水果采摘機(jī)器人智能移動(dòng)平臺的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

董　芒， 顧寶興， 姬長英， 張慶怡， 查啟明

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

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水果采摘機(jī)器人智能移動(dòng)平臺的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

董芒， 顧寶興， 姬長英， 張慶怡， 查啟明

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院， 江蘇 南京 210031)

摘要：【目的】基于三自由度水果采摘機(jī)械臂，設(shè)計(jì)一種輪式智能移動(dòng)平臺?！痉椒ā扛鶕?jù)農(nóng)田工作環(huán)境，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和防撞梁機(jī)構(gòu)；借助ANSYS對車架在3種工況下的變形情況進(jìn)行仿真分析；使用Simulink模塊對車載電機(jī)進(jìn)行了基于最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制(MPTA)以及ID=0模式下的仿真；使用VC++語言編寫了運(yùn)動(dòng)控制程序，開發(fā)人機(jī)交互界面；在南京市江浦農(nóng)場進(jìn)行樣機(jī)行走試驗(yàn)?！窘Y(jié)果】彎扭工況下車架變形量最大為14.1 mm，應(yīng)力值小于材料屈服極限；基于MPTA控制下的電機(jī)約0.8 ms達(dá)到穩(wěn)定；該平臺最大爬坡角度約為10°，1.5 m·s-1行進(jìn)時(shí)跟蹤路徑的橫向偏差約為0.22 m。【結(jié)論】該移動(dòng)平臺結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度和剛度較高，運(yùn)動(dòng)精度高，符合實(shí)際工作要求。

關(guān)鍵詞：水果采摘機(jī)器人；智能移動(dòng)平臺；ANSYS；有限元分析；直線追蹤試驗(yàn)

我國水果生產(chǎn)總量逐年增加，預(yù)計(jì)2016年將達(dá)到2.7億t[1]。水果采摘在生產(chǎn)中耗時(shí)費(fèi)力，需投入整個(gè)生產(chǎn)過程40%的勞動(dòng)力。為降低水果采摘成本、減少對勞動(dòng)力的依賴、提高采摘效率，智能采摘機(jī)器人的研究成為熱點(diǎn)[2]。移動(dòng)平臺是農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，是采摘機(jī)器人研制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，決定著農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和控制的復(fù)雜性[3]。國內(nèi)外針對移動(dòng)平臺的研究較多[4- 6]。比利時(shí)的Beaten等[7]研制的蘋果采摘機(jī)器人的整個(gè)采摘機(jī)械臂及其控制系統(tǒng)安裝在拖拉機(jī)后端，并設(shè)計(jì)提升裝置可上下移動(dòng)機(jī)械臂，但機(jī)器人體積較大，作業(yè)靈活性較差。對農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究主要側(cè)重于機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)及機(jī)械手的機(jī)構(gòu)與控制以及機(jī)器人本體在三維空間中的連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)[8]，有些研究[9-10]是在拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備上開發(fā)導(dǎo)航控制系統(tǒng)和變量輸入控制系統(tǒng)，其操作較為復(fù)雜，在農(nóng)田環(huán)境中的適應(yīng)性較差。因此開發(fā)一款結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、經(jīng)濟(jì)性好，符合農(nóng)田環(huán)境實(shí)際要求的移動(dòng)平臺，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、智能化、信息化顯得頗為重要。

本文在對矮化標(biāo)準(zhǔn)蘋果園實(shí)地調(diào)研后，結(jié)合水果采摘的具體要求，設(shè)計(jì)一種輪式智能移動(dòng)平臺，該平臺搭載控制柜、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、水果分級裝置、GPS裝置等部件，合理布置各工作部件，使之互不干涉、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)、自主導(dǎo)航。

