肯定會(huì)造成很大的誤差，因此在進(jìn)行棋盤的擺放時(shí)，傾斜角度不能太多。由于版面有限，基于OpenCV的正友標(biāo)定算法程序見附錄1。 3.3 標(biāo)定結(jié)果與分析 將標(biāo)定板放置在不同位置使用兩攝像機(jī)分別采集20幅圖像，然后利用開發(fā)的上位機(jī)標(biāo)定程序?qū)ψ笥覂蓚€(gè)攝像機(jī)進(jìn)行外參數(shù)標(biāo)定。攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果包含了沒幅圖像中的角點(diǎn)坐標(biāo)、攝像機(jī)外參數(shù)等數(shù)據(jù)，標(biāo)定的結(jié)果保存在.TXT文本中，如圖3-6所示： 圖

60、3-6 攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果 其中，外參數(shù)采用第六副標(biāo)定板的外參數(shù)作為其外參數(shù)，標(biāo)定結(jié)果如表3-1所示： 表3-1 攝像機(jī)外參數(shù)標(biāo)定結(jié)果 上圖中，在標(biāo)定外參數(shù)時(shí)，采用的是第一幅標(biāo)定板的外參數(shù)作為攝像機(jī)的外參數(shù)，這樣盡管對(duì)于實(shí)際的攝像機(jī)參數(shù)有一定誤差，但是對(duì)于本設(shè)計(jì)的精度要求已經(jīng)足夠了。 圖中的為攝像機(jī)的參數(shù)，與為攝像機(jī)的外參數(shù)，與為攝像機(jī)的畸變系數(shù)。 4 圖像采集和預(yù)處理 4.1 圖像采集 本設(shè)計(jì)中的視頻采集端口使用的是TMS320DM642的VP0和VP1。視頻采集的測(cè)試包括視頻采集口寄存器的配置，TVP5150的配置，EDMA的使用和I2C總線的設(shè)置。

61、 由于TMS320DM642上已經(jīng)集成了FVID模塊，該模塊是DSP為用戶DSP/BIOS程序提供的API函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)幀圖像的獲取和顯示。FVID模塊所提供的設(shè)備驅(qū)動(dòng)API函數(shù)與其它設(shè)備驅(qū)動(dòng)不同，因?yàn)榫哂姓莆諗?shù)據(jù)緩沖區(qū)，也就是Cache的的所有權(quán)，可以對(duì)Cache全權(quán)控制讀寫，使用FVID的應(yīng)用程序則可以按需求對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行合理分配。 DSP的主程序和圖像采集程序見附錄2。本設(shè)計(jì)中的雙目攝像機(jī)采集的原始圖像對(duì)如圖4-1所示。 (a)左圖像 (b)右圖像 圖4-1 雙目攝像機(jī)采集的原始圖像對(duì) 4.2 圖像裁剪和二值化處理 4.2.1圖像裁剪方法說(shuō)明 由于在前期的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如

62、果使用600MHz的TMS320DM642進(jìn)行處理兩路720×576的圖像，加上邊緣處理、特征點(diǎn)和形心位置確定、三維重建等一系列操作后，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性變得很差，因此我們擬采用將圖像進(jìn)行裁剪處理，即：對(duì)一個(gè)720×576的圖像，只對(duì)其中的280×280的中間區(qū)域進(jìn)行處理，這樣既能滿足系統(tǒng)工作的要求，又能大大減少圖像處理的工作量，減輕DSP的工作負(fù)擔(dān)，還能明顯的提高系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性。圖像裁剪處理圖像區(qū)域示意圖如圖4-2所示，圖像裁剪處理后液晶屏幕上圖像顯示如圖4-3所示，圖像裁剪程序見附錄3。 圖4-2 圖像裁剪處理圖像區(qū)域示意圖 圖4-3 圖像裁剪處理后液晶屏幕上圖像顯示 4.2

63、.2圖像二值化處理方法說(shuō)明 在前期的圖像裁剪過(guò)程中，由于使用的是RGB的彩色圖像，里面含有三個(gè)通道的顏色，DSP需要對(duì)圖像中的每一個(gè)通道分別處理和判斷，使得CPU工作時(shí)非常吃力，這使得圖像處理的實(shí)時(shí)性大大降低。因此我們需要對(duì)彩色的圖像進(jìn)行二值化處理，也就是閾值分割。閾值分割其實(shí)就是事先人為設(shè)定一個(gè)閾值，然后讓DSP根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行自動(dòng)判斷，根據(jù)這個(gè)分水嶺將圖像中所有的像素灰度值強(qiáng)行設(shè)置為0或者255，這樣使得圖像的特征更加明顯，方便對(duì)圖像后續(xù)的處理和開發(fā)。 本設(shè)計(jì)中，通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將圖像二值化處理的閾值設(shè)定在145左右時(shí)，效果最為良好。本設(shè)計(jì)的圖像閾值分割后的圖像對(duì)如圖4-4所示，圖

