水田除草機(jī)器人是指具備人工智能識(shí)別功能、能夠通過(guò)圖像或者其他傳感器對(duì)雜草的具體情況進(jìn)行識(shí)別并能夠通過(guò)推理判斷以產(chǎn)生具體的指令來(lái)指示機(jī)械除草機(jī)構(gòu)進(jìn)行除草的一種智能裝置^[1]。

        隨著工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國(guó)家(如日本、美國(guó)等)紛紛展開(kāi)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)并已經(jīng)取得了一些階段性成果。但由于一些經(jīng)濟(jì)特殊性的問(wèn)題，還沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的程度。日本發(fā)明了一種小型水田除草機(jī)器人，它體積很小，由電池供電，完成一次除草作業(yè)后，可通過(guò)轉(zhuǎn)彎的方式換到另一除草位置進(jìn)行下一輪除草作業(yè)^[2]。我國(guó)也開(kāi)始了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，南京林業(yè)大學(xué)的陳勇等發(fā)明了一種高效除草機(jī)器人，它是由自動(dòng)導(dǎo)航和雜草識(shí)別攝像裝置、行間切割涂抹與行內(nèi)除草機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)組成^[2]的。

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)需求分析

        根據(jù)除草機(jī)器人所要完成的功能可將系統(tǒng)劃分為如圖1所示的控制框圖。由圖可以看出，控制系統(tǒng)主要分為三大部分：第一部分為上位機(jī)監(jiān)控部分；第二部分為運(yùn)動(dòng)控制部分；第三部分為視頻采集及識(shí)別部分。

        (1)上位機(jī)監(jiān)控部分：此部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制和合理操作。上位機(jī)要與運(yùn)動(dòng)控制部分進(jìn)行數(shù)據(jù)通信^[3]。

        (2)運(yùn)動(dòng)控制部分：此部分主要負(fù)責(zé)接收上位機(jī)命令，并負(fù)責(zé)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷解析，將其轉(zhuǎn)換為電機(jī)控制信號(hào)來(lái)完成機(jī)器人的運(yùn)行。

        (3)視頻采集方案：此部分要實(shí)時(shí)采集水田秧苗圖像，并將圖像實(shí)時(shí)傳到PC，從而可以在PC上用瀏覽器來(lái)實(shí)時(shí)觀察圖像。因此，這里采用WiFi是非常合適的。

1.2 系統(tǒng)主控方案

        本設(shè)計(jì)采用Zynq-7000平臺(tái)，Zynq-7000實(shí)現(xiàn)了雙核Cortex-A9 MPcore和最新的28 nm 7系列可編程邏輯的緊密集成。Zynq芯片內(nèi)部可以分為PS（Processing System）和PL（Programmable Logic）兩部分，ZedBoard是基于Xilinx Zynq^TM-7000擴(kuò)展式處理平臺(tái)的低成本開(kāi)發(fā)板。它的可擴(kuò)展接口使得用戶可以方便訪問(wèn)處理系統(tǒng)和可編程邏輯，創(chuàng)建獨(dú)特而強(qiáng)大的設(shè)計(jì)^[4-5]。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 上位機(jī)部分

        利用VC++6.0開(kāi)發(fā)了除草機(jī)器人的人機(jī)交互界面，開(kāi)發(fā)類庫(kù)是基于MFC的對(duì)話框設(shè)計(jì)的，通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與Zedboard的通信。人機(jī)交互界面如圖2所示，主要分為3部分來(lái)控制。通過(guò)手柄和界面上的按鈕發(fā)送指令和數(shù)據(jù)。

        行走電機(jī)是通過(guò)M0和M1編輯框中的數(shù)值設(shè)置速度大小，運(yùn)動(dòng)方向可由Up和Down來(lái)控制，注意這里不選擇Select按鈕。

        在圖2所示界面中，選中Select，這時(shí)，為控制4個(gè)推桿電機(jī)，鉤選R1、R2、1、2、3、4、L1、L2、Up、Down、Left、Right選項(xiàng)，每?jī)蓚€(gè)選項(xiàng)控制一個(gè)推桿電機(jī)，如R1控制一號(hào)推桿的前進(jìn)，R2控制一號(hào)推桿的后退，推桿復(fù)位、設(shè)置p參數(shù)、解除復(fù)位這3個(gè)按鈕用于4個(gè)推桿電機(jī)初始化的設(shè)置。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制部分

