基于树莓派和STM32F746的智能多功能农业机器人开发

一、项目名称：

基于树莓派和stm32f746的智能多功能农业机器人开发

二、项目概述：

随着技术的不断进步和发展，农业机器人逐渐经历了从机械自动化到人工智能、机器视觉等新技术加持的转变。人工智能（Artificial Intelligence，AI）作为一种应用于农业领域的新兴技术，正逐渐改变着传统农业的面貌。智能农机作为人工智能在农业中的代表之一，在高效种植施肥和精确农药喷洒方面发挥着重要作用。

基于树莓派和stm32f746的智能多功能农业机器人系统，可以实现手动遥控和自主导航。完全无人作业。

本系统主要包括以树莓派4B为AI中枢，以stm32f746 discovery开发板为核心、48V转5V 5A电源模块、4G /WIFI模块、3D激光雷达、电机驱动模块，RTK高精度查分定位系统单元，2.4G无线遥控器等设备组成。

遥控器主要由按键、指示灯、显示屏等组成。 按键包括前进、后退、左转、右转、启动喷药、停止喷药等，通过无线通讯将指令传输给智能喷药车，实现车辆的主动遥控。 指示灯用于显示遥控器和智能喷药车的状态，如电量、工作状态、通讯状态等。stm32f746 discovery开发板显示屏用于显示智能喷药车的实时位置、运动状态、喷药状态等信息，方便农业管理人员对机器人的管理和监控。

智能喷药车通过树莓派实现喷药控制、定位等功能，遥控器通过按键、指示灯等方式实现对喷药车的遥控和监测。 智能喷药车由底盘、行驶控制系统、喷药控制系统、运动传感器、GNSS差分定位等组成。

系统的软件设计主要包括ROS系统Slam算法为核心，以FreeRTOS实时操作系统在单片机为执行器。树莓派与单片机数据传输的通讯调试、千寻阿里云物联网实现高精度差分定位和4G /WIFI模块在单片机上的接入以及树莓派上位机控制软件的实现。

通过利用深度学习算法实现障碍我的识别与定位，将RTK 信息以及农业机器人的状态使用物联网技术传输到云端，实现喷药车位置点的采集、路径的编辑/下发、模式切换、导航控制功能。

三、作品实物图

系统架构图：

实物图：

部件：

基于树莓派和stm32f746的智能多功能农业机器人开发系统主要由3个部分组成:

①环境感知。涉及多种传感器,包括土壤、烟感器、测距和温度检测传感器等,在巡检过程中实现对无人环境感知实时监测。

②执行机构。为了方便后期的机器人维护,上层控制器部分与底层执行机构部分采用模块化设计,执行机构部分采用 STM32F7作为底层处理器,通过4路PWM实现机器人底层电机的驱动。针对环境感知系统中存在的导航、传感器数据复杂和信息量较大等问题,上层控制器的处理器采用树莓派作为主控。

③控制系统：需要给树莓派的SD卡里烧录系统镜像。相关配置如下：

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

仿真系统：基于开源机器人操作系统ROS melodic，上位机采用ROS melodic，基于Rviz完成全向移动底盘小车slam导航运动规划，采用gazebo完成全向移动底盘小车物理运动仿真；下位机采用基于FreertOS STM32F76实现对全向移动底盘运动的控制。

STM32H7采集传感器将检测到的数据通过IIC协议的方式传递给树莓派,执行机构部分与树莓派之间、导航RTK与树莓派之间采用 USB 通信方式,为了方便管理者在后端管理**查看机器人的位置和无人化仓库的情况,机器人**与终端采用无线的方式实现通信。

为了能够让机器人按照一定的路径进行农业作业,需规划出机器人从此刻位置到某一位置的移动路径,使得机器人从当前位姿到达目标位姿。移动机器人的速度与位置、位姿存在紧密联系,要对机器人进行控制,需要对其位姿进行准确表达。

首先建立搭建ROS开发环境，进行Slam导航算法，找到合适的坐标系,对主要信息量进行表达,然后分析各坐标系之间存在的位置关系,最后确定速度与位姿之间的数学关系表达式。

