如何使用DonkeyCar平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)自主機(jī)器人

受到Plantvillage.psu.edu和iita.org工作的啟發(fā)，我們希望使用DonkeyCar平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)自主機(jī)器人。

該機(jī)器人可以在農(nóng)場(chǎng)環(huán)境中移動(dòng)而不會(huì)損壞現(xiàn)有植物或土壤，并使用物體檢測(cè)來查找和標(biāo)記病害作物具有環(huán)保色彩。傳統(tǒng)上，在大多數(shù)高科技案例中，我們都必須使用手機(jī)手動(dòng)檢查大型農(nóng)場(chǎng)以標(biāo)記農(nóng)作物，這會(huì)花費(fèi)我們大量的時(shí)間和精力。此外，使用的各種手機(jī)不一定具備高效完成任務(wù)所需的所有功能，或者他們必須等待擁有合適設(shè)備的人。圍繞農(nóng)場(chǎng)運(yùn)行的統(tǒng)一機(jī)器人平臺(tái)將解決這些問題并使標(biāo)記速度更快。速度還可以更輕松地在多個(gè)農(nóng)場(chǎng)之間共享平臺(tái)。

挑戰(zhàn)：

保持機(jī)器人的尺寸/重量足夠小，以免損壞作物本身。

在不損壞現(xiàn)有作物的情況下導(dǎo)航。

尋找一種安全標(biāo)記患病作物的方法。

尋找一個(gè)數(shù)據(jù)集和農(nóng)場(chǎng)來測(cè)試平臺(tái)

背景：

除了在方法、技術(shù)、時(shí)間安排等方面找到共同點(diǎn)之外，我們還必須制定一個(gè)包含會(huì)議時(shí)間表、存儲(chǔ)庫(kù)、會(huì)議技術(shù)等的框架。從本質(zhì)上講，專業(yè)項(xiàng)目的所有組成部分都必須到位，除了沒有報(bào)酬。我們沒有預(yù)算，不過這不是問題，因?yàn)槲覀冇泄餐脑妇昂蛨?zhí)行意愿。在這段時(shí)間，我們都度過了愉快的時(shí)光，這是一次了不起的學(xué)習(xí)經(jīng)歷。

構(gòu)建機(jī)器人：

底盤、自主導(dǎo)航和圖像分類的工作立即開始，進(jìn)展順利。但我們遇到了與底盤和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的重大意外挑戰(zhàn)和延誤。

簡(jiǎn)而言之，我們沒有預(yù)料到測(cè)試溫室之間會(huì)出現(xiàn)如此多變的地形，在場(chǎng)景A中表現(xiàn)良好的電機(jī)、輪子、接線、控制等在場(chǎng)景B中不堪重負(fù)。我們通過大量的mod撥入了一個(gè)適用于我們所有環(huán)境的工作機(jī)箱。所以我們不得不做出大量時(shí)間和預(yù)算限制，但最終產(chǎn)品超出了我們最初的最小可行配置目標(biāo)。提交時(shí)的最終設(shè)計(jì)如下所述。

相機(jī)桿：

為了能夠觀察凸起的植物床，并可能升級(jí)到可以觀察番茄植物頂部和底部的移動(dòng)攝像頭，我們使用從車庫(kù)出售的碳纖維桿建造了一個(gè)攝像桿。該桿裝有2個(gè)3D打印夾具，用于導(dǎo)航和分類攝像頭。我們還在桿子上添加了1.2v太陽(yáng)能照明，以及在泳池頂部添加了12v多色狀態(tài)燈。是的，那是一個(gè)在桿子頂部涂成黑色的重新利用的藥丸容器。最終效果非常好！

這些相機(jī)是連接到兩個(gè)由USB充電器供電的不同Pi上的RaspberryPi相機(jī)。使用2Pi的原因是分類和導(dǎo)航都使用需要大量處理能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，分類攝像頭必須指向植物，而導(dǎo)航攝像頭必須指向前方。桿子的頂部也必須有燈作為指示器。在尋找足夠亮的RGB燈時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它們要花費(fèi)100美元以上，所以我們使用揚(yáng)聲器的燈、一個(gè)用于反射的小塑料袋并裝在一個(gè)空藥瓶中制作了自己的燈。因?yàn)闊粜枰?2伏我們的Arduino輸出為5伏，我們將其連接到繼電器。連接需要與Arduino和3根電線共同接地，我們?cè)贏rduino的引腳7、8和11上放置的綠色和藍(lán)色燈。我們可以通過使用analogWrite函數(shù)為所有三根線提供不同的值來模擬這些燈的RGB光譜。請(qǐng)注意，為了正確著色，所有三個(gè)都需要寫入，否則之前在任何一個(gè)引腳上寫入的顏色可能會(huì)顯示出意想不到的結(jié)果。

