農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

馬鵬博，張帥亮，張向磊

(河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng)，453003）

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

馬鵬博，張帥亮，張向磊

(河南科技學(xué)院，河南新鄉(xiāng)，453003）

隨著信息化和工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提升，很多企業(yè)紛紛設(shè)計(jì)與制造各種類型的機(jī)器人，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的出現(xiàn)讓人們驚嘆不已，獲得了廣泛的關(guān)注。筆者重點(diǎn)分析了農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，希望能夠起到拋磚引玉的效果。

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 前言

我國農(nóng)業(yè)耕地面積非常廣泛，采摘各種農(nóng)業(yè)果實(shí)的勞動(dòng)過程紛繁復(fù)雜。假如全部采取人工采摘，需要較高的勞動(dòng)強(qiáng)度，且工作效率比較低、容易損壞果蔬。所以，為了更好地解決農(nóng)業(yè)采取過程中缺乏勞動(dòng)力，提升農(nóng)業(yè)采摘的質(zhì)量和效率，開發(fā)和設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人具有重大意義。機(jī)器人的系統(tǒng)控制技術(shù)可以在很大程度上破解勞動(dòng)力資源的缺乏問題、提升采摘活動(dòng)的質(zhì)量和效率，減少人工成本等。

1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械手整體控制方案的設(shè)計(jì)

本文立足于當(dāng)前機(jī)器人控制系統(tǒng)的相關(guān)研究成果，密切結(jié)合黃瓜采摘的相關(guān)需求，合理地設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手的整體性控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了其軟硬件設(shè)計(jì)的目的。

既可以采用PC機(jī)+PC機(jī)的實(shí)際控制設(shè)計(jì)模式，也可以運(yùn)用PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡的復(fù)雜設(shè)計(jì)模式，或者采用PC機(jī)+分布式控制卡的復(fù)雜控制模式。這也是設(shè)計(jì)機(jī)器人過程中常見的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在探討上述多種類型的控制方案過程中，它們的優(yōu)缺點(diǎn)也非常顯著，必須按照數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）中的上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器及下位機(jī)的分布式控制結(jié)構(gòu)與多CPU要求，合理地采用有效支持實(shí)時(shí)控制與分布式控制的CAN總線通訊，從而更好地驅(qū)動(dòng)相關(guān)關(guān)節(jié)的配合與協(xié)調(diào)。要分析農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的開發(fā)成本與周期，全面把握DSP的相關(guān)性能，四個(gè)關(guān)節(jié)控制器與運(yùn)動(dòng)控制器都選擇了Microchip企業(yè)制造的安裝了標(biāo)準(zhǔn)CAN控制器的相關(guān)dsPIC30F4012部件，當(dāng)成它的核心處理器。在設(shè)計(jì)上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，要設(shè)計(jì)其軌跡規(guī)劃、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、視覺系統(tǒng)、插補(bǔ)運(yùn)算、末端執(zhí)行器控制和下位機(jī)關(guān)節(jié)控制器方面的諸多通信任務(wù)等。從它的下位關(guān)節(jié)控制器來看，重點(diǎn)關(guān)注的是節(jié)電機(jī)的反饋信號(hào)處理與位置控制，能夠接收來自上位機(jī)的相關(guān)控制命令，向后者發(fā)送諸多關(guān)節(jié)的相關(guān)位置信息。

2 設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件

從此處來看，硬件電路重點(diǎn)涵蓋了系統(tǒng)最小電路dsPIC30F4012、電源模塊、串口模塊CAN總線通信模塊與固態(tài)繼電器的相關(guān)控制模塊等多個(gè)諸多部分。其中，最小系統(tǒng)dsPIC30F4012是相關(guān)處理器提出的最低硬件要求，以確保設(shè)備能夠正常工作，它涵蓋了時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、ICD2下載仿真電路、測(cè)試電路LED。此處的CAN模塊主要是完成機(jī)械手的諸多關(guān)節(jié)之間的相互通信，對(duì)此處的黃瓜采摘機(jī)器人的機(jī)械手而言，運(yùn)用的是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的科學(xué)通信方式，四個(gè)關(guān)節(jié)控制器與上位機(jī)運(yùn)動(dòng)的相關(guān)控制器中的CAN模塊，都采取了CAN收發(fā)器MCP2551與dsPIC30F4012的相關(guān)內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)。

3 關(guān)節(jié)控制器硬件設(shè)計(jì)