VSLAM则主要用摄像头来实现，主要分为单目、双目、单目结构光、双目结构光、ToF几大类。核心都是获取RGB和depth map(深度信息)。

STM32与树莓派交互关键代码

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

/********************************************************
            串口发送接收相关常量、变量、共用体对象
********************************************************/
const unsigned char ender[2] = { 0x0d, 0x0a };
const unsigned char header[2] = { 0x55, 0xaa };

serial::Serial sp;//创建一个serial对象

//发送左右轮速控制速度共用体
union sendData
{
    short d;
    unsigned char data[2];
}leftVelSet, rightVelSet;

//接收数据（左轮速、右轮速、角度）共用体（-32767 - +32768）
union receiveData
{
    short d;
    unsigned char data[2];
}leftVelNow, rightVelNow, angleNow;

/********************************************************
函数功能：串口参数初始化
入口参数：无
出口参数：无
作者：K.Fire
日期：2022.02.10
********************************************************/
void Serial_Init()
{
    
    serial::Timeout to = serial::Timeout::simpleTimeout(100);//创建timeout
        serial::parity_t pt = serial::parity_t::parity_none;//创建校验位为0位
        serial::bytesize_t bt = serial::bytesize_t::eightbits;//创建发送字节数为8位
        serial::flowcontrol_t ft = serial::flowcontrol_t::flowcontrol_none;//创建数据流控制，不使用
        serial::stopbits_t st = serial::stopbits_t::stopbits_one;//创建终止位为1位
    
    sp.setPort("/dev/ttyUSB0");//设置要打开的串口名称
    sp.setBaudrate(9600);//设置串口通信的波特率
    sp.setParity(pt);//设置校验位
    sp.setBytesize(bt);//设置发送字节数
    sp.setFlowcontrol(ft);//设置数据流控制
    sp.setStopbits(st);//设置终止位
    
    sp.setTimeout(to);//串口设置timeout

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


/********************************************************
函数功能：将对机器人的左右轮子控制速度，打包发送给下位机
入口参数：机器人线速度、角速度
出口参数：无
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 };//发送数组
    int i, length = 4;

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

    // 设置消息头
    for (i = 0; i < 2; i++)
        buf[i] = header[i];             //buf[0]  buf[1]

    //设置控制位
    buf[2] = CtrlCmd;                   //buf[2]

    //设置数据长度
    buf[3] = length;                     //buf[3]

    // 设置机器人左右轮速度
    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]
    }

    // 设置校验值、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]

    // 通过串口下发数据
    sp.write(buf, 11);
}


/********************************************************
函数功能：读取下位机数据，左右轮速度值、航向角、控制信息
入口参数：左右轮速度值、航向角、控制信息
出口参数：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;//信息长度

    size_t Receive_N = sp.available();//获取缓冲区内的字节数
    if (n != 0)
    {
        n = sp.read(buf, n);//读出数据

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

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

        //读取数据长度
        length = buf[3];    //buf[3]

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

        // 读取速度值和航向角
        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;
    }

}


/********************************************************
函数功能：获得8位循环冗余校验值
入口参数：数组地址、长度
出口参数：校验值
********************************************************/
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");//节点初始化
        ros::NodeHandle n;//创建节点句柄
        
        ros::Rate loop_rate(10);
        
        //串口初始化
        Serial_Init();
        
        while(ros::ok())
        {
                //发送数据
                SendSTM32(testSend1,testSend2,testSend3);
                //接收数据
                ReceiveSTM32(testRece1,testRece2,testRece3,testRece4);
                //打印数据
                ROS_INFO("Receive Data is: %f,%f,%f,%dn",testRece1,testRece2,testRece3,testRece4);
                
                ros::spinOnce();
                loop_rate.sleep();
        }
        return 0;
}

RTK 载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。一般包含流动站 (移动站) 和基准站 (基站) 。本系统中RTK定位采用千寻定位， 参考的也是千寻CORS基站的坐标，所以需要先登入千寻cors账号。

RTK接入ROS系统，nmea_navsat_driver是一套用于获取并解析GPS数据的ROS驱动包，使用Python语言实现。GPS设备使用此包的条件是：遵守或者兼容NMEA0183协议。

本次设计结合摄像头激光雷达和RTK实现融合定位，真正做到厘米级别，属于国际领先。

喷嘴可以用来喷洒农药也可以进行环境消毒，也可以进行施肥作业，真正做到一机多用。

四、演示视频

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、项目文档

ROS串口程序.zip (7.13 KB)

基于树莓派和stm32f746的智能多功能农业机器人开发.zip (4.67 MB)