64、像閾值分割程序見附錄4。 (a) 左圖像 (b) 右圖像 圖4-4 圖像閾值分割后的圖像對(duì) 4.3 圖像濾波處理 由于攝像機(jī)在對(duì)雙路視頻采集時(shí)，會(huì)受到各種各樣噪聲的干擾從而產(chǎn)生噪聲，這樣對(duì)后續(xù)的特征點(diǎn)和形心的判定、三維定位等操作影響很大，甚至?xí)斐刹烧獧C(jī)器人的誤判。而圖像濾波的最主要的目的就是降低雙目攝像機(jī)采集圖像的噪聲，當(dāng)前圖像濾波的主流方法有：中值濾波和均值濾波。 方案一：采用中值濾波。中值濾波技術(shù)屬于非全局性的平滑濾波，而且都是非線性的。在早期，該技術(shù)主要存在于一維信號(hào)的處

65、理中，后來(lái)隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)被推廣到二維空間中?；谀承┮蛩兀兄禐V波不會(huì)出現(xiàn)線性處理造成的圖像細(xì)節(jié)模糊，而且對(duì)濾除脈沖干擾與顆粒噪聲尤其有效。 方案二：采用均值濾波。均值濾波是非常典型的線性濾波算法，它的主要原理是：在要進(jìn)行濾波的圖像上對(duì)所需處理的目標(biāo)像素給一個(gè)特定的模板，該模板包括了它周圍的臨近像素值大小，通過(guò)使用給定的目標(biāo)像素為中心的四周圍的8個(gè)像素點(diǎn)，構(gòu)成一個(gè)濾波模板，當(dāng)然，該模板已經(jīng)去掉了目標(biāo)像素本身像素值。然后再用給定模板上的所有像素的平均值代替原來(lái)的位置處像素的像素值。均值濾波最大的缺點(diǎn)就是不能較好地保護(hù)圖像原來(lái)的細(xì)節(jié)，在對(duì)圖像進(jìn)行去噪的同時(shí)也一起破壞了圖像的細(xì)

66、節(jié)部分，從而使得圖像變得模糊，最終導(dǎo)致不能很好地去除噪聲點(diǎn)。 綜合以上考慮，為了既能對(duì)電磁干擾造成的圖像噪聲和番茄果實(shí)背景長(zhǎng)生的噪聲起到很好的抑制作用，又能保全大部分圖像的細(xì)節(jié)部分，本設(shè)計(jì)中選擇了方案一中的中值濾波進(jìn)行圖像的濾波和去噪處理。 中值濾波使用一種滑動(dòng)窗口，將窗口中所有點(diǎn)的灰度值進(jìn)行增序排列，取代數(shù)中值賦給窗口中心點(diǎn)。本系統(tǒng)一次對(duì)連續(xù)的八個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行中值濾波處理，由于背景噪點(diǎn)的存在，可能經(jīng)過(guò)一次中值濾波效果不太理想，此時(shí)可以對(duì)番茄果實(shí)的圖像進(jìn)行二次甚至多次中值濾波處理，可以得到較為干凈的圖像對(duì)。當(dāng)然經(jīng)過(guò)中值濾波的次數(shù)越多，DSP所承擔(dān)的工作量越大，負(fù)擔(dān)越重，導(dǎo)致系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性越差。本設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)一次中值濾波后的圖像對(duì)如圖4-5所示，經(jīng)過(guò)兩次中值濾波后的圖像對(duì)如圖4-6所示，中值濾波程序見附錄5。 (a) 左圖像 (b) 右圖像 圖4-5 經(jīng)過(guò)一次中值濾波后的圖像對(duì) (a) 左圖像 (b) 右圖像 圖4-6 經(jīng)過(guò)兩次中值濾波后的圖像對(duì) 4.4番茄果實(shí)邊緣檢測(cè)與輪廓提取 邊緣檢測(cè)是番茄采摘機(jī)器人對(duì)番茄果實(shí)圖像處理中最基礎(chǔ)的一部分，地位十分重要。邊