基于图像处理的番茄采摘机器人的设计论文

1、 . . . 毕 业 论 文（设计）题 目: 基于图像处理的番茄采摘机器人的设计 . . . II / 106目 录摘要摘要 I IABSTRACTABSTRACTIIII1 1 绪论绪论 1 11.1 研究的背景与意义 11.2 国外研究现状 11.3 国研究现状 21.4 主要研究容 32 2 采摘机器人硬件系统设计采摘机器人硬件系统设计 5 52.1 系统整体方案设计 52.2 双目立体摄像机的选型 72.3 图像处理核心芯片的选型 72.4 下位机控制器选型与电路设计 132.5 采摘机械手自由度的降维方案和驱动设计 182.6 滑台限位和采摘手接触检测和设计 203 3 双目视觉定位

2、模型与摄像机参数标定双目视觉定位模型与摄像机参数标定 22223.1 双目视觉定位模型 223.2 摄像机标定方法 243.3 标定结果与分析 264 4 图像采集和预处理图像采集和预处理 29294.1 图像采集 294.2 图像裁剪和二值化处理 294.3 图像滤波处理 314.4 番茄果实边缘检测与轮廓提取 324.5 图像显示调试方法设计 345 5 番茄果实的特征点和形心参数的提取番茄果实的特征点和形心参数的提取 35355.1 番茄果实圆周上特征点获取的方法设计 355.2 计算番茄果实的圆心和半径的方法设计 356 6 立体匹配和三维坐标计算立体匹配和三维坐标计算 37376.1

3、 立体匹配 376.2 番茄果实的空间三维坐标的计算 377 7 上下位机通讯与下位机采摘设计上下位机通讯与下位机采摘设计 39397.1 上位机与下位机串行通讯协议设计 397.2 上位机与下位机串行通讯寄存器配置 397.3 上位机和下位机串行通讯程序 407.4 下位机对番茄果实定位和采摘 418 8 软件开发环境配置软件开发环境配置 42428.1 CCS 开发环境配置 428.2 IAR 开发环境配置 459 9 样机试验和总结样机试验和总结 4747 . . . III / 1069.1 采摘机器人样机试验 479.2 总结和展望 49参考文献参考文献 5151致致 5454附录附

4、录 5555附录附录 1 1 基于基于 OPENCVOPENCV 的正友标定算法程序（部分）的正友标定算法程序（部分）5555附录附录 2 2 DSPDSP 的主程序和图像采集程序（部分）的主程序和图像采集程序（部分）5858附录附录 3 3 图像裁剪程序图像裁剪程序 6161附录附录 4 4 图像阈值分割程序图像阈值分割程序 6262附录附录 5 5 中值滤波程序中值滤波程序 6363附录附录 6 6 索贝尔边缘检测程序索贝尔边缘检测程序 6464附录附录 7 7 番茄果实圆周上特征点获取的程序（部分）番茄果实圆周上特征点获取的程序（部分）6565附录附录 8 8 计算番茄果实的圆心和半径的

5、算法（部分）计算番茄果实的圆心和半径的算法（部分）6767附录附录 9 9 番茄果实的空间三维坐标定位的算法（部分）番茄果实的空间三维坐标定位的算法（部分）6969附录附录 1010 上位机上位机 TMS320DM642TMS320DM642 的串行通讯寄存器配置与串行通讯程序的串行通讯寄存器配置与串行通讯程序 7373附录附录 1111 下位机下位机 MSP430F149MSP430F149 的串行通讯程序的串行通讯程序 7676附录附录 1212 下位机对番茄果实定位和采摘的算法（部分）下位机对番茄果实定位和采摘的算法（部分）7878 . . . 基于图像处理的番茄采摘机器人的设计摘 要目

6、前的番茄采摘基本上都是依赖于人工作业而导致劳动力成本高、劳动强度大，而现有的采摘机器人的研究基本上都是停留在理论层面，而极个别物化的成果都是基于计算机，从而导致系统体积过大、功耗高和成本高。为解决以上问题，本文提出并开发了一套基于 DSP 的番茄采摘机器人。本文的主要设计容包括基于 DSP 的采摘机器人系统的方案设计、各个硬件电路的设计、以与基于汇编语言、C 语言和 VC+三种编程语言的软件设计。本文的主要贡献为：（1）提出利用 DSP 代替计算机实现番茄图像的采集、处理和果实的空间三维定位，并进行了验证；（2）提出一种采摘机械手降维的方法，解决了机器人建模复杂且实现困难的问题，并结合三维滑台

7、实现并完成了对空间中番茄的准确抓取和采摘的功能。试验表明，本文研发的系统能够实现对番茄果实的准确定位和采摘，具有操作简单、体积小巧、功耗低、性价比高等优点。本系统的研发对于提高番茄的采摘效率，减少劳动力、降低农民的劳动强度和采摘成本具有重要的实际意义，也为精准农业的发展提供了一种新的思路和方法。关键字：番茄采摘；图像处理；关键字：番茄采摘；图像处理；DSPDSP；双目立体视觉；双目立体视觉Design of Tomato Picking Robot Based on Image ProcessingAbstractAt present, the tomato harvest work most

