采摘機器人智能監控和路徑規劃設計研究

吳　芳，汪小志

(1. 江西工業貿易職業技術學院，南昌　330038；2.南昌工學院，南昌　330108；3.武漢理工大學，武漢　430070)

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采摘機器人智能監控和路徑規劃設計研究

吳芳1，汪小志2,3

(1. 江西工業貿易職業技術學院，南昌330038；2.南昌工學院，南昌330108；3.武漢理工大學，武漢430070)

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

關鍵詞：采摘機器人；智能監控；路徑規劃；自主導航

0引言

智能監控系統融和全球衛星定位系統(GPS)、無線通訊技術(GPRS) 和地理信息系統(GIS)等高科技系統，可以通過處理和分析GPS數據，將車輛的各種移動動態數據，包括經度、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或者監控中心。單片機或者監控中心把得到的數據進行解析處理后，可以得到被監控終端的各種行駛軌跡等具體參數，供用戶進行監控和查詢。單片機或者監控中心可以根據參數發出控制指令，通過機器人控制終端執行動作，實現了整個系統的實時交互功能。本文將這種原理應用到了采摘機器人的設計過程中，以期提高采摘機器人的自動導航和定位功能，從而提高果蔬采摘的效率和精度。

1總體結構設計及工作原理

采摘機器人控制系統的總體設計分為上位機和下位機兩個部分，其控制核心是MSP430f149單片機，除此之外還包括供電模塊、通訊串口接口模塊、無線自主導航模塊、報警器模塊、速度傳感器、位移傳感器、電機模塊和監控終端模塊等。其中，下位機部分主要是MSP430f149單片機作為核心控制部件，電機和監控終端可以通過上位機進行操作，也可以通過無線遙控進行。傳感器將采集得到的速度和溫度數據傳送給上位機，并且當速度和位移超過預定設置時可以發出報警。上位機的控制界面采用delphi軟件編寫，利用spcomm控件來實現上下位機的通訊，其總體設計框架如圖1所示。

圖1　系統總體結構框圖

圖1中，監控終端系統主要由監控中心和機器人移動終端組成，車載移動終端通過GPRS 無線通訊網絡以Internet同單片機處理中心連接在一起，系統結構框架如圖2所示。

圖2　機器人監控終端系統結構

采摘機器人通過監控系統終端得到的新型安裝自定義傳輸的格式進行封裝，將數據傳遞給移動終端GPRS通信模塊，GPRS將數據通過無線Internet發送到中國移動GPRS 數據平臺；再由GPRS平臺經由有線Internet上傳至監控中心，并利用單片機處理中心發出路徑規劃指令，其基本功能設計如圖3所示。

圖3　采摘機器人功能設計

采摘機器人的主要功能設計分為3部分，包括獲取地塊信息、規劃路徑和路基跟蹤。采摘機器人在獲取地塊信息后可以生產矢量化電子地圖，并利用GPS采集得到的數據進行路徑規劃和路徑跟蹤，最后存取路徑數據。

2監控終端和PID路徑控制系統設計

采摘機器人的監控終端和車載機器視覺終端的原理結構一樣，主要由4部分組成，核心部分是GPS系統和CPU處理器；通信模塊由GPRS組成；人機接口系統主要包括LCD、鍵盤、語音，其總體框架結構如圖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，機器人位移的驅動電路選用IR公司的芯片IR2110，如圖5所示。

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

圖4　采摘機器人路徑規劃硬件系統總體框架

圖5　機器人移動位移驅動電路

圖6　反饋采樣電路及峰值檢測電路

采摘機器人位移反饋信號利用電壓跟隨器和穩壓管，既可以采集反饋信號，也可以保護單片機的采集口，反饋信號對系統的條件使用PID調節。

對于機器人移動路徑反饋調節的PID使用位置型PID，參數整定方法選用Z-N整定法，位移采用Simulink環境下PID參數的穩定邊界法進行整定。對于指定路徑后的采摘機器人運動系統的狀態結構，當加入PID控制器后，可以得到如圖7所示的系統PID調節圖。

圖7　加入PID后位置系統結構圖

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)表示位移調節函數。對于系統中的積分環節，可以使用Z-N規則的第2種方法來整定參數，假設Ti=∞，Td=0，則系統的傳遞函數可以寫成

(1)

其中，mc表示機器人的本體質量；ml表示機械手的質量；μ表示摩擦因數；s表示位移；l表示機械手長度，則相應的閉環特征方程為

mcls4+μls3+(mc+ml)gs2+μgs+Kp=0

(2)

令s=jω，則式(2)變為

mclω4-(mc+ml)gω2+Kp+jμω(g-lω2)=0

(3)

于是得到方程組

(4)

解之得

(5)

參數整定后的位置PID傳遞函數為

(6)

通過傳遞函數可以對位移進行較高精度的控制，利用MSP430F149智能監控終端反饋的誤差值作為反饋調節數值，對輸入值可以進行有效的調節，從而得到期望的輸出值。

3采摘機器人智能路徑規劃測試

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

機器人番茄采摘的路徑通過實時規劃來實現，路徑跟蹤模塊采用實時控制的方式，使用一個Timer函數來控制。數據采集過程中，采集數據間隔時間為1s，Timer函數間隔也為1s，通過數據采集得到了如圖9所示的路徑跟蹤模型示意圖。

圖8　機器人番茄采摘過程

圖9　路徑實時跟蹤示意圖

根據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，其規劃示意圖如圖10所示。

圖10　5種路徑規劃示意圖

為了測試采摘機器人智能規劃的效果，對機器人的行駛精度進行了計算。行駛精度一般是指實際行駛和預定行駛之間的誤差，一般取偏差平均值、偏差標準差和最大偏差來衡量。經計算，5種路徑規劃的行駛精度如表1所示。

表1　5種路徑規劃的總體行駛精度

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，套行法的誤差最小；采摘機器人在直線行走時，精度較高，而在轉彎時偏差較大。5路徑規劃的移動時利用率如表2所示。

表2　5路徑規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，最高利用率達到了96.95%，采摘效率較高。5路徑規劃的漏采率測試如表3所示。

表3　5路徑規劃的漏采率測試

由表3可以看出：不同的行走方案的機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，在機器人采摘智能路徑規劃過程中，使用套行法作為路徑規劃的效果最好，可以使用該方法作為智能路徑規劃的方法，結合MSP430F149監控終端的誤差調節，可以實現路徑的高精度控制，提高機器人采摘的質量。

4結論

基于TI公司的MSP430F149單片機，結合位置型PID的自動化控制功能，設計了一款新的具有自主導航和定位能力的自動化采摘機器人，并通過調試，實現了機器人路徑規劃實時處理、通訊、定位、報警一體化和自動化控制功能。

對機器人路徑規劃的功能進行了測試，測試項目主要包括機器人總體行駛精度路、徑規劃的移動時間利用率及路徑規劃的漏采率。通過測試發現：機器人對于5種路徑規劃的測試結果有所不同，套行法在3項測試指標中測試結果最好。因此，可以利用套行法作為機器人路徑規劃的方法，結合PID反饋調節功能，提高機器人路徑規劃的精度。

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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

文獻標識碼：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：湖北省自然科學基金項目(2014CFC1079);湖北省自然科學基金計劃面上項目(2013CFB418)

收稿日期：2015-06-16