首页 > 论文范文 > 农业科技论文 > 农业工程论文 > 农业自动化论文 > 基于AR技术的采摘机器人数字化显示设备设计

基于AR技术的采摘机器人数字化显示设备设计

2024-07-10 120 上传者：管理员

摘要：以采摘机器人为研究对象，采用AR技术，以S3C2440微处理器为核心，以实时显示采摘机器人作业状态为目的，设计了一套采摘机器人数字化显示系统。系统利用AR技术对采摘动作控制参数进行模拟仿真，通过AR眼镜确定参数无误后驱动采摘机械臂进行采摘，大幅提高了果蔬采摘成功率，并基于QT开发了显示界面，能够实时显示采摘机器人仿真过程和采摘过程。

关键词：
AR
Qt
劳动力短缺
数字化显示设备
采摘机器人
加入收藏

目前，我国农村外出务工人数不断增加，人口逐渐流失，农忙时节往往会出现劳动力短缺的现象。随着经济水平的提高，人们对蔬菜、水果的需求量不断增大，蔬菜、瓜果类种植面积大幅增加，果蔬种植与劳动力短缺之间的矛盾越来越突出，对采摘机器人的需求也越来越迫切。为此，基于AR增强现实技术设计了一套采摘机器人数字化显示系统，能够对采摘过程进行模拟仿真，并实时显示全过程和采摘过程。

1、基于AR技术的采摘机器人技术方案

1.1硬件平台

采摘机器人平台是最为重要的硬件支撑平台，其装备多种传感器、驱动控制模块，可以在复杂环境中完成人机协同作业。采摘机器人包括移动平台、采摘臂、末端执行器、果箱、驱动电机、升降平台、显示屏、电源、AR模块、履带和ARM控制系统，如图1所示。

1.2控制系统软硬件架构设计

采摘机器人控制系统包括驱动模块、ARM控制模块、显示设备、遥控设备和多传感器模块等，如图2所示。ARM控制模块能够协调控制移动平台、多传感器模块和驱动模块，以实现ARM控制模块和机械臂控制器之间的通信，完成目标果蔬的采摘。采摘到的多传感器的数据送给ARM控制模块，进行数据处理和分析；然后，将数据信息进行可视化处理，利用AR模块进行模拟仿真，并通过AR眼镜观察动态仿真结果，验证采摘路径的可行性；最后，驱动控制采摘末端执行器进行果蔬采摘作业。

图1采摘机器人平台

图2采摘机器人控制系统图

2、仿真模拟系统的建模

基于SGI公司的Silicon Graphics Octane2TM图形处理工作站建立采摘机器人仿真模拟系统，利用Multigen Creator视景仿真软件建立采摘机器人的环境模型，并根据需求对模型进行光照和纹理处理，建立采摘机器人机械臂三维模型，对采摘机器人采摘动作进行模拟仿真，操作者通过AR眼镜判断仿真结果的正确性。采摘机器人机械臂三维模型如图3所示。

图3采摘机器人机械臂三维模型图

建立采摘机器人机械臂模型主要是为了生成其视景，具体需求如下：

1)通过对采摘机器人机械臂模型的动力学和运动学进行分析，生成真实的采摘机械臂三维模型，包括光照、立体和运动等方面。

2)计算采摘运动轨迹，并通过AR生成具有真实感的采摘动作，进行仿真，操作者可以通过AR眼镜对模拟仿真的采摘运动路径进行观察和确定。

3、数字化显示界面交互设计

3.1数字化显示界面优化

为了保证采摘机器人数字化显示界面的效果，需要对采摘机器人作业过程中数据和参数进行优化，从而让界面显示更加高效。为了提高果蔬采摘的成功率，结合AR技术将采摘机械臂的控制参数进行采摘动作的仿真，并通过VR眼镜观察仿真结果。如果模拟仿真结果符合预期，则驱动控制采摘机械臂进行作业，并将其信息参数显示在界面上。采摘机器人数字化显示界面功能结构如图4所示。

3.2数字化显示硬件设计

1)ARM主控模块设计。

主控ARM微处理器是采摘机器人最重要的零部件，其选型关系到整个系统的性能。ARM微处理器选型主要参考芯片CPU运算能力、硬件端口资源、运行功耗和成本等方面，经过仔细对比分析，选择三星S3C2440作为主控芯片。这是一款高性能、低功耗、高集成度的处理器，支持工业级的工作温度范围，I/O口多，支持较多分辨率LCD屏，外围设备丰富。S3C2440微处理器框架如图5所示。

图4采摘机器人数字化显示界面功能结构图

图5 S3C2440处理器框架图

2)电源模块。

采摘机器人采用24V/20A的锂电池供电，该电源模块包括锂电池、电源转换模块和充放电模块。S3C2440微处理器的供电电压为3.3V,需要实现24V到5V和5V到3.3V的电压转换。电源转换模块先利用电源芯片HZD10W-24S05将24V电压转成5V,再利用电源芯片TPS7333将5V转为3.3V。电源模块电路如图6所示。