8、ly depends on the artificial operation, which causes the problems 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

9、volume, high power-consumption, and high cost etc. To solve the 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 t

10、he assembler language, C language and VC+ language. The main 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

11、for reducing dimensions is proposed to reduce the picking manipulator 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. . . . II / 106This experiment tests indic

12、ate that the designed system can realize the accurate positioning and picking 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

13、tomato picking efficiency, reducing human labors, reducing thelabor intensity of farmers and the picking cost, but also providing a new idea and method for the development of precision agriculture.KeyKey wordswords：tomato picking, image process, DSP, binocular stereo vision . . . 1 绪论1.1 研究的背景与意义番茄(

14、Tomato)，又名西红柿、或者洋柿子。其部含有丰富的蛋白质、维生素，以与胡萝卜素等营养物质。西红柿具有减肥瘦身、消除人们的疲劳等功效1-3。据不完全统计，全世界番茄总产量约为 5000 万吨/年，而我国则占到了约 700 万吨/年4。番茄采摘作业是当前果蔬生产过程中比较费时和费力的环节。目前，番茄采摘主要依赖于人工作业，由果农直接将番茄从植株上采摘下来。然而人工采摘作业存在成本偏高、劳动强度大、而且采摘很不与时等弊端。同时，当前我国人口老龄化严重，农业劳动人口因为“进城”而骤减5。而随着自动化技术的发展，自动采摘作业逐渐代替人类进行作业，可以大大减少采摘人员的劳动强度。因此，进行番茄采摘作业

15、自动化的研究对于社会具有重要的现实意义6。然而，番茄的大小和颜色呈现非规则、非一致等特性，其生长环境的复杂性和农田环境的非结构化等特点共同决定了采摘设备的开发有一定的难度，而且由于番茄果实生长环境的背景复杂，加之番茄果实生长密集，果实之间的遮挡问题很严重，给图像处理带来许多困难。虽然目前已有学者进行基于机器视觉方面的研究，但其目前的研究基本上是停留在某一方面理论层次的研究，如单纯的双目定位、机械手采摘路径优化等，而进行实际应用开发的研究特别少。即使这样，当前极个别的物化的应用研究都是利用了基于 PC 上位机的 OpenCV，即首先利用计算机视觉库进行图像处理，然后进一步通过控制采摘机械手对果实

16、进行采摘，但是这样就使得采摘设备存在开发成本高、体积大和功耗高等缺点，给自动化采摘作业的推广应用带来新问题。因此，开发一套基于 DSP 的低功耗、小体积、低成本的番茄采摘机器人，对提高番茄采摘劳动生产率、降低农民的劳动强度和采摘成本，提高我国精准农业设施的现代化和智能化水平、加快农业科学进步具有重要的现实意义。1.2 国外研究现状采摘机器人要实现精确的采摘，最重要的就是确定果实在空间三维坐标中的精确位置，而果实三维空间中的位置需要利用机器视觉来完成。机器视觉已有二三十年的发展历史，其功能与适用围随着当今科技的快速发展而不断应用和完善。采摘机器人是农业 . . . 2 / 106机器人中一种特别

17、重要的机器人，很多发达国家现在已经在采摘机器人领域有了较大的发展。比如美国、荷兰、以色列等西方国家在此领域有较为成熟的发展7-15。20 世纪 80 年代，美国麻省理工学院的 D.Marr，从计算机科学的角度出发，将神经生理学、数学以与心理物理学融为一体，提出了视觉计算理论，该理论是双目视觉的前提条件，也为以后机器视觉采摘机器人的发展奠定了基础16-18。1994 年，英国 Silsoe 研究院的科学家从图像识别出发，研制出了蘑菇采摘机器人，该机器人可以通过图像处理自动测量并判断蘑菇的大小和空间三维坐标，进而选择性的进行采摘工作19-20。1996 年，日本冈山大学的 Kondo N 通过图像

18、识别，研发了基于图像处理的番茄采摘机器人。该机器人使用摄像头采集图像，经过图像处理后，识别出成熟的番茄，使用采摘机械手实现对果实的准确采摘21-22。2000年，以色列国家的科学家研发了世界上第一台甜瓜采摘机器人。该机器人利用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和空间定位。同时，该机器人还能根据甜瓜的圆形和椭圆形等几何形状特征的特殊性来增加识别成功的概率。经过实验验证，该采摘机器人可以自主完成大部分的甜瓜识别与采摘工作23。1.3 国研究现状从摘机器人的发展趋势和成就来看，尽管我国在采摘机器人的研究领域起步较晚，较发达国家有不少差距，而且当前大部分的工作还主要集中在实验室的仿真和试验阶段，但不少研

