基于樹莓派和STM32F746的智能多功能農(nóng)業(yè)機器人開發(fā)

一、項目名稱：

基于樹莓派和stm32f746的智能多功能農(nóng)業(yè)機器人開發(fā)

二、項目概述：

隨著技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人逐漸經(jīng)歷了從機械自動化到人工智能、機器視覺等新技術(shù)加持的轉(zhuǎn)變。人工智能（Artificial Intelligence，AI）作為一種應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新興技術(shù)，正逐漸改變著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的面貌。智能農(nóng)機作為人工智能在農(nóng)業(yè)中的代表之一，在高效種植施肥和精確農(nóng)藥噴灑方面發(fā)揮著重要作用。

基于樹莓派和stm32f746的智能多功能農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)，可以實現(xiàn)手動遙控和自主導(dǎo)航。完全無人作業(yè)。

本系統(tǒng)主要包括以樹莓派4B為AI中樞，以stm32f746 discovery開發(fā)板為核心、48V轉(zhuǎn)5V 5A電源模塊、4G /WIFI模塊、3D激光雷達、電機驅(qū)動模塊，RTK高精度查分定位系統(tǒng)單元，2.4G無線遙控器等設(shè)備組成。

遙控器主要由按鍵、指示燈、顯示屏等組成。 按鍵包括前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、啟動噴藥、停止噴藥等，通過無線通訊將指令傳輸給智能噴藥車，實現(xiàn)車輛的主動遙控。 指示燈用于顯示遙控器和智能噴藥車的狀態(tài)，如電量、工作狀態(tài)、通訊狀態(tài)等。stm32f746 discovery開發(fā)板顯示屏用于顯示智能噴藥車的實時位置、運動狀態(tài)、噴藥狀態(tài)等信息，方便農(nóng)業(yè)管理人員對機器人的管理和監(jiān)控。

智能噴藥車通過樹莓派實現(xiàn)噴藥控制、定位等功能，遙控器通過按鍵、指示燈等方式實現(xiàn)對噴藥車的遙控和監(jiān)測。 智能噴藥車由底盤、行駛控制系統(tǒng)、噴藥控制系統(tǒng)、運動傳感器、GNSS差分定位等組成。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括ROS系統(tǒng)Slam算法為核心，以FreeRTOS實時操作系統(tǒng)在單片機為執(zhí)行器。樹莓派與單片機數(shù)據(jù)傳輸的通訊調(diào)試、千尋阿里云物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)高精度差分定位和4G /WIFI模塊在單片機上的接入以及樹莓派上位機控制軟件的實現(xiàn)。

通過利用深度學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)障礙我的識別與定位，將RTK 信息以及農(nóng)業(yè)機器人的狀態(tài)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)噴藥車位置點的采集、路徑的編輯/下發(fā)、模式切換、導(dǎo)航控制功能。

三、作品實物圖

系統(tǒng)架構(gòu)圖：

實物圖：

部件：

基于樹莓派和stm32f746的智能多功能農(nóng)業(yè)機器人開發(fā)系統(tǒng)主要由3個部分組成:

①環(huán)境感知。涉及多種傳感器,包括土壤、煙感器、測距和溫度檢測傳感器等,在巡檢過程中實現(xiàn)對無人環(huán)境感知實時監(jiān)測。

②執(zhí)行機構(gòu)。為了方便后期的機器人維護,上層控制器部分與底層執(zhí)行機構(gòu)部分采用模塊化設(shè)計,執(zhí)行機構(gòu)部分采用 STM32F7作為底層處理器,通過4路PWM實現(xiàn)機器人底層電機的驅(qū)動。針對環(huán)境感知系統(tǒng)中存在的導(dǎo)航、傳感器數(shù)據(jù)復(fù)雜和信息量較大等問題,上層控制器的處理器采用樹莓派作為主控。

③控制系統(tǒng)：需要給樹莓派的SD卡里燒錄系統(tǒng)鏡像。相關(guān)配置如下：

操作系統(tǒng)：Ubuntu18.04系統(tǒng)，基于Debian GNU/Linux，支持x86、amd64（即x64）、ARM和ppc架構(gòu)。

仿真系統(tǒng)：基于開源機器人操作系統(tǒng)ROS melodic，上位機采用ROS melodic，基于Rviz完成全向移動底盤小車slam導(dǎo)航運動規(guī)劃，采用gazebo完成全向移動底盤小車物理運動仿真；下位機采用基于FreertOS STM32F76實現(xiàn)對全向移動底盤運動的控制。

STM32H7采集傳感器將檢測到的數(shù)據(jù)通過IIC協(xié)議的方式傳遞給樹莓派,執(zhí)行機構(gòu)部分與樹莓派之間、導(dǎo)航RTK與樹莓派之間采用 USB 通信方式,為了方便管理者在后端管理**查看機器人的位置和無人化倉庫的情況,機器人**與終端采用無線的方式實現(xiàn)通信。