2.2.1 運(yùn)動(dòng)控制部分結(jié)構(gòu)框圖

        運(yùn)動(dòng)控制部分結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

        Zedboard通過(guò)ZigBee接收從上位機(jī)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)增量式PID算法整定控制PWM波形。Zedboard作為帶FPGA的處理器，利用FPGA的邏輯資源十分有意義。本文將介紹產(chǎn)生一路PWM發(fā)生器的IP核，如果要產(chǎn)生多路PWM發(fā)生器，對(duì)FPGA來(lái)說(shuō)僅僅是多消耗一些邏輯資源而已，其過(guò)程是一樣的。

        在Zedboard中運(yùn)行Linux系統(tǒng)，要使用本設(shè)計(jì)FPGA的IP核，必須為這個(gè)IP核開(kāi)發(fā)Linux系統(tǒng)上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，使得運(yùn)行在Linux系統(tǒng)上的應(yīng)用程序可以使用這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序與FPGA端進(jìn)行通信，從而控制PWM的輸出。

2.2.2 增量式PID算法

        PID算法廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中，本系統(tǒng)使用增量式PID算法，即：

        增量式PID的輸出只與當(dāng)前拍和前兩拍的誤差有關(guān)，因此累積誤差相對(duì)更小。上式中，e(n)對(duì)應(yīng)給定和反饋的偏差，u(n)對(duì)應(yīng)著輸出。增量式PID輸出的是控制量增量，并無(wú)積分作用，因此該方法適用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶積分部件的對(duì)象，如電機(jī)等^[6]。由于增量式PID輸出的是控制量增量，當(dāng)控制板出現(xiàn)故障時(shí)，誤動(dòng)作影響較小，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，可保持原位，不會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作。

2.2.3 PWM模塊的IP核設(shè)計(jì)

        在Zynq上制作用戶IP核需要考慮如何與PS交換數(shù)據(jù)。有兩種方案，一種是EMIO交換數(shù)據(jù)，一種是制作滿足AXI協(xié)議的IP核。通常采用第二種方案。Xilinx為用戶提供了Wizard，它會(huì)自動(dòng)生成總線（AXI）相關(guān)的代碼，做好地址譯碼邏輯、讀寫控制邏輯，并在用戶工作區(qū)生成一些寄存器。本設(shè)計(jì)中的PL邏輯通過(guò)讀寫這些寄存器與PS交互^[4]。

        由于Zedboard運(yùn)行的系統(tǒng)使用了FPGA資源，因此所開(kāi)發(fā)的IP核必須在原有的工程里加入新的IP核，重新生成新的bit流文件，打開(kāi)適合自己ise版本的官方demo，xps系統(tǒng)工程位于hw\xps_proj文件夾下，打開(kāi)這個(gè)xps工程。在xps中單擊Hardware->Create or Import Periphera進(jìn)入歡迎界面，按照自己的要求定制IP核，完成IP核制作的向?qū)?sup>[4]。

        接下來(lái)把這個(gè)IP核添加進(jìn)xps工程，在IP Catalog中的USER選項(xiàng)中找到它，雙擊添加到系統(tǒng)中，然后在Bus Interface中，分別修改MPD、添加接口、修改HDL sources^[7-8]。修改完畢后，在project菜單中選擇Rescan User Repositories，從port中可以看到新添加的引腳，選擇為External Ports把引腳引出去。分配地址，修改ucf約束文件，產(chǎn)生bit流文件。導(dǎo)入到SDK中，新建一個(gè)fsbl工程，重新生成BOOT.BIN文件。這樣用戶IP核的部分就完成了。

2.2.4 Linux下PWM模塊驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

        Linux提供了內(nèi)核模塊機(jī)制，模塊本身不被編譯入內(nèi)核映像，從而控制了內(nèi)核的大小，模塊一旦被加載，它就和內(nèi)核中的其他部分完全一樣。驅(qū)動(dòng)程序是從來(lái)不主動(dòng)運(yùn)行的程序，而且等待應(yīng)用程序來(lái)調(diào)用。應(yīng)用程序通過(guò)內(nèi)核來(lái)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序^[9]，實(shí)現(xiàn)與實(shí)際硬件設(shè)備的通信。一般分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3種類型^[10]。需為上面生成的IP核進(jìn)行字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)。

        PWM模塊驅(qū)動(dòng)程序主要分為4個(gè)部分：加載函數(shù)，卸載函數(shù)，設(shè)置PWM的周期函數(shù)，設(shè)置PWM的占空比函數(shù)^[4]。

