采摘機(jī)器人智能監(jiān)控和路徑規(guī)劃設(shè)計研究

吳　芳，汪小志

(1. 江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌　330038；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.武漢理工大學(xué)，武漢　430070)

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采摘機(jī)器人智能監(jiān)控和路徑規(guī)劃設(shè)計研究

吳芳1，汪小志2,3

(1. 江西工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌330038；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.武漢理工大學(xué)，武漢430070)

摘要：為了提高采摘機(jī)器人自主導(dǎo)航和自動化定位能力，提升機(jī)器視覺的路徑規(guī)劃精度，基于TI公司的MSP430F149單片機(jī)，設(shè)計了一款具有監(jiān)控終端和GPS導(dǎo)航功能的自動采摘機(jī)器人，實現(xiàn)了機(jī)器人路徑規(guī)劃實時處理、通訊、定位、報警一體化和自動化控制功能。通過測試發(fā)現(xiàn)，MSP430F149 單片機(jī)具有功耗低、體積小、操作簡單，便于系統(tǒng)管理維護(hù)等優(yōu)點。對機(jī)器人5種路徑規(guī)劃的總體行駛精度路、徑規(guī)劃的移動時間利用率、路徑規(guī)劃的漏采率進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：5種路徑規(guī)劃中套行法的各種指標(biāo)測試效果最好。同時，結(jié)合MSP430F149單片機(jī)和PID算法，實現(xiàn)了采摘機(jī)器人高效自動化采摘功能，提高了機(jī)器人的采摘精度，為采摘機(jī)器人的智能化設(shè)計提供了較有價值的參考。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；智能監(jiān)控；路徑規(guī)劃；自主導(dǎo)航

0引言

智能監(jiān)控系統(tǒng)融和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、無線通訊技術(shù)(GPRS) 和地理信息系統(tǒng)(GIS)等高科技系統(tǒng)，可以通過處理和分析GPS數(shù)據(jù)，將車輛的各種移動動態(tài)數(shù)據(jù)，包括經(jīng)度、緯度、高度、時間、速度、車輛行駛記錄等及各種報警信息實時通過GPRS無線通信傳輸給單片機(jī)或者監(jiān)控中心。單片機(jī)或者監(jiān)控中心把得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理后，可以得到被監(jiān)控終端的各種行駛軌跡等具體參數(shù)，供用戶進(jìn)行監(jiān)控和查詢。單片機(jī)或者監(jiān)控中心可以根據(jù)參數(shù)發(fā)出控制指令，通過機(jī)器人控制終端執(zhí)行動作，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的實時交互功能。本文將這種原理應(yīng)用到了采摘機(jī)器人的設(shè)計過程中，以期提高采摘機(jī)器人的自動導(dǎo)航和定位功能，從而提高果蔬采摘的效率和精度。

1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體設(shè)計分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個部分，其控制核心是MSP430f149單片機(jī)，除此之外還包括供電模塊、通訊串口接口模塊、無線自主導(dǎo)航模塊、報警器模塊、速度傳感器、位移傳感器、電機(jī)模塊和監(jiān)控終端模塊等。其中，下位機(jī)部分主要是MSP430f149單片機(jī)作為核心控制部件，電機(jī)和監(jiān)控終端可以通過上位機(jī)進(jìn)行操作，也可以通過無線遙控進(jìn)行。傳感器將采集得到的速度和溫度數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，并且當(dāng)速度和位移超過預(yù)定設(shè)置時可以發(fā)出報警。上位機(jī)的控制界面采用delphi軟件編寫，利用spcomm控件來實現(xiàn)上下位機(jī)的通訊，其總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖1中，監(jiān)控終端系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心和機(jī)器人移動終端組成，車載移動終端通過GPRS 無線通訊網(wǎng)絡(luò)以Internet同單片機(jī)處理中心連接在一起，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2　機(jī)器人監(jiān)控終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采摘機(jī)器人通過監(jiān)控系統(tǒng)終端得到的新型安裝自定義傳輸?shù)母袷竭M(jìn)行封裝，將數(shù)據(jù)傳遞給移動終端GPRS通信模塊，GPRS將數(shù)據(jù)通過無線Internet發(fā)送到中國移動GPRS 數(shù)據(jù)平臺；再由GPRS平臺經(jīng)由有線Internet上傳至監(jiān)控中心，并利用單片機(jī)處理中心發(fā)出路徑規(guī)劃指令，其基本功能設(shè)計如圖3所示。