機(jī)殼：

我們?cè)赟toneCoop和GrowingHope農(nóng)場(chǎng)對(duì)帶有輪子和履帶的塑料底盤進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明是不成功的，這兩種選擇都將挖入有利于植物的沙地。我們剝離了其中一個(gè)臨時(shí)底盤版本很多塑料齒輪在升級(jí)到金屬之前和處理更高電流的能力：

由于其強(qiáng)大的電機(jī)和大輪子，我們最終選擇了MountainArkSR13底盤，并按照以下說明進(jìn)行組裝。

我們對(duì)MountainArk進(jìn)行了修改，添加了一個(gè)平臺(tái)以將計(jì)算技術(shù)與電源分開，并通過定制涂漆的輕質(zhì)外殼和獨(dú)特的徽標(biāo)為Farmaid增添了一絲風(fēng)格。

組裝好底盤后，我們需要電機(jī)和電池為其供電。雖然底盤帶有電池盒，但我們決定使用12V鋰聚合物電池，因?yàn)槲覀円呀?jīng)有了可用的電池，并且已將其與舊底盤一起使用。電機(jī)使用接線盒連接到電池，以獲得更高的電流消耗。

我們最初使用的是我們擁有的普通L298電機(jī)控制器，但發(fā)現(xiàn)電流太低，無(wú)法為我們現(xiàn)在擁有的320RPM電機(jī)供電。因此，我們改用IBT-2電機(jī)控制器，這是另一個(gè)創(chuàng)客空間成員捐贈(zèng)的。IBT-2電機(jī)控制器的問題在于它們只能控制1個(gè)電機(jī)，所以我們必須連接其中的4個(gè)。

IBT-2的詳細(xì)信息可以在這里看到：http：//www.hessmer.org/blog/2013/12/28/ibt-2-h-bridge-with-arduino/為了節(jié)省布線空間，我們拼接了左右PWM線，接頭將左側(cè)電機(jī)和右側(cè)電機(jī)的L-PWM和R-PWM相互連接。

我們使用的另一種節(jié)省空間的技術(shù)是將所有電機(jī)的使能引腳直接連接到Arduino的5伏電壓。

在此之后，我們需要直接連接到Arduino的唯一電機(jī)部分是PWM引腳。在左側(cè)，我們將左側(cè)電機(jī)的R_PWM連接到Arduino上的6引腳，將L_PWM連接到5引腳。請(qǐng)注意，左側(cè)兩個(gè)控制器的R_PWM引腳和左側(cè)兩個(gè)控制器上的L_PWM是拼接的，因此向一個(gè)的正向命令將同時(shí)向前移動(dòng)，向一個(gè)反向命令將在左側(cè)的兩個(gè)輪子反轉(zhuǎn)。右側(cè)也進(jìn)行了同樣的拼接。右側(cè)的R_PWM連接到Arduino的9針，L_PWM連接到Arduino的10針。對(duì)于碰撞檢測(cè)，我們首先嘗試了我們小組成員中的一個(gè)Garmin激光雷達(dá)，但我們很難讓它工作，所以我們決定使用SR04超聲波傳感器。

我們還在后面添加了另一個(gè)傳感器，但由于使用定時(shí)器中斷的方式，我們無(wú)法在手動(dòng)控制機(jī)器人的同時(shí)使用它。請(qǐng)注意，我們制作了另一個(gè)Arduino例程，僅使用傳感器在障礙物之間移動(dòng)機(jī)器人，但這不符合行為克隆方法。

駕駛：

由于我們無(wú)法使用類似于驢車的底盤，因?yàn)樗鼰o(wú)法在我們給定的環(huán)境中行駛，因此我們必須編寫自己的駕駛代碼。為此，我們使用了兩個(gè)靈感，DonkeyCar自己的***rSentdex的一系列視頻。駕駛模型基于DonkeyCar，除了沒有回歸和均方誤差，我們使用分類來使用圖像在7個(gè)按鈕之間進(jìn)行分類。我們還將它轉(zhuǎn)換成一個(gè)全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使其更快，并與新的研究相一致。在測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)它不斷輸出一個(gè)按鈕，這與訓(xùn)練中我們?cè)趲讉€(gè)間隔后按下一個(gè)鍵不同。為了解決這個(gè)問題，我們后來在Arduino腳本中添加了一些代碼來輸出按鈕按下之間經(jīng)過的時(shí)間。

病株分類：

對(duì)于分類，我們使用MobileNetSSD模型，因?yàn)樗某叽缦鄬?duì)較小，而且它已經(jīng)有一種上傳到安卓應(yīng)用程序的方法。我們通過使用5-10秒的視頻獲取數(shù)據(jù)并創(chuàng)建了一個(gè)腳本來從這些視頻中提取圖像視頻。視頻本身被放置在以疾病和植物命名的文件夾中。我們確保在不同的條件和不同的地點(diǎn)拍攝這些視頻。整個(gè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集由大約2000張圖像組成。我們還制作了一個(gè)網(wǎng)站來展示分類的輸出以及溫室及其植物健康的整體地圖。該網(wǎng)站使用XML數(shù)據(jù)創(chuàng)建此網(wǎng)格。