19、究人员也开始也取得了一定的成果24-30。2004 年，中国农业大学的铁中等人通过色彩空间参照表，提出了适用于水果采摘机器人视觉系统果实目标提取的图像分割算法。通过对比试验发现，采用该算法分别对草莓和西红柿等果实的图像在 Lab、HSV、YCbCr 色彩模型下进行实验，取得了理想的效果31-32。2009 年潍坊学院的宋键等人根据茄子生长的空间分布信息，采用了基于直方图的固定阈值法实现了对灰度图像进行小区域分割，完成了对茄子果实的轮廓、质心等参数的判断。试验证明，该方法对茄子等作物的识别率较高，而且系统本身工作稳定，但是缺点是耗时过长33-34。2010 年农业大学的司永胜等人通过对不同光照情

20、况下拍摄的苹果图像进行识别，利用归一化的红绿色差算法获得苹果了轮廓图像。实验结果证明：该识别算法的准确识别 . . . 3 / 106率可以达到 90%以上。同时，采用随机圆环法，实现了准确地提取果实的圆心和半径参数35-36。2014 年大学的吕继东等人为了缩短系统对图像识别的时间，提高苹果果实的识别率，利用动态阈值分割的方法，通过改进的去均值归一化积法实现了快速跟踪目标果实，并进行了不同阈值分割方法下果实识别的对比性试验。试验结果证明，该方法大大减少了苹果采摘机器人采摘过程处理时间，而且识别率也较之前的方法有所改善37-38。1.4 主要研究容本文主要是通过利用DSP控制双目摄像机采集图像

21、，并经过二值化、滤波处理、索贝尔边缘处理、形心确定、特征点匹配、三维重建等步骤实现对番茄的空间三维定位，然后将番茄果实的空间三维坐标等参数传送至下位机，下位机进而通过控制三维滑台和采摘机械手实现对番茄的抓取和采摘工作。本设计的主要研究容如下：1、对采摘机器人的总体硬件方案进行选择和设计系统硬件主要包括数字信号处理器型号的选择、摄像机型号的选取、控制器的选择以与其它硬件电路的选型和设计。本设计还对三维滑台类型和长度进行选取并组装，选取合适的驱动器与配套的驱动电源，利用控制器实现对滑台的控制。同时，需要选择合适的采摘机械手并对采摘手的采摘头进行改装设计，选择合适的舵机驱动器并利用下位机控制器实现对

22、采摘机械手对果实的抓取和释放。同时，本设计还需对滑台限位传感器和采摘机械手接触传感器进行选型和设计等。2、获取双目摄像机的参数和外参数由于摄像机标定的结果是立体视觉的前提，它决定了后续番茄果实空间三维定位的精确度。双目摄像机标定主要是通过两摄像机对外界的标定板进行拍摄若干幅图片后，通过利用 C+编写的上位机标定程序计算出摄像机各自的外参数的过程。3、利用 DSP 控制双目摄像机进行图像采集并对采集的图像进行二值化处理、边缘处理、中值滤波等预处理操作通过利用 DSP 实现对视频解码芯片和视频编码芯片的控制，从而实现对视频采集后的输入解码和编码输出控制，然后 DSP 可以对采集后图像进行预处理，包

23、括图像的阈值分割、索贝尔边缘处理、中值滤波等操作，为后续的空间三维定位奠定基础。 . . . 4 / 1064、利用 DSP 实现对特征点的匹配、三维重建，并能简单的进行三维坐标的计算并将计算结果输送至控制器利用 DSP 对左右两个摄像机采集后的图像视频进行初步处理后确定番茄果实的特征点、形心等参数，找到相对应的匹配点，并根据上述步骤中摄像机标定得到的外参数，利用双目定位数学模型，根据三维重建初步计算番茄的空间三维坐标，并能通过串行通讯将其传送到下位机控制器。5、控制器能与 DSP 通讯并根据接收到的数据实现对三维滑台和采摘机械手的控制，从而实现对番茄果实的精确定位、抓取和采摘下位机控制器 M

24、SP430F149 能通过串口接收来自 DSP 的三维坐标信息与采摘信息，并能将番茄果实的空间三维坐标转化为采摘机械手的空间三维坐标。同时，下位机控制器能根据接收的番茄果实空间三维坐标数据控制三维滑台工作，使得三维滑台移动到待采摘的番茄正前方，然后下位机控制器可以控制采摘机械手实现对番茄的抓取和采摘工作，最后将番茄送入集果箱。 . . . 2 采摘机器人硬件系统设计2.1 系统整体方案设计本设计中，基于图像处理的采摘机器人主要包括上位机模块和下位机模块。上位机模块主要包括：TMS320DM642 图像处理模块、图像采集模块、视频解码模块、电源模块、视频编码模块、显示模块和串行通讯模块等。下位机