為了能夠讓機器人按照一定的路徑進行農(nóng)業(yè)作業(yè),需規(guī)劃出機器人從此刻位置到某一位置的移動路徑,使得機器人從當前位姿到達目標位姿。移動機器人的速度與位置、位姿存在緊密聯(lián)系,要對機器人進行控制,需要對其位姿進行準確表達。

首先建立搭建ROS開發(fā)環(huán)境，進行Slam導(dǎo)航算法，找到合適的坐標系,對主要信息量進行表達,然后分析各坐標系之間存在的位置關(guān)系,最后確定速度與位姿之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式。

VSLAM則主要用攝像頭來實現(xiàn)，主要分為單目、雙目、單目結(jié)構(gòu)光、雙目結(jié)構(gòu)光、ToF幾大類。核心都是獲取RGB和depth map(深度信息)。

STM32與樹莓派交互關(guān)鍵代碼

#include <serial/serial.h>
#include "MbotRosSerial.h"
#include <iostream>

/********************************************************
            串口發(fā)送接收相關(guān)常量、變量、共用體對象
********************************************************/
const unsigned char ender[2] = { 0x0d, 0x0a };
const unsigned char header[2] = { 0x55, 0xaa };

serial::Serial sp;//創(chuàng)建一個serial對象

//發(fā)送左右輪速控制速度共用體
union sendData
{
    short d;
    unsigned char data[2];
}leftVelSet, rightVelSet;

//接收數(shù)據(jù)（左輪速、右輪速、角度）共用體（-32767 - +32768）
union receiveData
{
    short d;
    unsigned char data[2];
}leftVelNow, rightVelNow, angleNow;

/********************************************************
函數(shù)功能：串口參數(shù)初始化
入口參數(shù)：無
出口參數(shù)：無
作者：K.Fire
日期：2022.02.10
********************************************************/
void Serial_Init()
{
    
    serial::Timeout to = serial::Timeout::simpleTimeout(100);//創(chuàng)建timeout
        serial::parity_t pt = serial::parity_t::parity_none;//創(chuàng)建校驗位為0位
        serial::bytesize_t bt = serial::bytesize_t::eightbits;//創(chuàng)建發(fā)送字節(jié)數(shù)為8位
        serial::flowcontrol_t ft = serial::flowcontrol_t::flowcontrol_none;//創(chuàng)建數(shù)據(jù)流控制，不使用
        serial::stopbits_t st = serial::stopbits_t::stopbits_one;//創(chuàng)建終止位為1位
    
    sp.setPort("/dev/ttyUSB0");//設(shè)置要打開的串口名稱
    sp.setBaudrate(9600);//設(shè)置串口通信的波特率
    sp.setParity(pt);//設(shè)置校驗位
    sp.setBytesize(bt);//設(shè)置發(fā)送字節(jié)數(shù)
    sp.setFlowcontrol(ft);//設(shè)置數(shù)據(jù)流控制
    sp.setStopbits(st);//設(shè)置終止位
    
    sp.setTimeout(to);//串口設(shè)置timeout

    try
    {
        //打開串口
        sp.open();
    }
    catch (serial::IOException& e)
    {
        ROS_ERROR_STREAM("Unable to open port.");
        return;
    }
}


/********************************************************
函數(shù)功能：將對機器人的左右輪子控制速度，打包發(fā)送給下位機
入口參數(shù)：機器人線速度、角速度
出口參數(shù)：無
作者：K.Fire
日期：2022.02.10
********************************************************/
void SendSTM32(double Left_v, double Right_v, unsigned char CtrlCmd)
{
    unsigned char buf[11] = { 0 };//發(fā)送數(shù)組
    int i, length = 4;

    leftVelSet.d = Left_v;//mm/s
    rightVelSet.d = Right_v;

    // 設(shè)置消息頭
    for (i = 0; i < 2; i++)
        buf[i] = header[i];             //buf[0]  buf[1]

    //設(shè)置控制位
    buf[2] = CtrlCmd;                   //buf[2]

    //設(shè)置數(shù)據(jù)長度
    buf[3] = length;                     //buf[3]

    // 設(shè)置機器人左右輪速度
    for (i = 0; i < 2; i++)
    {
        buf[i + 4] = leftVelSet.data[i];  //buf[4] buf[5]
        buf[i + 6] = rightVelSet.data[i]; //buf[6] buf[7]
    }

    // 設(shè)置校驗值、消息尾
    buf[4 + length] = getCrc8(buf, 3 + length);//buf[8]
    buf[5 + length] = ender[0];     //buf[9]
    buf[6 + length] = ender[1];     //buf[10]

    // 通過串口下發(fā)數(shù)據(jù)
    sp.write(buf, 11);
}


/********************************************************
函數(shù)功能：讀取下位機數(shù)據(jù)，左右輪速度值、航向角、控制信息
入口參數(shù)：左右輪速度值、航向角、控制信息
出口參數(shù)：bool
作者：K.Fire
日期：2022.02.10
********************************************************/
bool ReceiveSTM32(double& Left_v, double& Right_v, double& Angle, unsigned char& CtrlCmd)
{
    char i, length = 0;
    unsigned char checkSum;
    unsigned char buf[150] = { 0 };
    int n;//信息長度

    size_t Receive_N = sp.available();//獲取緩沖區(qū)內(nèi)的字節(jié)數(shù)
    if (n != 0)
    {
        n = sp.read(buf, n);//讀出數(shù)據(jù)

