基于嵌入式監控的雙差速驅動果蔬采摘機器人設計

楊小慶

(重慶工商職業學院，重慶　400052)

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基于嵌入式監控的雙差速驅動果蔬采摘機器人設計

楊小慶

(重慶工商職業學院，重慶400052)

摘要：為了提高采摘機器人的轉彎性能和自動尋跡能力，利用雙差速驅動系統建立了速度協同約束的非線性運動模型，并進行了線性優化，提出了一種基于嵌入式監控圖像采集反饋信息的閉環控制模型，提高了采摘機器人移動和轉彎尋跡的靈活性。針對采摘機器人雙差速的路徑尋跡問題，建立了機器人輸入、輸出的非線性運動模型，并分析了冗余運動約束和系統運動約束條件，通過控制姿態偏差和距離偏差，結合嵌入式監控系統的反饋信息，實現機器人移動和尋跡的反饋調節。對采摘機器人的采摘性能進行了測試，測試項目主要包括尋跡能力和路徑規劃的耗時。通過測試發現，機器人可以實現較高精度的路徑尋跡功能，路徑規劃耗時短，系統穩定性好。

關鍵詞：雙差速驅動；嵌入式系統；圖像采集；路徑規劃；閉環控制；采摘機器人

0引言

在果蔬采摘機器人的驅動系統設計過程中，機器人的轉彎性能和尋跡能力是設計的核心問題，采用雙差速驅動來控制采摘機器人的移動是一種典型的非完整系統，該控制系統具有強耦合性和非線性等特點，其控制問題受到了國內外專家和學者的廣泛關注。四輪驅動采摘機器人和兩輪驅動相比，控制模型更加復雜，耦合也更加嚴重。四輪驅動主要采用雙差速驅動系統實現機器人的全向運動，其運動靈活，不受非完整約束；但其摩擦因數小、承載能力有限，因此其設計較為困難。本研究針對雙差速驅動系統的非線性和冗余運動約束問題，首先建立了速度協同運動的非線性運動模型，并進行了線性優化，提出了一種基于嵌入式監控圖像采集反饋信息的控制系統，對采摘機器人移動性能的改進具有重要的意義。

1驅動系統總體設計

采摘機器人的雙差速驅動部分主要由4個三相步進電機和驅動結構組成，步進電機驅動前后輪，推動機器人前進和后退，驅動左右輪的速比，實現機器人的轉彎。為了提高采摘機器人轉彎的靈活性，將傳統的雙輪結構改為平面軸承，從而降低了采摘機器人結構的復雜度，驅動電機通過齒輪和軸帶動輪旋轉，其結構如圖1所示。

圖1　雙差速驅動結構示意圖

步進電機的轉速可利用脈沖信號的頻來改變，實現較高精度的調速。利用對電機施加不同的脈沖信號，可以實現采集機器人的前進、后退、左轉、右轉和調頭功能。雙差速驅動系統可實現機器人在任意半徑下的轉彎，也可以實現原地旋轉，轉彎的速度可利用單片機程序進行控制，方便簡單。采摘機器人服務器系統結構如圖2所示。

采摘機器人的Internet 服務器主要由服務程序、服務數據庫和通訊模塊組成；機器人控制服務器主要由主控模塊、圖像采集模塊和通信模塊組成，其核心是一臺Windows XP系統的計算機。計算機裝有通信控制卡、圖像采集卡等硬件，利用這兩層服務器可以非常好地分離網絡信息處理模塊和機器人硬件控制模塊，提高了控制系統的靈活性和可靠性。

圖3為采摘機器人的控制系統框架結構圖。控制系統采用C/S和B/S混合模式，提高了系統的靈活性，圖像監控采集系統和遠程網絡系統利用嵌入式控制板來實現，集成在采摘機器人中，降低了系統的規模和系統成本。通過無線傳感網絡提高了機器人對環境的感知能力，利用標準化接口提高了系統的擴展能力，可以利用擴展卡和USB接口來實現外部設備的擴展，各功能單元可以獨立運行，也可以并行工作。

圖2　采摘機器人服務器系統結構

圖3　采摘機器人控制系統結構框架

2雙差速驅動系統設計

嵌入式監控系統控制的雙差速采摘機器人主要利用采集圖像信息對轉速進行控制，當左右兩輪的轉速不同時，可以實現轉彎功能；當兩輪轉速相同時，實現直線行駛功能。假設驅動模塊兩輪的速度差為Δvf和Δvr，則4個驅動輪的速度模型可以表示為

(1)

前后驅動的角速度可以寫成

(2)

假設前后驅動模塊的質心速度vf和vr在x軸和y軸上的投影分別為vfx、vrx、vfy、vry，其表達式為

(3)

則采摘機器人的姿態偏差導數可以表示為

(4)