圖3　采摘機(jī)器人功能設(shè)計

采摘機(jī)器人的主要功能設(shè)計分為3部分，包括獲取地塊信息、規(guī)劃路徑和路基跟蹤。采摘機(jī)器人在獲取地塊信息后可以生產(chǎn)矢量化電子地圖，并利用GPS采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃和路徑跟蹤，最后存取路徑數(shù)據(jù)。

2監(jiān)控終端和PID路徑控制系統(tǒng)設(shè)計

采摘機(jī)器人的監(jiān)控終端和車載機(jī)器視覺終端的原理結(jié)構(gòu)一樣，主要由4部分組成，核心部分是GPS系統(tǒng)和CPU處理器；通信模塊由GPRS組成；人機(jī)接口系統(tǒng)主要包括LCD、鍵盤、語音，其總體框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，通信模塊由GPS接收模塊和GSM/GPRS通信模塊組成，機(jī)器人位移的驅(qū)動電路選用IR公司的芯片IR2110，如圖5所示。

機(jī)器人移動位移控制的電路原理圖和用分立元件搭建的驅(qū)動電路相比較，該電路原理簡單，可以驅(qū)動橋臂上的上下兩個功率，可靠性高。為了提高規(guī)劃路徑控制的精度，需要對位移控制電流進(jìn)行采樣，通過采樣值進(jìn)行反饋。采樣電路如圖6所示。

圖4　采摘機(jī)器人路徑規(guī)劃硬件系統(tǒng)總體框架

圖5　機(jī)器人移動位移驅(qū)動電路

圖6　反饋采樣電路及峰值檢測電路

采摘機(jī)器人位移反饋信號利用電壓跟隨器和穩(wěn)壓管，既可以采集反饋信號，也可以保護(hù)單片機(jī)的采集口，反饋信號對系統(tǒng)的條件使用PID調(diào)節(jié)。

對于機(jī)器人移動路徑反饋調(diào)節(jié)的PID使用位置型PID，參數(shù)整定方法選用Z-N整定法，位移采用Simulink環(huán)境下PID參數(shù)的穩(wěn)定邊界法進(jìn)行整定。對于指定路徑后的采摘機(jī)器人運動系統(tǒng)的狀態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)加入PID控制器后，可以得到如圖7所示的系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)圖。

圖7　加入PID后位置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中，R(s)、C(s)分別表示輸入量和輸出量；E(s)表示控制誤差；F(s)表示位移調(diào)節(jié)函數(shù)。對于系統(tǒng)中的積分環(huán)節(jié)，可以使用Z-N規(guī)則的第2種方法來整定參數(shù)，假設(shè)Ti=∞，Td=0，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以寫成

(1)

其中，mc表示機(jī)器人的本體質(zhì)量；ml表示機(jī)械手的質(zhì)量；μ表示摩擦因數(shù)；s表示位移；l表示機(jī)械手長度，則相應(yīng)的閉環(huán)特征方程為

mcls4+μls3+(mc+ml)gs2+μgs+Kp=0

(2)

令s=jω，則式(2)變?yōu)?/p>

mclω4-(mc+ml)gω2+Kp+jμω(g-lω2)=0

(3)

于是得到方程組

(4)

解之得

(5)

參數(shù)整定后的位置PID傳遞函數(shù)為

(6)

通過傳遞函數(shù)可以對位移進(jìn)行較高精度的控制，利用MSP430F149智能監(jiān)控終端反饋的誤差值作為反饋調(diào)節(jié)數(shù)值，對輸入值可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，從而得到期望的輸出值。

3采摘機(jī)器人智能路徑規(guī)劃測試

為了測試本文設(shè)計的MSP430F149機(jī)器人智能監(jiān)控終端和機(jī)器人路徑規(guī)劃的有效性和可靠性，對機(jī)器人的果蔬采摘和路徑規(guī)劃能力進(jìn)行了測試。其中，果蔬采摘對象選擇為番茄，其采摘過程如圖8所示。

機(jī)器人番茄采摘的路徑通過實時規(guī)劃來實現(xiàn)，路徑跟蹤模塊采用實時控制的方式，使用一個Timer函數(shù)來控制。數(shù)據(jù)采集過程中，采集數(shù)據(jù)間隔時間為1s，Timer函數(shù)間隔也為1s，通過數(shù)據(jù)采集得到了如圖9所示的路徑跟蹤模型示意圖。