1結(jié)構(gòu)與主要部件

1.1總體結(jié)構(gòu)及要求

智能移動(dòng)平臺分為控制系統(tǒng)與機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)，其外觀設(shè)計(jì)如圖1所示，整車長2 500 mm，寬1 200 mm，離地600 mm。主要包括后橋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、前橋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、剎車裝置、水果收集機(jī)構(gòu)、控制柜、GPS裝置、防撞機(jī)構(gòu)、車架等，搭載三自由度機(jī)械臂、四手抓末端執(zhí)行器、水果分級裝置等部件?？刂葡到y(tǒng)主要由工控機(jī)、雙目攝像機(jī)、MP2100板卡、編碼器、光電開關(guān)等組成。

1：雙目攝像機(jī)；2：機(jī)械臂Y軸；3：機(jī)械臂X軸；4：末端執(zhí)行器；5：水果分級裝置；6：防撞梁；7：前橋；8；車架；9；果實(shí)收集盒；10：后橋；11：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；12：剎車裝置；13：控制柜；14：人機(jī)交互模塊。

圖1智能采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.1Structure of the intelligent mobile platform loaded with a fruit picking robot

要求結(jié)構(gòu)簡單，在田間地面環(huán)境通過性良好；機(jī)械臂、控制柜、水果分級裝置間不發(fā)生干涉；能順利通過8°左右的坡道；工作速度可保持0.5 m·s-1，最大速度1.5 m·s-1，加速度不小于0.2 m·s-2。

1.1.1三自由度機(jī)械臂目前，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人多選用工業(yè)關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，控制比較復(fù)雜，成本較高。本采摘機(jī)器人采用自行設(shè)計(jì)的三自由度機(jī)械臂[11]，包含1個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和2個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以垂直軸電機(jī)中心線和 X、Y 水平面相交的位置，定義為機(jī)器人坐標(biāo)軸水平面的0點(diǎn)，坐標(biāo)軸的方向符合右手法則。將垂直軸電機(jī)中心線上離機(jī)器人水平底座最下邊垂直距離為 823 mm的位置定義為 Z 軸的0點(diǎn)，TCP 點(diǎn)的定義坐標(biāo)為(-398，190，0)。

1.1.2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)農(nóng)田路面情況較為復(fù)雜，存在地面不平、土壤堅(jiān)實(shí)度不均、果樹平齊度較差等問題。機(jī)器人移動(dòng)平臺在導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)過程中，在行駛到坡度起伏較大或者果園死角的時(shí)候，單靠轉(zhuǎn)向電機(jī)較難按照設(shè)定的角度和路徑運(yùn)動(dòng)，從而影響了正常的采摘作業(yè)。本移動(dòng)平臺在電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型鉸軸轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)(圖2)。在原有的機(jī)械管柱上附加了轉(zhuǎn)向電機(jī)，出現(xiàn)電氣故障或者電動(dòng)轉(zhuǎn)向困難時(shí)，通過上位機(jī)關(guān)閉轉(zhuǎn)向電機(jī)，此時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)到原有的機(jī)械轉(zhuǎn)向狀態(tài)，使用方向盤控制前橋進(jìn)行轉(zhuǎn)向，從而有效地輔助機(jī)器人較快地度過轉(zhuǎn)向困難處，提高工作效率。在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上添加了扭矩傳感器，當(dāng)檢測到轉(zhuǎn)向扭矩異常時(shí)，將信號發(fā)送至上位機(jī)，執(zhí)行剎車命令。

1：方向盤；2：方向盤軸；3：套筒；4：換向器；5：聯(lián)軸器；6：扭矩傳感器；7：EPS管柱；8：減速機(jī)；9：電機(jī)。

圖2轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.2Structure of the steering system