        (1)加載函數(shù)，主要完成以下幾項(xiàng)工作：內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)建PWM設(shè)備類，利用利用PWM設(shè)備類創(chuàng)建一個(gè)PWM設(shè)備，在PWM設(shè)備中創(chuàng)建周期和占空比兩個(gè)文件，將PWM模塊的物理地址映射到虛擬地址上^[4]。

        (2)卸載函數(shù)，這個(gè)主要是在rmmod模塊時(shí)完成清除的工作，注銷設(shè)備。

        (3)設(shè)置pwm的周期函數(shù)，修改前關(guān)閉pwm模塊，將數(shù)值寫入到寄存器中。

        (4)設(shè)置pwm的占空比函數(shù)，修改前關(guān)閉pwm模塊，將數(shù)值寫入到寄存器中。

        完成了pwm驅(qū)動(dòng)程序的編寫后，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編譯，驅(qū)動(dòng)程序的編譯依賴于內(nèi)核，這就和一般的應(yīng)用程序不同了。因此除了要在Linux主機(jī)下安裝交叉編譯工具之外，還要編譯和運(yùn)行與Zedboard板子上的內(nèi)核版本一樣的內(nèi)核，然后編寫Makefile。Makefile中必須指定內(nèi)核所在的路徑，在這個(gè)Makefile的幫助下運(yùn)行make即可生成編譯模塊。

2.3 視頻采集方案

2.3.1 搭建嵌入式Web服務(wù)器

        Web服務(wù)器是連接在網(wǎng)絡(luò)上提供Web訪問(wèn)服務(wù)的一種設(shè)備/程序。在Zedboard上運(yùn)行一個(gè)提供Web服務(wù)的程序，使得Zedboard成為一個(gè)可以提供Web訪問(wèn)服務(wù)的設(shè)備，這里選擇Boa服務(wù)器。

        下載與移植Boa服務(wù)器，這里需要修改源碼目錄下的一些文件以及已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一些bug。

        配置Boa服務(wù)器，在源碼目錄下找到boa.conf，在其基礎(chǔ)上做出自己的修改，配置Boa服務(wù)器。

        在編譯配置完Boa服務(wù)器后，就需要在Zedboard上進(jìn)行部署，完成相關(guān)的設(shè)置，保證與boa.conf中的配置相符。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的移植和搭建

        網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)可以提供實(shí)時(shí)捕獲的圖像。攝像頭捕獲的圖像數(shù)據(jù)很大，因此需要將其壓縮后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，接收端將接收到的壓縮數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后播放。利用網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)時(shí)采集圖像的工作原理如圖4所示。

        在安裝編碼軟件mjpg-streamer之前，需要安裝libtool工具盒移植JPEG編碼庫(kù)，移植mjpg-streamer需要修改源碼目錄中plugins/input_uvc目錄下的Makefile，然后使用交叉編譯。編譯完成后可以找到input_uvc.so、output_http.so，使用這兩個(gè)庫(kù)，將JPEG編碼庫(kù)生成的libjpg庫(kù)拷貝到Zedboard文件系統(tǒng)，最好是/usr/lib/下。

        在視頻采集方案中，將mjpg-streamer與Boa結(jié)合使用，結(jié)合Web服務(wù)器一起將實(shí)時(shí)圖像嵌入到網(wǎng)頁(yè)中，這樣就可以通過(guò)瀏覽器輸入Zedboard的IP地址來(lái)觀看傳回來(lái)的實(shí)時(shí)圖像。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試：imsmod  pwm_driver.ko

cd  /sys/class/pwm_driver/pwm_device

echo  1000>pwm_frequency

echo  50>pwm_duty

        產(chǎn)生頻率為10 kHz、占空比分別為50%和30%的PWM波，如圖5（a）、（b）所示。

        打開(kāi)火狐瀏覽器，輸入開(kāi)發(fā)板的IP地址192.168.1.10，這時(shí)可以觀察到機(jī)器人傳回的實(shí)時(shí)圖像。

        本設(shè)計(jì)是在Xilinx的Zynq平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的。通過(guò)在機(jī)器人車身上安裝攝像頭可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)控制調(diào)節(jié)響應(yīng)快，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了增量式PID閉環(huán)控制。通過(guò)WiFi接入機(jī)器人的無(wú)線路由，就可以獲取實(shí)時(shí)的圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人的準(zhǔn)確控制，很好地滿足了實(shí)際的工程應(yīng)用。

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