圖8　機(jī)器人番茄采摘過程

圖9　路徑實時跟蹤示意圖

根據(jù)得到的路徑實時跟蹤圖形狀特點，運用離心行走法、向心行走法、梭行法、套行法以及繞行法得到這5種路徑行駛方法方案圖，其規(guī)劃示意圖如圖10所示。

圖10　5種路徑規(guī)劃示意圖

為了測試采摘機(jī)器人智能規(guī)劃的效果，對機(jī)器人的行駛精度進(jìn)行了計算。行駛精度一般是指實際行駛和預(yù)定行駛之間的誤差，一般取偏差平均值、偏差標(biāo)準(zhǔn)差和最大偏差來衡量。經(jīng)計算，5種路徑規(guī)劃的行駛精度如表1所示。

表1　5種路徑規(guī)劃的總體行駛精度

由表1可以看出:不同行走方案的行駛精度有所不同：繞行法的行駛誤差最大，套行法的誤差最??；采摘機(jī)器人在直線行走時，精度較高，而在轉(zhuǎn)彎時偏差較大。5路徑規(guī)劃的移動時利用率如表2所示。

表2　5路徑規(guī)劃的移動時間利用率

由表2可以看出：不同的行走方案的機(jī)器人移動時間利用率有所不同，繞行法的移動時間利用率最低；而套行法的移動時間利用率最高，最高利用率達(dá)到了96.95%，采摘效率較高。5路徑規(guī)劃的漏采率測試如表3所示。

表3　5路徑規(guī)劃的漏采率測試

由表3可以看出：不同的行走方案的機(jī)器人的果實漏采率有所不同，繞行法的漏采率最高，而套行法的漏采率較低。綜合上述，在機(jī)器人采摘智能路徑規(guī)劃過程中，使用套行法作為路徑規(guī)劃的效果最好，可以使用該方法作為智能路徑規(guī)劃的方法，結(jié)合MSP430F149監(jiān)控終端的誤差調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)路徑的高精度控制，提高機(jī)器人采摘的質(zhì)量。

4結(jié)論

基于TI公司的MSP430F149單片機(jī)，結(jié)合位置型PID的自動化控制功能，設(shè)計了一款新的具有自主導(dǎo)航和定位能力的自動化采摘機(jī)器人，并通過調(diào)試，實現(xiàn)了機(jī)器人路徑規(guī)劃實時處理、通訊、定位、報警一體化和自動化控制功能。

對機(jī)器人路徑規(guī)劃的功能進(jìn)行了測試，測試項目主要包括機(jī)器人總體行駛精度路、徑規(guī)劃的移動時間利用率及路徑規(guī)劃的漏采率。通過測試發(fā)現(xiàn)：機(jī)器人對于5種路徑規(guī)劃的測試結(jié)果有所不同，套行法在3項測試指標(biāo)中測試結(jié)果最好。因此，可以利用套行法作為機(jī)器人路徑規(guī)劃的方法，結(jié)合PID反饋調(diào)節(jié)功能，提高機(jī)器人路徑規(guī)劃的精度。

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Design of Intelligent Monitoring and Path Planning in Picking Robot

Wu Fang1, Wang Xiaozhi2,3

(1.Jiangxi Vocational Technical College of Industry Trade, Nanchang 330038, China;2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China;3.Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

Abstract：In order to improve the picking robot autonomous navigation and automatic positioning capability and improve the accuracy of path planning for the machine vision, based on MSP430F149 of TI company,it designs a function automatic picking robot with the monitoring terminal and GPS navigation, the robot path planning in real-time processing, communication, location and alarm integration and automation control function.Through the test, the MSP430F149 micro controller has the advantages of low power consumption, small size, simple operation, and easy to maintain the system management and maintenance.5 robot path planning for the overall running accuracy and path planning of mobile time utilization, path planning leakage recovery rate were tested, it was found by test that five kinds of path planning method for various index to test the effect best, combined with MSP430F149 MCU and PID algorithm, to realize picking robot, automatic picking function, which can improve the robot's picking accuracy and provides a valuable reference for the picking robot intelligent design.

Key words：picking robot; intelligent monitoring; path planning; autonomous navigation

文章編號：1003-188X(2016)07-0040-05

中圖分類號：S225;TP399

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：吳芳(1982- )，女，南昌人，講師，碩士。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail) wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFC1079);湖北省自然科學(xué)基金計劃面上項目(2013CFB418)

收稿日期：2015-06-16