25、模块主要包括：MSP430F149 主控模块、电源模块、串行通讯模块、三维滑台、采摘机械手、传感器模块、滑台驱动器、舵机驱动器和灯光补偿模块等。上位机和下位机主要通过 RS232 串行通讯模块进行数据的传输。上位机中的图像采集模块采集待采摘区域的图像后，通过视频解码模块将视频的模拟信号转换为数字信号送入 TMS320DM642 图像处理模块，TMS320DM642 图像处理模块一方面通过对数字信号进行处理和分析，实现对番茄果实进行提取轮廓、形心位置确定、立体匹配和计算番茄果实的三维空间坐标等处理和将计算后的数字信号传输至视频编码模块，视频编码模块将处理后的番茄果实的图像再次转换为模拟信号并送至

26、显示器进行显示以便开发人员调试；另一方面，TMS320DM642 图像处理模块将计算出的番茄果实的空间三维坐标的数据通过串行通讯发送至下位机 MSP430F149 主控模块。在这个过程中，电源模块为上位机整个子模块提供电能。下位机中的 MSP430F149 主控模块通过串行通讯口接收到来自 TMS320DM642 发送的番茄果实三维空间坐标数据后提取坐标的有效值，然后通过滑台驱动器驱动三维滑台运动至带采摘番茄果实的正前方位置，然后，MSP430F149 主控模块控制舵机驱动器驱动采摘机械手对番茄果实进行准确抓取和采摘，最后将番茄果实送入集果箱中。在整个下位机工作过程中，电源模块为下位机的整套系

27、统提供电能，同时碰撞传感器和触碰传感器实时检测三维滑台是否到达端点，触碰传感器实时检测采摘机械手在对番茄果实进行抓取时，机械手的两个手掌是否已经接触到番茄果实。灯光补偿模块能够使使 TMS320DM642图像处理模块更好的对外界的图像进行处理，减少外界光源对系统的干扰。本设计的番茄采摘机器人的整体结构框图如图 2-1。 . . . 6 / 106RS232TMS320DM642图像处理模块电源模块 图像采集MSP430F149主控模块显示器电源模块 灯光补偿 滑台驱动器 舵机驱动器视频解码 视频编码 碰撞检测 压力检测 三维滑台 采摘机械手上位机部分下位机部分图 2-1 番茄采摘机器人的整体结

28、构框图基于图像处理的采摘机器人的设计流程图如图2-2所示。主要步骤包括上下位机的硬件搭建、双目摄像机外参数的标定等。其中，硬件搭建还包括DSP与MSP430F149之间的串行通讯，数字图像采集中还包括将采集的模拟信号转换为数字信号送入DSP中等39。上下位机硬件搭建数字图像采集双目摄像机标定图像二值化处理图像中值滤波图像索贝尔边缘处理图像特征点确定番茄果实立体匹配番茄果实三维坐标计算采摘机械手动作和定位番茄果实抓取和采摘结束一次采摘工作采摘机器人调研和立题图2-2基于图像处理的采摘机器人的设计流程图 . . . 7 / 1062.2 双目立体摄像机的选型摄像机的参数决定了后续图像处理的精度，考

29、虑到性能和价格两方面因素，本设计选用索尼生产的 MJW 短枪摄像机，该摄像机采用了最新的 DSP 数字处理技术，CCD 尺寸为1/3 英寸，有效像素 PAL：720576(440K)，NTSC：769494(380K)，具有自动白平衡(AWB)和增益补偿控制(AGC)功能。由于摄像机在生产时的工艺问题，很容易造成两个摄像机的参数不同，如基线长度、CMOS 面积大小和畸变系数，因此需要在后续的软件设计中需要对其外参数进行测定。另外，由于该摄像机可以变焦，因此在进行图像处理前需要对摄像机的镜头进行测试，即将摄像机的焦距调整到合适的位置，使之采集的图像清晰，便于后续图像的处理工作。2.3 图像处理核

30、心芯片的选型在当前的图像处理领域，基于下位机硬件的器件主要有 FPGA、ARM、DSP 以与 ARM 与DSP 组合的平台。方案一：FPGA（现场可编程门阵列），采用硬件逻辑描述作为开发语言，器件本身的运行速度较快，但是对开发人员的专业知识要求过高，而且程序移植较为困难。方案二：ARM(Advanced RISC Machines)，一般用在控制领域和嵌入式领域，比较擅长做时序控制类、嵌入式类的工作，不适合做大容量的数字计算工作。方案三：DSP(Digital Signal Processor)，即：数字信号处理器，它一般适用于做数字信号处理运算方面的工作，而且实时性较好。另外数字信号处理器具

31、有体积小、功能强、成本低等特点，并且有的具有专用的协处理器用于图像的处理工作。DSP 芯片部采用的是哈弗结构，也就是程序和数据分开管理的方式，从而使得程序处理效率较高。综合以上方案，我们采用 TMS320DM642 作为图像处理的核心芯片。TMS320DM642 是美国 TI 公司专门为视频处理领域设计的芯片，它具有强大的计算能力和丰富的片设备，因此成为多种视频和图像处理应用的首选。TMS320DM642 芯片可以提供三种最高主频：500M、600M 和 720M，其相应的指令周期为：2ns、1.67ns 和 1.39ns。而且，其本身就有 8 个处理单元，在满负荷运行时可以完成 8 个指令/