1.1.3防撞系統(tǒng)采摘機(jī)器人在果園環(huán)境中工作，發(fā)生碰撞的幾率較大。碰撞是一個(gè)瞬時(shí)的復(fù)雜物理過程[12]，容易對移動(dòng)平臺上的機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、控制柜等部件產(chǎn)生沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。移動(dòng)平臺正面發(fā)生碰撞的概率最大，因此為移動(dòng)平臺前面設(shè)計(jì)了一套防撞梁系統(tǒng)(圖3)。其中，液壓緩沖器[13]最大吸收能量為40 J，最大撞擊速度為4 m·s-1；防撞梁前部橫梁采用厚度為1.0 mm的合金結(jié)構(gòu)鋼。3個(gè)同型號NPN常開光電開關(guān)，其檢測距離0～300 mm可調(diào)，響應(yīng)時(shí)間≤2 ms。光電開關(guān)與橫梁內(nèi)壁之間的距離X1、X2、X3以及光電開關(guān)的檢測距離Y1、Y2、Y3是該防撞系統(tǒng)的研究重點(diǎn)：檢測距離較小時(shí)，當(dāng)移動(dòng)平臺與一般樹枝碰撞時(shí)，會導(dǎo)致碰撞信號的誤報(bào)；而如果檢測距離過大發(fā)生碰撞時(shí)，留給上位機(jī)處理信號以及平臺制動(dòng)的時(shí)間縮短，安全保護(hù)效果不明顯。為確定最佳的檢測距離，設(shè)計(jì)了碰撞模擬試驗(yàn)，使用直徑為10、20、30、40 mm的樹枝以2 m·s-1的速度在橫梁左、中、右垂直碰撞，最終確定X1、X2、X3，Y1、Y2、Y3分別為120、95、95、90、80、80 mm。

1：支架；2：液壓緩沖器；3：緩沖彈簧；4：橫梁；5：吸能盒；6：光電開關(guān)。

圖3防撞測撞梁結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.3Structure of the anti-collision beam

1.2車架的有限元分析

移動(dòng)平臺在實(shí)際工作中行駛速度慢、加速度小、轉(zhuǎn)彎半徑大，因此無需考慮起步、轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等工況。本文重點(diǎn)選取純彎曲、彎扭聯(lián)合、采摘運(yùn)動(dòng)等工況進(jìn)行仿真分析，方法參照文獻(xiàn)[14]。ANSYS有限元分析之前對車架模型進(jìn)行簡化，具體規(guī)則為：省略非承載件，如車鉤、防撞梁等部件；去除非裝配孔；假設(shè)車架中焊接部位為理想焊接，焊接處材料與其他區(qū)域相同。

將簡化后的車架三維模型導(dǎo)入ANSYS 14.5中。車架材料選用Q235A，屈服極限為510 MPa，截面尺寸60 mm×60 mm，厚度4 mm，其EX=2.1×1011，μ=0.28。單元類型選取Solid 186，采用自由劃分方式，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm。在機(jī)械臂等應(yīng)力較集中的地方將網(wǎng)格細(xì)化到6 mm。對車架離散后，共得到單元數(shù)96 061個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)187 733個(gè)。

主要部件控制柜、機(jī)械臂、收集盒、分級裝置的質(zhì)量分別為40、270、40、75 kg；控制柜、機(jī)械臂、收集盒、分級裝置車架的接觸面積(長×寬)分別為1 100 mm×700 mm、3 600 mm×410 mm、1 100 mm×206 mm、840 mm×300 mm。

純彎曲工況主要是模擬移動(dòng)平臺靜止或者勻速前進(jìn)時(shí)車架的變形情況，此時(shí)車架主要受自身重力以及各部件向下的壓力。添加載荷后，將左前輪UX、UY、UZ，右前輪UX，右后輪UX、UY，左后輪UX方向的自由度進(jìn)行約束[15],最后得到純彎曲工況下的等效位移云圖(圖4)，此工況下車架第3根橫梁中部變形最大，最大變形量為18.4 mm，最大應(yīng)力值為61.4 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服極限。因此在純彎曲工況下車架強(qiáng)度完全滿足要求。

圖4　純彎曲工況下車架等效位移云圖

Fig.4Equivalent displacement image of the platform frame under pure bending working condition

