基于STM32和树莓派的智能除草机器人系统设计

基于STM32和树莓派的智能除草机器人系统设计

李鹏涛,刘雨姗,张少雨,吴子茗,李贺鹏

河北省保定市河北农业大学 071001

摘 要：针对传统玉米追肥费时费力，效率较低，我们基于STM32和树莓派，设计了用STM32作为主控芯片，树莓派作为视觉控制的系统实现智能除草追肥。采用STM32单片机、电阻应变式压力传感器、HX711 A/D转换芯片构建了除草机器人的运动控制系统，利用树莓派+opencv实现杂草智能识别。使用陶晶驰智能串口屏设计了人机接口，通过GPRS模块上传数据。该系统实现了除草追肥一体化，极大程度提高了玉米追肥的效率。

关键词：除草系统；opencv视觉; STM32；人机交互；GPRS通信；PID算法、ROS路径规划

0引言

我国施肥机械种类多，但缺少可以精确的控制系统来调节种子与化肥施用比例，只可以人为经验控制肥种量，肥料利用率仍旧较低[1]。其次因我国规模化玉米种植仍为一种趋势，没有适合大面积推广应用的成熟机具，多数自动化程度较高的大型玉米施肥机需要较高专业技术素养人员操作，对操作人员的要求高，不容易普及，一般只有国营农场才能使用。本系统的开发，极大程度简化了玉米农场中到的作业操作，为智慧农业系统的建立提供有力的数据支持。

1系统总体设计

本机械的结构主体包括视觉系统和运动系统。视觉系统可用于精准识别杂草，并且向单片机传输视觉数据，机架包括横梁和用于支撑横梁的机架支撑轮，且横梁高度不低于玉米植株的高度，保证在智能玉米追肥机运作过程中，不会损害作物。摄像头能够精准识别杂草，识别到杂草后将数据传输给单片机，单片机对除草机进行运动控制，单片机内写入ROS路径规划算法，在除草和追肥之间无监督选择最佳路线，实现精准追肥和智能除草。在机器底部还设有除草机构，除草机构包括除草轮、除草轮支撑架和除草轮驱动装置，除草轮包括轮盘，沿轮盘的周向均布条形除草铲，各除草铲的长度方向与轮盘的轴向平行，节省了除草剂的使用及人工除草的成本。

2系统硬件设计

硬件部分主要包括供电模块、STM32主控制器模块、树莓派控制器、GPRS模块、电机驱动模块、人机交互模块。

供电电源采用运输车36 V动力电源，通过LM2596S型降压模块降压至5 V和3.3V，直接与人机交互模块、刀具控制系统、GPRS模块电源端连接供电，与STM32主控制器模块与3.3V电源输入端连接，并且通过自制PCB中的LM2596S芯片，将3.3V可以转化为5V进行输出。

主控制器模块采用STM32F103ZET6芯片。

GPRS模块采用Air724模块4G传输，通过串口方式进行通信，将Air724模块的TXD、RXD引脚分别接到STM32的PA2、PA3引脚。

视觉识别系统采用树莓派4B+，摄像头采用星瞳科技openmv 4plus[2]。

树莓派采集摄像头的图像数据，并对摄像头中的图像数据进行边缘检测，树莓派将边缘检测的结果转换成通信信号传输给STM32单片机，单片机对信号进行识别，从而确定道具的转动速度和轮子的运动速度。

车体的运动系统采用PID控制电机转速，采用增量式PI控制器[3]，通过调整PID参数，从而实现在不同情况下对除草机器人的运动控制。

人机交互模块使用4.3寸触摸型USART HMI智能串口屏。该屏为480×272像素4线精密电阻式触摸屏，并添加了GB312型字库以及相应背景图片与各种组态控件，设计人机交互界面。利用STM32的USART串口实现数据传输和人机交互。

3系统软件设计

系统在云端设立软件系统，系统可以通过4G模块将实时数据上传到云端，同时系统可通过蓝牙实时上传数据到手机移动端，而且手机可以在云端下载数据，实时监控智能车的情况。

3.1PID算法

在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后+纯滞后”与“二阶滞后+纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。

本系统采用增量式PI控制器。增量式PID控制，数字PID控制算法的一种基本形式，是通过对控制量的增量（本次控制量和上次控制量的差值）进行PID控制的一种控制算法。原理表示如下：

增量式PID控制的主要优点为：

①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；

②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；

③手动—自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。

由于增量式需要对控制量进行记忆，所以对于不带记忆装置的系统，只能使用位置式PID控制方式进行控制。

3.2串口屏模块功能介绍

串口屏模块实现的功能：设备上电，时间栏显示当前时间表示串口屏初始化完成[4]。点击屏幕上的开始按钮就自动开始追肥除草。在串口屏上的点击识别按键，就可以自动识别杂草，同时，在系统中加入了RBF神经网络模型，可以实时监控并自我训练。在屏幕交互界面，可以通过屏幕操作或者手机发送数据实现数据上传。

3.4GPRS模块程序设计

使用Air724模块自带的TCP协议与网络连接，GPS导航系统进行坐标定位。数据传输报文格式为：自主标识 4字节；车ID 3字节；区域ID 2字节；重量 5字节；时间 14字节；地理坐标 13字节，其中标识：000 1开机。

传输过程为：

①终端登录向服务端发送数据报文，除标识、车ID、时间，地理坐标其他字段均填默认值。服务端返回登录确认信息“555”。

②确认收到重量，服务端向终端返回“777”。

③当用户点击屏幕上确定键，确定记录此次称重数据时STM32主控芯片通过调用Air724模块将此数据传送至云平台。

4结论

本文设计了一套与视觉系统相结合的智能除草系统。该系统以STM32控制器为核心，采用视觉系统，精准除草，高效施肥：智能玉米追肥机装配高清相机，通过实时图像数据采集和传输，利用单片机对图像进行处理，动态识别玉米和杂草，精准清除杂草，高效施肥，能够最大程度减少肥料资源浪费，落实国家科技兴农政策，同时大大提高机器的自动化、智能化和数字化。

高效规划路径，提高作业效率：采用先进的ROS算法对路径进行实时规划，通过视觉系统和算法结合，实现精准行走作业，搭配颜色传感器，防止走入错误路径。ROS算法实时通过实时监测对比不同数，确定最佳路线，极大程度减小了作业难度，相比传统算法，作业效率提高了30%以上。

[1]骆飞,徐海斌,左志宇,赵桂东,郭小山,王丽平.我国设施农业发展现状、存在不足及对策[J].江苏农业科学,2020,48(10):57-62.

[2]刘天豪,王国俊,张凯璐.基于OpenMV无线图传技术的搜救机械狗设计[J].机械工程与自动化,2022(04):115-116.

[3]Xiao Yun,Zhou Hu Deng,Xue Wen Wang,Chao Yang. Design of Incremental PID Controller Based on FPGA[J]. Applied Mechanics and Materials,2014,3365(602-605).

[4]BRUCE JANCIN. Melanoma Serial Screen Program Boasts 100% Survival Rate[J]. Skin & Allergy News,2010,41(5).