32、周期。因为使用的是 C64x 核，因此其具备了 128kbit 的 L1P 高速程序缓存，128kbit 的 L1D 高速数据缓存，2Mkbit 的 L2 高速联合缓存的片外设。它具有 64 个独立的 EDMA 通道，可以很方便的实现与外界数据的快递交换。 . . . 8 / 106图像处理核心芯片 TMS320DM642 主要包括时钟系统、电源供电电路、复位电路、视频解码电路、视频编码电路以与串口通讯电路等。下面我们一一介绍：时钟电路：时钟电路：TMS320DM642 有多个时钟源来满足不同的核和外设的需求，它通过时钟芯片提供了六个不同频率的时钟源，分别是：50M 的 TMS320DM642

33、 时钟，25M 的以太网芯片时钟，100M的 SDRAM 时钟，20M 的异步通讯芯片时钟，3.57M 的看门狗时钟，4.31818M 的视频解码芯片时钟，27M 的视频编码芯片时钟。TMS320DM642 的核可以工作在 600MHz 频率上，甚至超频后能在 720MHz 的频率上工作，但是 DSP 的外部频率只有 50MHz。因此，我们可以通过时钟锁相电路(PLL)来获得倍频，再通过分频获得多种不同频率的时钟供 DSP 的片外设使用。TMS320DM642 时钟电路图如图 2-3 所示：VDDOUTPNCGNDY150MHzVDDOUTPNCGNDY2133MHz10uF/16VC10.1

34、uFC210mHL1BLM41P750SPT+3.3VGND33R1F50MHz10uF/16VC30.1uFC410mHL2BLM41P750SPT+3.3VGND33R2F133MHzVDDOUTPNCGNDY33.57MHz10uF/16VC50.1uFC610mHL3BLM41P750SPT+3.3VGND33R3F3.57MHz图 2-3 TMS320DM642 时钟电路图 . . . 9 / 106电源供电电路电源供电电路：TMS320DM642 要求系统必须为其提供 1.4 伏和 3.3 伏电压值的电源。其中，CPU 核工作在 1.4 伏，而且，DSP 核对供电电源的稳定性和可靠

35、性要求很高。DSP 在进行工作时，特别是图像处理时，主频可以达到最高的 720MHz，此时 CPU 核消耗的能量起伏非常大，而且随运算量变化的幅度变化急剧，很可能在短时间达到安倍级。因此，CPU 核对它的供电部分具有很高的要求和限制。但是因为转换效率的问题，一般选择可以承受较大电流的开关电源。开关电源具有最大的特点是：即使外界的负载变化很大，其依旧能输出纹波系数较小的电压，一般情况下可以满足高速 DSP 这种对输入电压有较高要求的处理器。TMS320DM642 的外设工作在 3.3V 电压，这个电压的要求相对没有那么严格，因此可以通过开关电源或一般的稳压电路提供。TMS320DM642 对电源

36、的具体要求如表 2-1 所示。表 2-1 TMS320DM642 对电源的具体要求参数CPU核心电压CVDD(V)最小值典型值最大值外围电压DVDD(V)参数CPU核供电电流(mA)外围I/O供电电流(mA)1.363.148902101.43.31.443.46出现该电流值的条件CPU核心电压CVDD为1.4V,且DM642工作在600MHz时的时钟频率外围电压DVDD为3.3V,且DM642工作在600MHz时的时钟频率电流值TMS320DM642 电源供电电路图如图 2-4 所示： . . . 10 / 106VIN15VIN16PGND12PGND11PwrPADVIN14PH10PH

37、9PH8PH7PH6BOOT5PGND13AGND1VSENSE2COMP3PWRGD4VBIAS17SS/ENA18SYNC19RT20U1TPS54310PWP12P112P271.5KR23.74KR33.74KR410KR5732R649.9R71.2uHL1180uF/4VC71000pFC80.047uFC61uFC110KR10.1uFC22700pFC53900pFC4100pFC3PWRGD10uFC9图 2-4 TMS320DM642 电源供电电路图复位电路复位电路：TMS320DM642 不仅对电压和电流有一定要求，对复位信号也有要求。它要求复位信号必须具备一定时间的低电

38、平和跳变周期。本设计中选用的是 TPS3823-33，该芯片所搭建的复位电路较为简单：系统上电后，该芯片首先检测电源的电压，如果正常，则给出复位信号，DSP 开始正常启动。TMS320DM642 复位电路图如图 2-5 所示：图 2-5 TMS320DM642 复位电路图视频解码电路设计：视频解码电路设计：TMS320DM642 芯片最多能采集 6 路视频图像信号。在本设计中，我们集成了四个视频解码芯片，这样可以实现 4 路视频的实时采集功能，即使试验中有一路或两路视频解码芯片坏掉我们依然可以使其正常工作。本设计中视频解码芯片采用 TI 公司生产的TVP5150 芯片，这是一款高性能、低功耗的

