農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)分析

王慰慰

【摘 ?要】在我國大力發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的過程中，為有效提高農(nóng)業(yè)采摘效率，減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，可以選擇使用農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人進(jìn)行機(jī)械化操作。在這一背景下，本文將以農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人作為主要研究對(duì)象，在闡明農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)基本構(gòu)成的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)研究資料嘗試設(shè)計(jì)一種高效的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人;控制系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

在設(shè)計(jì)使用農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的過程中，需要重點(diǎn)對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際需要靈活控制采摘運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，高效、精準(zhǔn)地完成農(nóng)業(yè)采摘工作，避免在采摘過程中對(duì)果蔬造成損壞，以此有效提升農(nóng)業(yè)采摘整體成效，將人工采摘成本降至最低。因此對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

越來越多的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如圖1 所示，通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄的采摘。本文所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要通過對(duì)采摘機(jī)械手進(jìn)行靈活、精準(zhǔn)控制，用以快速完成果蔬采摘工作。因此在該農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)當(dāng)中，主要包括負(fù)責(zé)設(shè)置具體目標(biāo)，對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人行走路線進(jìn)行規(guī)劃，并負(fù)責(zé)對(duì)執(zhí)行任務(wù)指令進(jìn)行準(zhǔn)確下達(dá)，動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)采集圖像的主控制模塊，負(fù)責(zé)對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)采集模塊以及利用人體仿真學(xué)使得農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械手可以模仿人手操作完成果蔬采摘?jiǎng)幼鞯年P(guān)節(jié)控制器。與此同時(shí)，在該農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)當(dāng)中，同時(shí)還包括數(shù)字信號(hào)處理器。

二、農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)主要組成部分設(shè)計(jì)

（一）主要硬件設(shè)計(jì)

本文在設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分中，選擇使用系統(tǒng)最小電路dsPIC30F4012，用以保障設(shè)備可正常運(yùn)行。其主要組成構(gòu)件包括時(shí)鐘與復(fù)位電路、測(cè)試電路LED等。除此之外，該農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路中還包括電源模塊、串口模塊CAN總線通信模塊等，其中機(jī)器人的機(jī)械手各關(guān)節(jié)主要通過CAN模塊實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。在本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人系統(tǒng)的硬件中，關(guān)節(jié)控制器作為其中極為重要的一項(xiàng)硬件，負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人的采摘?jiǎng)幼鬟M(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以此有效保障機(jī)器人可以按要求完成果蔬采摘工作。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)這一關(guān)節(jié)控制器時(shí)，除同樣使用系統(tǒng)最小電路外，還需設(shè)計(jì)專門的保護(hù)模塊、信號(hào)反饋電路等其他功能模塊。通過運(yùn)用集成化技術(shù)將電壓比較器與運(yùn)算放大器以及AD模塊組合在一起，構(gòu)成一個(gè)完整的電流檢測(cè)電路，使得經(jīng)由取樣電阻后的一路電機(jī)電流

可以轉(zhuǎn)換成電流反饋至被直接輸入至系統(tǒng)最小電路中的AD模塊中[1]。而另一路則可以直接輸入至電壓比較器中。一旦電樞電流超過規(guī)定電流值，電壓比較器將會(huì)立即中斷信號(hào)，此時(shí)所輸出的電平則相對(duì)較低，控制系統(tǒng)將自動(dòng)向操作人員發(fā)送故障警報(bào)信號(hào)提醒其注意。

（二）通信傳輸設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)在進(jìn)行傳輸過程中需要嚴(yán)格遵循通信協(xié)議規(guī)定，在本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的上位機(jī)運(yùn)動(dòng)相關(guān)控制器中，設(shè)計(jì)通過運(yùn)用插值運(yùn)算以及軌跡規(guī)劃，對(duì)機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置實(shí)際控制量進(jìn)行統(tǒng)一明確。利用與之相對(duì)應(yīng)的CAN總線，將計(jì)算得到的控制量依次傳輸至各對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)控制器中。在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人傳感器當(dāng)中所使用的關(guān)節(jié)電機(jī)，選用十二位磁感應(yīng)方式。而農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)中，主控機(jī)在與機(jī)械手、操作平臺(tái)等之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸中，設(shè)計(jì)采用建立在TCP基礎(chǔ)上的無線網(wǎng)通信協(xié)議方式。通過對(duì)無線網(wǎng)物理層進(jìn)行調(diào)用，并運(yùn)用USB接口與RS-232串口等通信接口，在遵循該通信協(xié)議下使得農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)可以自由進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。

（三）關(guān)鍵程序設(shè)計(jì)

1.傳感器數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

圖2展示的就是本文所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的傳感器構(gòu)成，而在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人GPS定位模塊中，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序時(shí)，所有數(shù)據(jù)均需要利用串口傳輸至CAN智能節(jié)點(diǎn)中。

當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，首先需要判斷隊(duì)列是否為空，如果隊(duì)列為空則可以直接退出程序。否則需要從隊(duì)列中提取相應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)確定其接收到的數(shù)據(jù)幀頭為$GPRMC且數(shù)據(jù)真實(shí)有效后，便可以循環(huán)接收字符數(shù)據(jù)。此時(shí)如果數(shù)據(jù)為幀，則需要對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度進(jìn)行檢驗(yàn)。一般情況下要求傳感器接收得到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為81，在數(shù)據(jù)無任何異常情況下即可直接退出程序。反之該GPS模塊還需要對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理，確保數(shù)據(jù)真實(shí)、完整[2]。而在設(shè)計(jì)INS測(cè)量模塊數(shù)據(jù)采集程序時(shí)，同樣需在隊(duì)列不為空的情況下，對(duì)其中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)提取。在確認(rèn)數(shù)據(jù)幀頭為0xAA后即可進(jìn)入到接收數(shù)據(jù)的環(huán)節(jié)中。一般情況下，INS測(cè)量模塊采集得到的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為21，但如果數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不為21，則系統(tǒng)需要重新進(jìn)入數(shù)據(jù)接收循環(huán)，直至確定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為21后再繼續(xù)下一步。

2.主控機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控機(jī)應(yīng)用程序中，設(shè)計(jì)建立以Socket為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接，在將獲取的命令指令成功發(fā)送后，當(dāng)下位機(jī)返回命令接收成功標(biāo)識(shí)，即可從主控機(jī)應(yīng)用程序中退出。但如果下位機(jī)并未有任何標(biāo)識(shí)反饋，系統(tǒng)需對(duì)指令發(fā)送次數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，以此為基礎(chǔ)判斷是否需要重新發(fā)送命令指令。通常情況下，在命令指令發(fā)送次數(shù)不超過5次時(shí)，可以再次重新發(fā)送命令指令，并重新等待下位機(jī)返回命令接收成功標(biāo)識(shí)，一旦系統(tǒng)發(fā)送命令指令的次數(shù)在5次以上，則需直接退出該程序。

結(jié)束語

在本文所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)中，通過運(yùn)用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線通信，可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸安全可靠性，并科學(xué)配置各控制單元。而在標(biāo)準(zhǔn)C語言控制下，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)層次得以更加清晰明確，有利于保障農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)充分發(fā)揮自身控制性能，使得采摘機(jī)械手可以精準(zhǔn)、快速完成果蔬采摘操作，進(jìn)一步提高采摘成效。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬鵬博.基于SLAM的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].河南科技學(xué)院，2018.

[2]張文棟.釆摘機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D].北京林業(yè)大學(xué)，2015.

（作者單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心）