彎扭聯(lián)合工況時(shí)，農(nóng)田地面具有非線性特征，一般來說，移動(dòng)平臺在工作中，4個(gè)車輪不會處于同一個(gè)平面，最高點(diǎn)與最低點(diǎn)垂直距離可達(dá)到90 mm。此工況下在左前輪UX方向設(shè)置向上的45 mm位移約束，在右后輪UX設(shè)置向下的45 mm位移約束，對右前輪UX進(jìn)行約束，動(dòng)載荷系數(shù)取1.5,最后得到彎扭工況下的等效位移云圖(圖5)，彎扭工況下車架變形最為嚴(yán)重，最大變形處位移減去施加的45 mm位移約束后仍達(dá)到14.1 mm，且應(yīng)力集中的地方多為焊接部位。此時(shí)應(yīng)在車架與前后橋的支柱上焊接支撐件，并采用電弧焊等特種焊接技術(shù)。

圖5　彎扭工況下車架等效位移云圖

Fig.5Equivalent displacement image of the platform frame under twisting working condition

采摘工況為移動(dòng)平臺特有工況，采摘機(jī)器人在進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，圓柱式機(jī)械臂X軸做上下變速以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在其加速以及減速運(yùn)動(dòng)中對車架產(chǎn)生沖擊。為獲得采摘工況下機(jī)械臂對車架的作用力，將機(jī)械臂模型處理后導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行分析。

以水平軸做縱向變速運(yùn)動(dòng)為例，在ADAMS中，首先對機(jī)械臂主要部件進(jìn)行定義，創(chuàng)建各部件之間的運(yùn)動(dòng)副。設(shè)定0～0.5 s為加速階段，1.5～2.0 s為減速階段，其余為勻速階段。最后得到此時(shí)機(jī)械臂對底座的作用力如圖6所示,此時(shí)機(jī)械臂對底座作用力最大為2 651N，加上旋轉(zhuǎn)軸重力后共計(jì)3 228 N。同理可得機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對底座的扭矩為152.4 N·m。將獲得的壓力與扭矩重新加載到車架上，獲得采摘工況下車架的等效位移云圖(圖7)，該工況下由于施加了扭矩作用，車架在水平面上發(fā)生了扭曲，最大變形處為2.7 mm，變形量較小，符合要求。

圖6　采摘工況下底座受力曲線

Fig.6Force curve of the platform base under picking working condition

圖7　采摘工況下車架等效位移云圖

Fig.7Equivalent displacement image of the platform frame under picking working condition

綜上分析，該車架在滿足各部件合理布局的基礎(chǔ)上，在各種工況下比較穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3電機(jī)的選擇與仿真

1.3.1車載電機(jī)的選擇電機(jī)容量和移動(dòng)平臺行進(jìn)需要的驅(qū)動(dòng)力以及所受地面摩擦力、迎風(fēng)阻力、慣性阻力等有關(guān)。移動(dòng)平臺的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)該與其所受的運(yùn)行阻力保持平衡，即

Ft=∑Wall，

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力，∑Wall為所受阻力之和。

根據(jù)公式計(jì)算結(jié)果，綜合比較不同類型電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)后，選擇安川永磁同步電機(jī)(PMSM)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，型號為SGMGV-30ADC61，功率 2.9 kW，i=36；轉(zhuǎn)向系統(tǒng)選擇安川永磁同步電機(jī)SGMJV- 02ADE6S，功率0.27 kW，減速機(jī)i=25。

1.3.2電機(jī)控制方式的選擇水果采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺在實(shí)際工作中的運(yùn)動(dòng)并不連續(xù)，在短距離內(nèi)，移動(dòng)平臺頻繁執(zhí)行剎車、啟動(dòng)、變速等動(dòng)作。這就要求車載電機(jī)具有快速響應(yīng)、高精度控制、節(jié)能、扭變平滑性等特點(diǎn)。