39、视频解码芯片，支持两路复合视频的视频输入，其视频输出格式为通用的 BT656，具有封装面积小、超低功率等优点。TVP5150 视频解码电路图如图 2-6 所示： . . . 11 / 106+1.8VA02+1.8VA010.1uFCV10.1uFCV2RV1337R41uFCV351uFCV341uFCV33DVDDIO10DVDD20SCL21SDA22DGND19YOUT018YOUT117YOUT216YOUT315YOUT414YOUT513YOUT612YOUT/IIC18HSYNC25VSYNC24FID23SCLK9AVID26INTREQ27RESETB8PDD28NSUB7

40、AGND23AGND131XTAL26XTAL15REFM30REFP29AIP1B2AIP1A1AVDD24AVDD132TVP5150RV1437R4FV1FDF14M31818-0+1.8VV0VCC_3.3VVP0_D0:7VP0_CLKVP0_HSYNCRESETSCL0SDA010KRV1VCC_3.3VCVBS/Y0VCC_3.3VF14M31818-0VP0_D0VP0_D1VP0_D2VP0_D3VP0_D4VP0_D5VP0_D6VP0_D7SDA0SCL0VP0_PDNRESETVP0_HSYNCVP0_CLKRV54K7RV74K7VP0_D7IIC Address S

41、electRV5RV7IIC AddressYESNO0 xBA0 xB8NOYES4231Vedio0CVBS/Y0VCC_1.8VLV1BLM18PG121EV147uF/6.3V0.1uFCV9BLM18PG121三EMI三三三三三图 2-6 TVP5150 视频解码电路图在上述设计的电路中，一般视频电路的输入电路，为了降低功耗和噪声，需要控制输入到芯片的视频信号的电压调整到 0-1V 之间。当然，TVP5150 可以采集 PAL 或者 NTSC视频，而且可以自动判断视频输入信号的制式，因此不需要我们自己去控制并转换。视频编码输出电路设计：视频编码输出电路设计：本设计中，视频编码芯片我们

42、采用的是菲利普公司的 SAA7121，该芯片输入为标准的8 位 BT656 数字视频数据流，输出为 PAL 制复合视频 CVBS 信号，该信号可以直接通过 AV转接头接在显示器上。与 TVP5150 一样，SAA7121 也使用 I2C 总线来设置工作参数和反馈状态信息，且也只能作为从设备。SAA7121 视频解码输出电路图设计如图 2-7 所示： . . . 12 / 106VDDA228VDDA125VSSD338VSSA132VSSA233MP79MP610MP511MP412MP313MP214MP115MP016CVBS30Y27C24SA21AP3SP2XTALO34XTAL135

43、SCLK37RESET#40LLC4RCV28RCV17RTC119TTX44TTXRQ43SCL41SDA42VSSD218VSSD15VDDA331VDDA436VDDD16VDDD217VDDD339SAA7121+3.3V A_XVCC_3.3VR1304.7R13110R13210R13375R13475R13575VP0_D0:7VP0_D0VP0_D1VP0_D2VP0_D3VP0_D4VP0_D5VP0_D6VP0_D7VP0_VSYNCVP0_HSYNCR1440R1400VP0_CLK1SCL1SDA1RESETR1420R1430VP0_CLKR1410VP0_VSYNC

44、VP0_HSYNCVP0_CLK1VP0_CLKSCL1SDA1RESETVP0_CLKCVBS_OUTY_OUTC_OUTVCC_3.3VLV13BLM18PG121EV1347uF/6.3V0.1uFCV50BLM18PG121三EMI三三三三三+3.3V A_X0.1uFCV510.1uFCV520.1uFCV530.1uFCV54246135J16CVBS_OUTY_OUTC_OUT+3.3V A_X图 2-7 SAA7121 视频解码输出电路图串口通讯电路：串口通讯电路：TMS320DM642 提供了一路 RS232 串行通讯口，考虑到 MSP430F149 也有串行通讯口，因为我们

45、选择 RS232 作为 DSP 和 MSP430F149 之间的通讯方式。尽管 TMS320DM642 上视频捕获口提供的 McBSP 功能可以作为串口通讯口，但是因为所有的视频捕获口已经被视频的两路输入和一路输出耗尽，因此我们只能通过其它方式扩展串行通讯接口。在该功能的扩展中，我们使用了 TI 公司的 TL16C752B 异步通讯收发器，该芯片包含了两路独立的异步收发器，可以分别为接收和发送提供 64 个字节的 FIFO（数据结构中的先进先出序列），而且支持 DMA 方式的数据传输，使得数据通讯非常方便。TMS320DM642 的串口通讯电路图如图 2-8 如下： . . . 13 / 10