        // 檢查信息頭
        if (buf[0] != header[0] || buf[1] != header[1])   //buf[0] buf[1]
        {
            ROS_ERROR("Received message header error!");
            return false;
        }

        //讀取控制位
        CtrlCmd = buf[2];    //buf[2]

        //讀取數(shù)據(jù)長度
        length = buf[3];    //buf[3]

        // 檢查信息校驗值
        checkSum = getCrc8(buf, 4 + length);             //buf[10] 計算得出
        if (checkSum != buf[4 + length])                 //buf[10] 串口接收
        {
            ROS_ERROR("Received data check sum error!");
            return false;
        }

        // 讀取速度值和航向角
        for (i = 0; i < 2; i++)
        {
            leftVelNow.data[i] = buf[i + 4]; //buf[4] buf[5]
            rightVelNow.data[i] = buf[i + 6]; //buf[6] buf[7]
            angleNow.data[i] = buf[i + 8]; //buf[8] buf[9]
        }
        Left_v = leftVelNow.d;
        Right_v = rightVelNow.d;
        Angle = angleNow.d;

        return true;
    }

}


/********************************************************
函數(shù)功能：獲得8位循環(huán)冗余校驗值
入口參數(shù)：數(shù)組地址、長度
出口參數(shù)：校驗值
********************************************************/
unsigned char getCrc8(unsigned char* ptr, unsigned short len)
{
    unsigned char crc;
    unsigned char i;
    crc = 0;
    while (len--)
    {
        crc ^= *ptr++;
        for (i = 0; i < 8; i++)
        {
            if (crc & 0x01)
                crc = (crc >> 1) ^ 0x8C;
            else
                crc >>= 1;
        }
    }
    return crc;
}

#include "ros/ros.h"
#include "std_msgs/String.h"
#include "MbotRosSerial.h"

//test send value
double testSend1=5555.0;
double testSend2=2222.0;
unsigned char testSend3=0x07;

//test receive value
double testRece1=0.0;
double testRece2=0.0;
double testRece3=0.0;
unsigned char testRece4=0x00;

int main(int argc,char **argv)
{
        ros::init(argc,argv,"serial_test");//節(jié)點初始化
        ros::NodeHandle n;//創(chuàng)建節(jié)點句柄
        
        ros::Rate loop_rate(10);
        
        //串口初始化
        Serial_Init();
        
        while(ros::ok())
        {
                //發(fā)送數(shù)據(jù)
                SendSTM32(testSend1,testSend2,testSend3);
                //接收數(shù)據(jù)
                ReceiveSTM32(testRece1,testRece2,testRece3,testRece4);
                //打印數(shù)據(jù)
                ROS_INFO("Receive Data is: %f,%f,%f,%dn",testRece1,testRece2,testRece3,testRece4);
                
                ros::spinOnce();
                loop_rate.sleep();
        }
        return 0;
}

RTK 載波相位差分技術(shù)，是實時處理兩個測量站載波相位觀測量的差分方法，將基準站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機，進行求差解算坐標。一般包含流動站 (移動站) 和基準站 (基站) 。本系統(tǒng)中RTK定位采用千尋定位， 參考的也是千尋CORS基站的坐標，所以需要先登入千尋cors賬號。

RTK接入ROS系統(tǒng)，nmea_navsat_driver是一套用于獲取并解析GPS數(shù)據(jù)的ROS驅(qū)動包，使用Python語言實現(xiàn)。GPS設(shè)備使用此包的條件是：遵守或者兼容NMEA0183協(xié)議。

本次設(shè)計結(jié)合攝像頭激光雷達和RTK實現(xiàn)融合定位，真正做到厘米級別，屬于國際領(lǐng)先。

噴嘴可以用來噴灑農(nóng)藥也可以進行環(huán)境消毒，也可以進行施肥作業(yè)，真正做到一機多用。

四、演示視頻

https://www.bilibili.com/video/BV1uA4m1j7pM/?buvid=XY75B537C416E17A953A00A33EDB883CA28EB&is_story_h5=false&mid=Pw2Hq3t6IhfKj%2FPD%2Bao96g%3D%3D&plat_id=147&share_from=ugc&share_medium=android&share_plat=android&share_session_id=06897bb8-6ae8-4efd-99e7-41f15d1b701d&share_source=WEIXIN&share_tag=s_i&timestamp=1706692332&unique_k=Km1lrk3&up_id=526937168

五、項目文檔

ROS串口程序.zip (7.13 KB)

基于樹莓派和stm32f746的智能多功能農(nóng)業(yè)機器人開發(fā).zip (4.67 MB)