在工程實(shí)踐中，眾多PMSM控制方式里面，最大轉(zhuǎn)矩電流比矢量控制(MPTA)和ID=0控制最為常見[16]。在高速、低轉(zhuǎn)矩條件下，2種控制方式都可以使電機(jī)較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，但不一定適應(yīng)水果采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺特殊的工作方式以及惡劣的工作環(huán)境。

本文利用MATLAB/Simulink組件，基于MPTA以及ID=0控制方式的原理，將2種方式集成比較，利用Switch模塊可自由切換。仿真時(shí)間設(shè)定為0.8 s，初始轉(zhuǎn)速給定值為500 r·min-1，0.4 s后加速為800 r·min-1。初始扭矩5 N·m，0.6 s后增加為20 N·m。得到電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)，IQ、ID(IQ、ID分別表示電機(jī)內(nèi)部D、Q軸的電流)給定值與反饋值，電機(jī)輸出力矩波形等曲線。以MPTA方式為例，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線以及電機(jī)輸出扭矩曲線如圖8所示，電機(jī)啟動(dòng)之后0.08 s左右達(dá)到穩(wěn)定值。電機(jī)加速階段，IQ值很大，ID為負(fù)值，產(chǎn)生24 N·m恒定的力矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到500 r·min-1且穩(wěn)定后，電機(jī)輸出力矩5 N·m。0.4 s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)?00 r·min-1，IQ變大，ID為負(fù)值，電機(jī)輸出力矩加大。0.6 s時(shí)力矩從5變?yōu)?0 N·m，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，為了維持轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié),使電機(jī)輸出力矩增大到24 N·m左右。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，電機(jī)輸出力矩20 N·m與設(shè)定力矩平衡。

通過Switch開關(guān)切換到基于ID=0控制模式，得到此方式下的仿真曲線，在0.4 s速度給定由500 r·min-1變?yōu)?00 r·min-1時(shí)，由于輸出的給定電流飽和，故出現(xiàn)ID和IQ電流無法跟上的情況，同時(shí)電機(jī)的輸出力矩也會變小，加速變緩慢。

圖8　MPTA控制下永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出力矩響應(yīng)曲線

Fig.8The speed response curve and torque response curve of PMSM under MPTA control

綜上，PMSM在水果采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺特殊的工作環(huán)境下，采用MTPA控制的方式要比ID=0控制方式好，電機(jī)輸出力矩響應(yīng)快，同等輸出力矩下電流要小，耗電量更小。2種典型控制方式的比較簡單直觀，對以后的工作實(shí)踐具有一定的參考意義。

1.4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.4.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)移動(dòng)平臺控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)控制器、下位機(jī)控制器和各傳感器系統(tǒng)等組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖參見文獻(xiàn)[2]。

上位機(jī)選用研華IPC610-H型工控機(jī)作為運(yùn)算控制中心，內(nèi)置數(shù)據(jù)采集卡、1394轉(zhuǎn)換卡等部件與下位機(jī)、傳感器通信協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、自主采摘。移動(dòng)平臺各部件協(xié)同工作內(nèi)容主要包括：工控機(jī)通過RS-232與人機(jī)交互模塊通信，可實(shí)時(shí)調(diào)整水果采摘機(jī)器人整體的運(yùn)行狀態(tài)；工控機(jī)實(shí)時(shí)解析GPS接收機(jī)輸出的NMEA語句中包含的速度、位置信號值，實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)平臺驅(qū)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)向角度的動(dòng)態(tài)控制；GPS裝置采用DB9型COM串口通信，采用MAX232芯片進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，信號輸入單片機(jī)后，通過CAN總線輸入到工控機(jī)，當(dāng)檢測到GPS坐標(biāo)值到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，移動(dòng)平臺停止運(yùn)行；工控機(jī)調(diào)用雙目攝像機(jī)自帶TriclopsRCDToXYZ函數(shù)，解析果實(shí)在相機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，對坐標(biāo)值進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，向MP2100板卡發(fā)送運(yùn)動(dòng)信號；工控機(jī)接收防撞梁光電開關(guān)信號、機(jī)械臂故障等信號，接收到信號之后，向MP2100板卡發(fā)送制動(dòng)命令。