46、6DOUT13FORCEOFF#16DIN11INVALID#10ROUT9ENABLE#1C1+2C1-4V+3FORCEON12RIN8C2+5C2-6V-7VCC15V-14U1MAX3221VCC_3.3V0.01uFC110KR110KR212Y10.01uFC20.01uFC3UARTINTAUARTINTBTED0TED1TED2TED3TED4TED5TED6TED7TEA3TEA4TEA5UART_CSAUART_CSBTCAS/RETWEUART_RSTRXBTXBDE485/RTSBRXA5VCC42CDB16OPB9GND17D73D62D51D448D347D246D

47、145D044RIA41CDA40OPA32TXB8CTSB23DSRB20RXRDYB18TXRDYA43RXRDYA31INTB29A226A127A028CSA10CSB11IOR19IOW15INTA30RIB21DTRB35TXA7CTSA38RTSA33DSRA39DTRA34TXRDYB6RESET36XTAL113XTAL214RTSB22RXB4U2TL16C752BVCC_3.3V10KR310KR41uFC91uFC847uFC70.1uFC610R6VCC_3.3V1uFC51uFC40R5TXARXA123456P1RS232/RS485RS232-RXDRS232-

48、TXDRS485-ARS485-BRS232-TXDRS232-RXD图 2-8 TMS320DM642 的串口通讯电路图2.4 下位机控制器选型与电路设计2.4.1 下位机核心模块的选择方案一：采用 STC89C52 系列单片机。该系列单片机价格便宜，性能稳定。但是其主频偏低，功能偏弱，而且外设较少，I/O 引脚偏少。方案二：采用 MSP430 系列单片机。该系列单片机部集成了较丰富的外设，特别是能够产生 PWM 波形并拥有硬件乘法器。并且其一般拥有较多的 I/O 口，可以满足不是特别复杂系统的需求。方案三：采用 TMS320F28 系列 DSP。该系列的 DSP 拥有较高的主频，而且片外设

49、很丰富，I/O 口较多，非常适合复杂系统的控制。但是价格一般较高，开发难度较大。综合以上方案，我们选择了 TI 公司的 MSP430F149 作为下位机的核心控制器。该单片机有着 60K 的寻址围，同时带有 16 为总线寻址结构，芯片核工作电压为 3.3V。而且超低功耗模式，在低功耗模式下，最小的工作电流仅为 1.3mA。由于它有三个 UART 通信接口，因此可以很方便的与本设计中的 DSP 和舵机驱动器等模块连接和通讯。 . . . 14 / 1062.4.2 下位机的功能分配与总体方案设计在本设计中，MSP430F149 承担了下位机的主要检测和控制功能，主要体现在以下几个方面：1通过串行

50、通讯接收来自 TMS320DM642 的三维坐标信息并将数据存入数组中；2根据接收到的三维坐标信息驱动三维滑台对番茄果实进行准确定位；3驱动采摘机械手对番茄果实进行准确抓取和采摘；4驱动液晶显示模块对接收到的三维坐标信息进行实时显示并显示当前的采摘区域；5驱动 44 按键模块，能够接收到矩阵键盘的键入信息并实现对采摘机器人的手动控制；6实时检测碰撞传感器的触点闭合信息，并能对外界的信息做出反应，如：在滑台到达顶点时，与时停止相应的滑台运动。本设计所用到 MSP430F149 单片机的 I/O 多达 40 多个，每个 I/O 口都着自己的功能。具体的各个引脚功能分配如表 2-2 所示，MSP43

51、0F149 总体方案电路图设计如图 2-9 所示。表 2-2 MSP430F149 引脚分配 . . . 15 / 106I/O口口名名称称功功能能分分配配I/O口口名名称称功功能能分分配配RST复位引脚XT2IN晶振XT2OUT晶振P4.0/TB0X滑台脉冲产生P4.1/TB1X滑台使能控制P3.0/STE0P4.2/TB2Y滑台脉冲产生P4.3/TB3Y滑台使能控制X滑台方向控制P3.1/SIMO0Y滑台方向控制P4.4/TB2Z滑台脉冲产生P4.5/TB3Z滑台使能控制P3.2/SOMI0Z滑台方向控制P4.5/TB5P4.6/TB6P4.7/TB6P5.0/STE1P5.1/SIMO1

52、P5.2/SOMI1P5.3/UCLK144按键行444按键行344按键行244按键行144按键列144按键列244按键列3P3.6/UTXD1P3.7/URXD1DM642串口接收DM642串口发送P1.0/TACLKP1.1/TA0P1.2/TA1P1.3/TA2P1.4/SMCLKP2.0/A0P2.1/A1P2.2/A2P2.3/A3P2.4/A4P2.5/A5P2.6/A6P2.7/A7液晶指令/数据 R/S液晶读/写 R/W液晶使能 E液晶通讯方式 PSB液晶复位RST液晶数据DB0液晶数据DB1液晶数据DB2液晶数据DB3液晶数据DB4液晶数据DB5液晶数据DB6液晶数据DB7P