從此處來看，關(guān)節(jié)控制器重點(diǎn)是控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)與相關(guān)電機(jī)的具體位置。筆者設(shè)計(jì)的這個(gè)機(jī)器人以AS5045與dsPIC30F4012的磁旋轉(zhuǎn)的相關(guān)絕對(duì)值編碼器作為控制器的核心部分。因?yàn)橄嚓P(guān)關(guān)節(jié)存在著基本上相同的控制器電路，整體來看，關(guān)節(jié)控制器的相關(guān)硬件涵蓋了H橋驅(qū)動(dòng)電路、最小系統(tǒng)dsPIC30F4012、信號(hào)反饋電路、保護(hù)與故障處理模塊、CAN總線通信模塊、AS5045轉(zhuǎn)角反饋等多個(gè)模塊。從它的電流反饋來看，是該機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置中必不可少的組成部分，它的電流檢測(cè)電路涵蓋了電壓比較器、運(yùn)算放大器與AD模塊等內(nèi)容。在電機(jī)電流通過了相應(yīng)取樣電阻之后，其中一路變成了電流反饋值，被輸入到其中的dsPIC30F4012內(nèi)的AD模塊；另外一路被輸入到其中的電壓比較器中，萬一電樞電流大于事先設(shè)定的數(shù)值，比較器就會(huì)中斷信號(hào)，輸出相應(yīng)的低電平，通知使用者發(fā)生了系統(tǒng)故障。這個(gè)電路能夠發(fā)揮限流、電流檢測(cè)與過流保護(hù)等多個(gè)功能。

4 設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)控制器軟件

首先是設(shè)計(jì)其總體軟件。筆者設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)控制器中，重點(diǎn)涵蓋看系統(tǒng)與諸多功能模塊的初始化子程序、CAN控制通信總線、電流環(huán)調(diào)節(jié)、A/D采樣中斷、位置環(huán)調(diào)節(jié)、AS5045電機(jī)轉(zhuǎn)角采集等在內(nèi)的多個(gè)子程序等。再就是設(shè)計(jì)它的相關(guān)核心子程序。比如采集關(guān)節(jié)電機(jī)位置的相關(guān)子程序。從此處來看，將AS5045當(dāng)成了反饋關(guān)節(jié)角具體位置的合適元件，它和主控芯片間借助同步串行接口，有效地傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。再就是設(shè)計(jì)位置環(huán)調(diào)節(jié)的相關(guān)子程序。從它的位置環(huán)的職能來看，重點(diǎn)是增加力矩電機(jī)自身的定位精度，確保電機(jī)達(dá)到相應(yīng)的期望位置。在機(jī)器人開展工作的過程數(shù)據(jù)總線接口和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口的低八位，P2接口的作用就是提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的高八位，P2.7接口的作用就是控制隨機(jī)存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，P3.6接口的作用就是控制隨機(jī)存儲(chǔ)器的寫入信息,P3.7接口的作用就是控制隨機(jī)存儲(chǔ)器的讀入信息，PSEN接口的作用就是控制只讀存儲(chǔ)器的輸出信息，同時(shí)確保只讀存儲(chǔ)器選通狀態(tài)常開。

由于只讀存儲(chǔ)器和隨機(jī)存儲(chǔ)器有著不同的控制指令和傳輸信息，所以這兩種元件可以使用同一根縱向。只讀存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)儲(chǔ)存地址空間為0000H-1FFFH，而隨機(jī)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址空間為0000H-7FFFH。

RF418元件共有八個(gè)引腳，其中第四個(gè)引腳控制線路電源的開斷，如果其接地，那么元件則沒有電源供應(yīng)，如果空開或者是和其他電源提供裝置相接，則元件通電。本文設(shè)計(jì)的無線傳輸系統(tǒng)中RF418元件第四個(gè)引腳為空開狀態(tài)。單片機(jī)的P1.O接口產(chǎn)生的控制指令控制RTS接口動(dòng)作，P1.1接口發(fā)出的指令可控制CTS模塊動(dòng)作，動(dòng)作觸發(fā)的條件為低電平。單片機(jī)RXD引腳和模塊RX引腳相對(duì)應(yīng)，單片機(jī)TXD引腳和模塊TXD引腳相對(duì)應(yīng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 PC機(jī)程序設(shè)計(jì)方法