1.4.2CAN總線設(shè)計(jì)移動(dòng)平臺運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通信協(xié)議分為以太網(wǎng)和CAN總線控制，其中運(yùn)動(dòng)控制板卡MP2100通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)構(gòu)成以太網(wǎng)；同時(shí)MP2100通過CANN Open2.0協(xié)議與下位機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器構(gòu)成CAN總線。

在進(jìn)行CAN總線設(shè)計(jì)之前，應(yīng)確定系統(tǒng)總體功能。MP2100作為主節(jié)點(diǎn)，其他控制節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)[17]，從節(jié)點(diǎn)基本模塊應(yīng)該包括：數(shù)據(jù)采集模塊，采集移動(dòng)平臺車速、轉(zhuǎn)角以及傳感器信號等；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以向其他節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)母袷?，同時(shí)將從其他節(jié)點(diǎn)接受的信息轉(zhuǎn)換為自身可識別的格式；通信模塊，實(shí)現(xiàn)相同層次間的信息溝通，即物理層與物理層的信息交換，應(yīng)用層與應(yīng)用層間的信號交換；輸出模塊，對上位機(jī)傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行打包，并在編碼、解碼后，通過MDI接口輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上，控制電機(jī)的運(yùn)行。

2直線追蹤試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

一般來說，智能農(nóng)業(yè)車輛的自主行走主要包括直線追蹤、地頭轉(zhuǎn)向、視覺避障等任務(wù)，其中直線追蹤是一種最基本的導(dǎo)航任務(wù)，通過信息傳感器系統(tǒng)獲取的位姿以及定位信息與預(yù)定航線的比較，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行速度以及轉(zhuǎn)向角度，以便回歸到正確航線。移動(dòng)平臺采用DGPS以及視覺傳感器檢測到的數(shù)據(jù)相融合獲取位姿信息，采用Trimble公司生產(chǎn)的差分式GPS獲取平臺的移動(dòng)速度以及定位數(shù)據(jù)，并且在上位機(jī)中使用VC++編寫自主導(dǎo)航控制程序。其中，差分式GPS標(biāo)稱速度檢測誤差約為0.04 m·s-1，定位誤差約為0.3 m，雙目攝像機(jī)測距精度約為0.208 mm，上位機(jī)程序處理時(shí)間約為0.1 s[18]。

試驗(yàn)方法及控制策略如下：各設(shè)備自檢并進(jìn)行初始化操作，若檢測到硬件故障或者程序錯(cuò)誤，工控機(jī)停止導(dǎo)航，移動(dòng)平臺原地報(bào)警[19]；在導(dǎo)航程序中編輯目標(biāo)航線Ax+By+C=0、移動(dòng)平臺初始坐標(biāo)值、運(yùn)行速度等信息，上位機(jī)讀取GPS和AHRS數(shù)據(jù)，計(jì)算行走路線；移動(dòng)平臺導(dǎo)航開始，上位機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算橫向偏差E即平臺中心點(diǎn)(xp，yp)與目標(biāo)航線的距離：

若Axp+Byp>C,則E取正值，反之E取負(fù)值；根據(jù)橫向偏差E，實(shí)時(shí)調(diào)整移動(dòng)平臺轉(zhuǎn)向角度。具體規(guī)則如下：當(dāng)橫向偏差E大于最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin時(shí)，平臺距離目標(biāo)航線較遠(yuǎn)，此時(shí)平臺作直線行駛，轉(zhuǎn)向角α=0°。當(dāng)運(yùn)行至E≥Rmin時(shí)，上位機(jī)程序計(jì)算最佳轉(zhuǎn)向角并轉(zhuǎn)化為電機(jī)實(shí)際脈沖數(shù)，開始轉(zhuǎn)向，向目標(biāo)航線逐漸靠近，實(shí)現(xiàn)直線追蹤。