3)无线通信模块。

无线通信模块是实现采摘机器人和后台服务器通信的关键，故选择上海卓岚的ZLAN7142高性能WIFI串口服务器，如图7所示。其具备如下特点：

(1)支持自适应串口参数，可以根据PC机需求设置相应的串口参数；

(2)支持一键式搜索设备，当其和PC或者路由设备连上后，可以通过ZLVircom软件一键搜索设备参数；

(3)粘包优化，其串口数据包分包间隔在1～100ms范围内可选，分辨精度大大提高。

图6电源模块电路原理图

图7 ZLAN7142无线通信实物图

4)LCD显示模块。

采用东华生产的3.5寸WXCAT-35TG6 LCD显示屏。S3C2440微处理器内部包含1个LCD控制模块，可以通过参数设定匹配各种模式的LCD。LCD控制模块是将显示buffer里面的LCD数据送到外部LCD驱动器WXCAT-35TG6,产生必要的信号。S3C2440内部LCD控制模块结构与接口如图8所示。

图8中，REGBANK和LCKLDMA分别是内部LCD控制模块的register控制组和DMA通道控制组：前者用来控制LCD的各项参数，后者则用于负责图像数据的传输。TIMEGEN可以根据实际需求对LCD驱动器的接口时序和速度进行控制；VIDPRCS通过LCKLDMA的图像数据，结合外部LCD需求，将数据进行转换后送给外部LCD驱动器。

3.3采摘机器人数字化显示软件设计

在对LCD显示屏进行显示操作前，首先需要初始化S3C2440 LCD控制模块寄存器，然后匹配其与LCD显示屏的时序，再进行寄存器设置。

WXCAT-35TG6的控制时序如图9所示。LCD_PWREN用于使能LCD,其输出高电平控制LCD on和低电平控制LCD off, LCD_PWREN由ENVID控制。VSYNC和HWSYNC分别用于控制LCD的场频和行频：前者控制LCD屏幕刷新的频率，后者表示扫描1行的频率。VDEN用于使能数据，高电平表示VD[23:0]上的数据是有效的。

图9 WXCAT-35TG6的控制时序图

为了方便后续对程序进行升级维护，采用模块化设计方法。系统采用C++编程，软件开发环境为Uboot-2020.01和Linux 5.10。LCD控制程序如图10所示。

图10 LCD控制程序图

4、上位机软件设计

LCD显示界面采用QTQT6.1.2软件编写，在QT应用程序中。利用main.cpp超高压变换QWidget对象，然后在login.ui文件中采用可视化编辑采摘机器人数字化显示系统的登录主界面，如图11所示。

图11采摘机器人数字化显示系统主界面

图11中，将对应的UI界面按钮转到槽，添加clicked()事件，QT软件会自动生成对应的信号函数，便可以通过点击UI界面跳转到对应的界面。

根据系统需求，利用QA设计其控制菜单，主要包括AR模拟仿真、采摘监控、程序命令、3D视图及关节操作等选项。进入每个子项，便可以实现对采摘机器人的控制或与后台服务器进行交互。采摘机器人数字化显示系统控制菜单界面如图12所示。

图12采摘机器人数字化显示系统控制菜单界面图

本文设计的采摘机器人数字化显示系统可以对采摘机器人进行AR模拟仿真、采摘监控和关节操作等操作控制，为使用者提供了多种操作方便、高性价比的采摘机器人数字化显示系统。

5、结论

采用无线通信、AR虚拟增强技术，搭载性能效果好的S3C2440微处理器，结合Linux操作系统，设计了一套采摘机器人数字化显示系统。系统结合嵌入式控制、Linux、数字化显示等众多技术，通过建立采摘机器人机械臂三维模型，对采摘动作进行模拟仿真，通过AR眼镜判断仿真结果的正确性，提高果蔬采摘成功率，并基于QT开发了系统显示界面，为使用者提供了多种操作方便、高性价比的采摘机器人数字化显示系统。

参考文献:

[1]王娜,孟庆辉,魏宏飞.基于嵌入式S3C6410的采摘机器人自动导航控制系统[J].农机化研究,2023,45(10):182-186.

[2]马爱华.基于数学轨迹算法的采摘机器人精准化作业[J].农机化研究,2023,45(10):86-90.

[3]张世杰,陈炜峰.液晶显示玻璃基板双机器人搬运系统设计[J].价值工程,2022,41(36):99-101.

[4]夏康利,何强.基于颜色统计的水果采摘机器人水果识别的研究[J].南方农机,2022,53(24):11-16.

[5]岳鹏飞.农业采摘机器人机械臂结构设计与分析[J].南方农机,2022,53(22):42-43,62.

[6]吴铫,柯胜海.AR技术应用于包装交互式设计的研究[J].包装工程,2022,43(19):243-249.

[7]李昌璐.基于机器视觉的苹果采摘机器人识别与定位研究[D].兰州:兰州理工大学,2022.

[8]寇文珍.基于AR技术的导航服务系统研究与设计[J].信息记录材料,2021,22(9):73-74.

[9]刘清岗.AR技术在复杂场景导航中的应用[J].电子技术与软件工程,2021(15):44-45.

[10]邱宵和.AR导航不同显示方式对导航绩效和空间知识获取的影响[D].杭州:浙江理工大学,2021.

[11]罗啟飞.基于车载AR-HUD的增强现实导航技术研究[D].重庆:重庆邮电大学,2020.