本文設(shè)計(jì)的無線通信系統(tǒng)通信方式為雙向一對(duì)多，也就是一臺(tái)個(gè)人電腦可以和多臺(tái)單片機(jī)進(jìn)行通信，一臺(tái)單片機(jī)也可以和多臺(tái)個(gè)人電腦進(jìn)行通信。個(gè)人電腦將通信信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接受這些信息，并且對(duì)這些信息進(jìn)行處理。個(gè)人電腦所傳遞的通信信息的大小為五字節(jié)，其中第一字節(jié)開始地址為FEH；第二個(gè)字節(jié)開始地址為EFH；第三個(gè)字節(jié)開始地址為00H，其作用就是進(jìn)行信息傳遞單片機(jī)的標(biāo)示；第四個(gè)字節(jié)開始地址為00H，其作用就是進(jìn)行傳輸命令的接受和傳遞；第五個(gè)字節(jié)開始地址為FFH。當(dāng)該指令傳輸給單片機(jī)后，單片機(jī)首先會(huì)提取第四個(gè)字節(jié)中所含信息，判斷其和自身地址是否相匹配，如果匹配成果則將SM2中的信息清除，如果匹配不成功，則將接受到的信息重新傳輸給個(gè)人電腦。之后在進(jìn)行指令命令符的判斷和處理，若指令命令傳輸給從機(jī)，單片機(jī)就要利用從機(jī)進(jìn)行指令程序的接受。如果指令命令符是由從機(jī)發(fā)出，那么單片機(jī)就要利用從機(jī)進(jìn)行指令程序的發(fā)出。由于本文設(shè)計(jì)的無線傳輸系統(tǒng)沒有考慮信息傳輸?shù)恼鎸?shí)性，從機(jī)傳輸給上位機(jī)中的信息也不會(huì)傳遞給下位機(jī)。由于系統(tǒng)子程序?qū)ξ帐中畔⑦M(jìn)行判斷，同時(shí)進(jìn)行處理。通過觸發(fā)Timer事件的方法對(duì)個(gè)人電腦主機(jī)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和判讀，利用單片機(jī)Out普通功能進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3.2 通信模塊開發(fā)

本論文所設(shè)計(jì)的通信模塊需要完成一臺(tái)個(gè)人電腦向多臺(tái)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。由個(gè)人電腦將握手信息主動(dòng)傳遞給單片機(jī)，之后由單片機(jī)對(duì)個(gè)人電腦傳遞過來的信息進(jìn)行處理。握手信息大小為五個(gè)字節(jié)，每一字節(jié)都有不同的功能。地址FEH為握手信息的起始符，表示握手信息的第一個(gè)字節(jié)；地址EFH同樣也為握手信息的起始符，表示握手信息的第二個(gè)字節(jié)；地址OOH表示通信單片機(jī)地址，是握手信息第三個(gè)字節(jié)；地址OOH表示通信內(nèi)容，是握手信息第四個(gè)字節(jié)；地址OOH表示個(gè)人電腦接受到的信息，是握手信息第四個(gè)字節(jié)；地址FFH表示握手信息的結(jié)束，是握手信息第四個(gè)字節(jié)。當(dāng)握手信息由個(gè)人主機(jī)全部傳遞給單片機(jī)后，單片機(jī)就會(huì)提取第三個(gè)字節(jié)中信息，檢查信息接收地址和自身地址是否相符，如果信息接收地址就是自身地址的話，就將SM2位中的信息清空，之后分析接收信息中命令信息。如果命令信息由從機(jī)接受，那么單片機(jī)就要利用從機(jī)進(jìn)行命令子程序的接收；如果命令信息由從機(jī)發(fā)出，那么單片機(jī)就要利用從機(jī)進(jìn)行命令子程序的傳遞，同時(shí)個(gè)人電腦也需要進(jìn)行數(shù)據(jù)接受和傳遞。由于本部分中缺少信息傳遞校驗(yàn)?zāi)K，從機(jī)中信息接受和傳遞數(shù)量無法從上位機(jī)傳輸給下位機(jī)，單片機(jī)R6中存儲(chǔ)了從機(jī)信息發(fā)出數(shù)量；單片機(jī)R7中存儲(chǔ)了從機(jī)信息接受的數(shù)量。外部隨機(jī)存儲(chǔ)器既要存儲(chǔ)從機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)出數(shù)量，又要存儲(chǔ)從機(jī)數(shù)據(jù)接收數(shù)量，前者地址為000H-5FFFH，后者地址為6000H-7FFH.：

4 結(jié)語

無線技術(shù)的不斷進(jìn)步，PC機(jī)與單片機(jī)的技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了通訊事業(yè)的發(fā)展，而人們也對(duì)無線數(shù)據(jù)通訊提出了更高的需求，故而對(duì)PC機(jī)與單片機(jī)的無線通信技術(shù)進(jìn)行持續(xù)不斷地研究是十分重要的。

[1]孫瑞杰,吳曉宇,張瑜,馬鐵華.用VB實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與MSP430單片機(jī)串行通信的研究[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù).2009(11).

[2]博文.妙用手機(jī)短信遙控PC[J].電腦知識(shí)與技術(shù).2005(13).

Design and research of agricultural picking robot control system

Ma Pengbo，Zhang Shuailiang，Zhang Xianglei
(Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan,453003)

with the development of information technology and the continuous improvement of the level of industrial automation, many companies have the design and manufacture of various types of robots, agricultural harvesting robot let people marvel, has gained extensive attention. The author analyses the design of the robot control system of agricultural picking, hope to be able to play good effect.

agricultural picking robot; control system design