采摘機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)關(guān)鍵詞：采摘機器人；電機驅(qū)動；避障

1引言隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，智能機器人已在許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于作業(yè)對象的復(fù)雜、多樣，以及當(dāng)前我國正面臨人口老年化的趨勢[1]，使得新型農(nóng)業(yè)機械——農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)具有巨大經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景，符合社會發(fā)展的需求[2]。采摘機器人是針對水果和蔬菜，可以通過編程來完成這些作物的采摘、轉(zhuǎn)運、打包等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動化機械收獲系統(tǒng)，是集機械、電子、信息、智能技術(shù)、計算機科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué)[3]。采摘機器人是基于人工采摘果實作業(yè)中耗時、費力等因素而應(yīng)運而生的智能農(nóng)業(yè)裝備[4]。運動控制系統(tǒng)作為采摘機器人控制系統(tǒng)中不可或缺的部分為機器人實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的采摘工作提供了必要的保證。2采摘機器人整體機械結(jié)構(gòu)的分析通常采摘機器人的結(jié)構(gòu)是由機械手臂、末端執(zhí)行機構(gòu)、運動行走機構(gòu)、視覺識別裝置、控制模塊、能源組塊組成。圖1是采摘機器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中采摘機器人為四輪式的采摘機器人，其由機械手臂、末端執(zhí)行機構(gòu)、運動行走機構(gòu)、視覺識別裝置、控制模塊、電源模塊組成。采用5個電機控制，使機器人能夠多自由度工作。3運動控制系統(tǒng)的總框圖鑒于采摘機器人的本職工作是順利完成采摘工作，運動控制系統(tǒng)處于輔助的地位而并不需要像搶險救災(zāi)機器人等機器人精于路況處理的智能機器人那樣處理復(fù)雜的實時環(huán)境問題。同時為了提高運動系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，避免設(shè)備的不必要的效率消耗以及降低投入成本和達(dá)到靈活的避險要求。設(shè)計的運動控制系統(tǒng)的總框圖如圖2所示。4運動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1主控器模塊設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，控制器主要用于各種信號的處理、控制算法實現(xiàn)、底盤電動機的控制和聲光報警等，控制器選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機作為系統(tǒng)控制器。4.2電機控制模塊電路設(shè)計本設(shè)計中電機的控制方式是PWM波控制方式?？刂苾蓚€電機：前輪控制車體轉(zhuǎn)向的步進電機；后輪控制電機前進后退的直流電機。圖3是前輪步進電機的電路圖，圖4為直流電機用H橋驅(qū)動的電路圖。（1）前輪控制電機轉(zhuǎn)向的步進電機的電路設(shè)計前輪電機用ULN2003A作為電機驅(qū)動器，用于完成電機的正反轉(zhuǎn)。（2）后輪控制車體的前進后退的電機的電路設(shè)計4.3報警模塊電路設(shè)計本模塊硬件分為兩個部分：光報警和聲報警電路。LED燈與電阻組成光報警；蜂鳴器與驅(qū)動電路組成的聲報警。聲報警部分的驅(qū)動是由8050構(gòu)成的放大電路。報警模塊是依據(jù)避障部分提供的信號而動作的。當(dāng)機器人正常運行時，報警模塊不產(chǎn)生動作；當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到障礙物時，報警模塊動作，LED等閃光，同時蜂鳴器發(fā)出報警，起到提示作用。4.4顯示模塊電路設(shè)計本設(shè)計的顯示模塊目標(biāo)是能夠顯示出電機的正反轉(zhuǎn)停等信息。采用的是帶中文字庫的128X64LCD屏幕。128X64LCD是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64,內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面[5]?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字.也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點[6]。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。4.5超聲波模塊電路設(shè)計采摘機器人中傳感器主要應(yīng)用于果實的識別、系統(tǒng)的導(dǎo)航、以及避障。果實識別與采摘采用視覺傳感器、位置傳感器、力傳感器，系統(tǒng)導(dǎo)航采用電磁傳感器，運動系統(tǒng)避障采用超聲波傳感器。本設(shè)計中的傳感器主要是應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)的避障設(shè)計，避障系統(tǒng)所要達(dá)到的要求是準(zhǔn)確判斷車體前后方有無障礙物。若有則執(zhí)行避障任務(wù)，即急停、報警提示。本設(shè)計采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測前方障礙物體的檢測元件，其中心頻率為40Hz，由89C52發(fā)出的40KHz脈沖信號驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如機器人運動時前方遇到有障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，由接收器接收，經(jīng)LM318兩級放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當(dāng)LM567的輸入信號大于25mV時，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖?，送單片機處理。5運動控制系統(tǒng)總程序流程圖首先小車進行上電初始化程序，屏幕顯示小車初始狀態(tài)，后小車開始前進，前進過程中單片機通過超聲波模塊不斷檢測距前方障礙物。當(dāng)檢測距離小于程序設(shè)定的避障安全距離時判定前方有障礙物，此時小車停止前進，與此同時聲光報警器動作，發(fā)光LED不斷閃爍與此同時單片機控制電機驅(qū)動模塊驅(qū)動電機完成避障操作完，避障動作完成后小車?yán)^續(xù)前進并檢測前方障礙物。圖5為系統(tǒng)總程序流程圖。6系統(tǒng)仿真仿真采用按鍵代替采摘機器人采摘結(jié)構(gòu)提供的信號，用于控制后輪電機的轉(zhuǎn)動，并將電機的狀態(tài)信息顯示出去。前輪電機的轉(zhuǎn)動，也是通過按鍵來模擬采摘機構(gòu)提供的信號來完成。圖6所示，顯示的是后輪電機處于停止?fàn)顟B(tài)，顯示屏顯示為“停止”。此時LED點亮，蜂鳴器發(fā)出警報，車體停止運動。如圖7所示，顯示的是后輪電機處在正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在顯示屏中顯示為“前進”。此時無采摘任務(wù)，且前方無障礙物，機器人處于前進狀態(tài)。7結(jié)束語采摘機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，闡述了采摘機器人運動控制系統(tǒng)的整體機械結(jié)構(gòu)與運動控制系統(tǒng)的組成，并對基于AT89C52的控制策略進行了研究，設(shè)計了避障系統(tǒng)，并最終借助于Proteus完成了實驗的驗證。本設(shè)計簡單，軟件編程易實現(xiàn)，實時性好且成本低，通過試驗，成功實現(xiàn)了避障、顯示、報警等功能。參考文獻[1]張鐵中,林寶龍,高銳.水果采摘機器人視覺系統(tǒng)的目標(biāo)提取[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014,41(12):244-248.[2]鮑官軍,荀一,戚利勇,楊慶華,高峰.機器視覺在黃瓜采摘機器人中的應(yīng)用研究[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,38(1):114-118.[3]紀(jì)超,馮青春,袁挺,譚豫之,李偉.溫室黃瓜采摘機器人系統(tǒng)研制及性能分析[D].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,2010.[4]李小煒,姬長英.多用途采摘機器人末端執(zhí)行器的研究[M].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社,2010.[5]羅維平.基于DSP