53、5.4/MCLK44按键列4P3.4/UTXD0采摘手串口接收采摘手串口发送P3.5/URXD0P3.0X滑台最左侧传感器P3.1X滑台最右侧传感器P3.2Y滑台最上侧传感器P3.3Y滑台最下侧传感器P6.0Z滑台最前侧传感器P6.1Z滑台最后侧传感器P6.2采摘手触碰传感器0.01uFC1VCC_3.3V10uHL112Y132.768K12Y20.1uFC20.1uFC310KR10.01uFC4D11N4148SWVCC_3.3VS1S4S7S10S2S5S8S11S3S6S9S12S13S14S15S16R10R11R12R131J112345678910111213141516171

54、81920LCD12864D/IR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7PSBNCRSTNCVO3.3VDVCC10KR14P6.3P6.4P6.5P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7BLABLKVCC_3.3VP1.3三三三三三三UART_TXD0UART_TXD1UART_RXD0UART_RXD1594837261VB6594837261VB5C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6DOUT27RIN28ROUT29DIN210DIN111ROUT112RIN113DOUT114GND15VCC16U21MAX3232104C110104C

55、108104 C111104 C109104C107三三三三三三三三TMS 320DM642三三三三三三三三123P2P4.0_PULSE123P3P4.1_ENA123P4P4.2_PULSEP4.3_ENAP4.4_PULSEP4.5_ENAP3.0_DIRP3.1_DIRP3.2_DIR三三三三X三三三三三三三Y三三三三三三三Z三三三三三三三P1.5/TA017P1.6/TA118P1.7/TA219P2.0/ACLK20P2.1/TAINCLK21P2.2/CAOUT/TA022P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224P2.5/Rosc25P2.6/ADC12CLK26

56、P2.7/TA027P3.0/STE028P3.1/SIMO029P3.2/SOMI030P3.3/UCLK031P3.4/UTXD032P3.5/URXD033P3.6/UTXD134P3.7/URXD135P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB238P4.3/TB339P4.4/TB440P4.5/TB541P4.6/TB642P4.7/TBCLK43P5.0/STE144P5.1/SIMO145P5.2/SOMI146P5.3/UCLK147P5.4/MCLK48DVcc1P6.3/A32P6.4/A43P6.5/A54P6.6/A65P6.7/A76NC7XIN8XOU

57、T/TCLK9NC10NC11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P1.4/SMCLK16P5.5/SMCLK49P5.6/ACLK50P5.7/TBoutH51XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI55TMS56TCK57RST/NMI58P6.059P6.160P6.261AVss62DVss63AVcc64U1MSP430F149VCCGNDOUTSensor1VCCGNDOUTSensor2VCCGNDOUTSensor3VCCGNDOUTSensor4VCCGNDOUTSensor5VCCGNDOUTSensor6VCC

58、GNDOUTSensor7三三三三三VCC_3.3V1234567P5P3.0P3.1P3.2P3.3P6.0P6.1P6.2MS P430F149三三三三三三三三三三三三图 2-9 MSP430F149 总体方案电路图 . . . 16 / 1062.4.3 下位机串行通讯电路设计在本设计中，使用了 MSP430F149 其中的两路串行通讯功能，第一路主要用于MSP430F149 与上位机 TMS320DM642 的通讯，主要接收来自上位机的番茄果实的三维坐标信息并用于为采摘机械手对果实的精确定位和抓取；第二路主要用于控制采摘机械手上的两个舵机，以便实现采摘机械手对果实的抓取和采摘。在本设计

59、中，我们选用了 MAX3232 芯片作为 MSP430F149 的串行通讯芯片，MAX3232芯片具有两路接收器和两路驱动器，也就是可以同时接受两路数据，同时可以发送两路数据。另外，它还提供了 1uA 的关断模式，有效地降低了系统的功耗。MAX232 串行通讯电路图如图 2-10 所示。UART_TXD0UART_TXD1UART_RXD0UART_RXD1VDD3.3V594837261VB1SUB-D 9594837261VB2SUB-D 9C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6DOUT27RIN28ROUT29DIN210DIN111ROUT112RIN113DOUT114GND1

60、5VCC16U8MAX3232104C35104C37104C36104C38104C39图 2-10 MAX232 串行通讯电路图2.4.444 矩阵键盘电路设计在本设计的初期，当番茄采摘机器人处于死区或者番茄机器人因为某些故障而发生停止或失控行为时，为了实现对三维滑台、采摘机械手等的手动调整，也为后期工作人员操作提供方便，我们设计了 44 矩阵键盘。这样系统不仅可以通过自动控制，而且具有手动微调等功能，提高了系统的实用性和安全性。本设计中的 44 矩阵键盘电路图设计如图 2-11 所示。 . . . 17 / 10612345678P1S1S4S7S10S2S5S8S11S3S6S9S12