綜合式(3)、式(4)可得

(5)

因為前后驅動模塊在y軸方向的速度相同，于是可以得到

vfy=vry

(6)

將式(3)帶入式(6)可得

vfcosθf=vrcosθr

(7)

(8)

利用嵌入式監控系統的反饋信息可以對采摘機器人驅動模塊進行控制，系統的硬件系統主要由5個組成部分，包括USB無線卡模塊、USB攝像頭模塊、內部控制和傳感器模塊、運動控制模塊和主控模塊，其框架結構如圖4所示。

圖4　系統硬件結構框圖

嵌入式監控系統的控制核心為S3C2410微處理器，操作系統采用Linux系統，主控板上連接USB無線網卡，利用無線路由將機器人鍵入Internet；圖像采集由USB攝像頭來完成，獲取采摘環境信息，機器人內部和運動信息由傳感器采集提供給機器人，其得到環境和自身內部反饋信息后，利用主控模塊控制機器人的移動，其中運動模塊的設計框架如圖5所示。

圖5　運動和內部傳感模塊控制框圖

控制板的布線方式為雙層布線，電機調速的接口為8個，傳感器接口為6個，數字接口通道為2個，可以對監控系統采集圖像進行傳輸；運動和內部傳感模塊利用數據串口與主控板連接，利用自定義的命令接口進行通訊服務，最終將硬件系統進行底層封裝，完成采摘機器人控制系統的設計。

3雙差速驅動果蔬采摘機器人性能測試

為了驗證本次研究設計的雙差速果蔬采摘機器人的性能，對其沿軌跡行駛的性能進行了測試，測試項目主要包括直線行駛和轉彎行駛性能。測試過程的場景如圖6所示。

測試對象為草莓采摘，給定機器人預設軌跡路線，利用嵌入式監控系統對路線進行軌跡跟蹤，通過測試得了雙差速采摘機器人的軌跡跟蹤結果如圖7所示。

圖7中，實線部分表示果蔬采摘機器人的實際移動路徑，虛線表示機器人雙輪的運動軌跡。由圖7可看出：利用嵌入式監控系統對雙差速機器人進行控制后，機器人雙輪可以嚴格地按照跟蹤軌跡行走，其軌跡和預定跟蹤軌跡平行，在轉彎處行走精度也很高，從而驗證了本次研究設計的采摘機器人的可靠性。

圖6　雙差速果蔬采摘機器人測試場景

圖7　軌跡跟蹤測試結果

表1為傳統機器人和嵌入式監控系統機器人路徑跟蹤耗時的測試結果對比表。由表1可以看出：利用嵌入式監控系統可以大大提高雙差速機器人路徑跟蹤的速度，縮短了路徑跟蹤的耗時，從而提高了果蔬菜采摘的效率。

表1機器人路徑跟蹤耗時測試結果表

Table 1Time-consuming test result table of robot path tracking

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4結論

1)利用嵌入式監控系統集成化模式，采用雙差速驅動控制系統設計了一種具有自主尋跡能力的移動式采摘機器人，并建立了控制姿態偏差和距離偏差的協同運動模型，從而大大提高了采摘機器人移動和轉彎的靈活性。

2)對設計的采摘機器人的性能進行了測試，測試項目包括自主尋跡能力和路徑規劃耗時。通過測試發現：利用嵌入式監控系統對雙差速機器人進行控制后，機器人雙輪可以嚴格地按照跟蹤軌跡行走，尋跡精度高，大大提高了雙差速機器人路徑跟蹤的速度，縮短了路徑跟蹤的耗時，從而提高了采摘機器人的工作效率。

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Design of Double Differential Drive for Fruit Picking Robot Based on Embedded Monitoring

Yang Xiaoqing

(Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 400052， China)

Abstract：In order to improve the performance and the ability of automatic tracing of the picking robot, a new nonlinear motion model is established by using the double differential drive system. For this problem, the nonlinear motion model of the robot's input and output is established, and the redundant motion constraints and system constraints are analyzed.And the feedback information of the embedded monitoring system is realized by controlling the attitude error and distance deviation. Finally, the performance of the picking robot is tested. The test items include the searching ability and the path planning. Through the test, it is found that the robot can achieve higher precision of the path function, the path planning is short, and the system stability is good.

Key words：double differential drive; embedded system; image acquisition; path planning; closed-loop control；picking robot

中圖分類號：S225；TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0117-04

作者簡介：楊小慶(1984-)，女，湖北宜昌人，講師，碩士，(E-mail)yangxiaoqing1984@qq.com。

基金項目：重慶市教委自然科學基金項目(KJ131416；2.江蘇省企業研究開發項目(CW2013-RD04，CW2014-RD06)

收稿日期：2015-08-23