直線追蹤行走試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)校園水泥路以及江浦農(nóng)場蘋果園路面進(jìn)行，移動(dòng)平臺初始設(shè)置為：橫向偏差E=1.2±0.1 m，轉(zhuǎn)角0°±1°，車速1.0、1.5 m·s-1。橫向偏差的實(shí)時(shí)變化曲線見圖9，導(dǎo)航初始時(shí)，由于E較大，移動(dòng)平臺作斜直線勻速行駛。土壤路面上行走至22 s時(shí)，E趨于穩(wěn)定，由于土壤較為松軟，移動(dòng)平臺的慣性與地面的摩擦的濾波作用顯著，E的變化總體平滑，最大偏差值為0.22 m左右。水泥路面下橫向偏差最大為0.34 m，視覺處理的延時(shí)對誤差有一定影響[20]。

圖9　行走試驗(yàn)結(jié)果

3結(jié)論

1)基于三自由度機(jī)械臂，設(shè)計(jì)了一種輪式智能移動(dòng)平臺，各工作部件之間無干涉、結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性強(qiáng)。

2)基于ANSYS對車架進(jìn)行了有限元分析，極限工況下最大變形量為14.1 mm，對容易發(fā)生應(yīng)力集中的幾處區(qū)域加強(qiáng)處理后，可滿足農(nóng)田環(huán)境工作要求。使用MATLAB對電機(jī)進(jìn)行了基于MPTA和ID=0控制方式的仿真分析，電機(jī)約0.8 ms達(dá)到穩(wěn)定，扭變平滑性較好。

3)使用VC++語言開發(fā)了人機(jī)交互界面，編寫了運(yùn)動(dòng)控制程序。搭建了基于CAN總線開放式控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)GPS、AHRS、DGPS等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了該移動(dòng)平臺的高精度運(yùn)動(dòng)。

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【責(zé)任編輯霍歡】

Design and experiment of an intelligent mobile platform loaded with a fruit picking robot

DONG Mang, GU Baoxing, JI Changying, ZHANG Qingyi, CHA Qiming

(College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210031, China)

Abstract：【Objective】To design a prototype of wheeled intelligent mobile platform at the basis of a 3-DOF fruit picking robot hand. 【Method】According to the working environment of farmland, the steering structure and anti-collision beam structure of the platform were designed. The deformation of the platform frame under three working conditions were simulated using ANSYS, and simulation of the motor was carried out using Simulink module based on MPTA or ID=0. The motion control program and human computer interface were programmed with VC++. The prototype walking experiments were carried out in Jiangpu farm, Nanjing.【Result】The maximum deformation of the platform frame was 14.1 mm under the crankle working condition，and the value of stress was under the yield limit of material. The motor based on MPTA control achieved stability after 0.8 ms. The maximum climbing angle of the platform was 10°, and the tracking path lateral deviation was 0.22 m at a speed of 1.5 meter per second. 【Conclusion】This mobile platform has reasonable structure, with high strength, rigidity and motion accuracy, which meets the requirements of practical use.

Key words：fruit picking robot; intelligent mobile platform; ANSYS; finite element analysis; line tracing experiment

收稿日期：2015- 11- 10優(yōu)先出版時(shí)間：2016- 06- 01

作者簡介：董芒(1990—)，男，碩士研究生，E-mail:654514386@qq.com；通信作者：姬長英(1957—)，男，教授，博士，E-mail：chyji@njau.edu.cn

基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金(BK20140720)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)基金(KYZ201325)

中圖分類號：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001- 411X(2016)04- 0128- 06

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20160601.1631.060.html

董芒， 顧寶興， 姬長英， 等.水果采摘機(jī)器人智能移動(dòng)平臺的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,37(4):128- 133.