采摘機(jī)器人智能化控制系統(tǒng)設(shè)計研究—基于嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)

唐靈飛,張戰(zhàn)杰, 任興濤

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。嵌入式系統(tǒng)具有體積小功能強(qiáng)的特點,可以將計算機(jī)很多功能集成在系統(tǒng)芯片上,將硬件和軟件集于一體,出色地完成各種控制任務(wù)。采摘機(jī)器人是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中開始采用的一種新型的自動化農(nóng)機(jī)設(shè)備,由于其定位和控制系統(tǒng)的精度還不高,因此在作業(yè)過程中難免會出現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量差、效率不高的情況。如果將嵌入式系統(tǒng)引入到采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計上,不僅可以進(jìn)一步減小采摘機(jī)器人的體積和提高控制的精度,對于提高其智能化控制水平也具有重要的現(xiàn)實意義。

1 采摘機(jī)器人智能化控制

在采摘機(jī)器人的設(shè)計時,由于其體積較小、質(zhì)量較輕,不能攜帶太多硬件設(shè)備,因此可以引入嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)具備計算機(jī)的功能,可以集軟件和硬件于一體,獨立完成相關(guān)任務(wù)。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)最常使用的網(wǎng)絡(luò)之一,在果蔬采摘區(qū)域可以利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)采摘機(jī)器人和遠(yuǎn)程端的通信及采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。嵌入式系統(tǒng)及總體框架如圖1所示。

圖1 嵌入式系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)包括嵌入式硬件平臺、嵌入式應(yīng)用軟件及嵌入式操作系統(tǒng),其中嵌入式硬件平臺又由嵌入式外圍設(shè)備和嵌入式處理器組成。嵌入式系統(tǒng)可以和無線傳感網(wǎng)絡(luò)一起使用,無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以直接部署在果園或者大棚內(nèi)的待采摘區(qū)域,通過多跳自組織網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線通信,其網(wǎng)絡(luò)模型示意圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布置示意圖

通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)的布置,可以實現(xiàn)待采摘區(qū)域內(nèi)果實和果樹的信息感知、采集和處理。在與遠(yuǎn)程端進(jìn)行通信時,可以通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),對于傳統(tǒng)的Internet網(wǎng),可以使用Http協(xié)議接入;接入網(wǎng)絡(luò)后,遠(yuǎn)程端可以對采摘區(qū)域內(nèi)的采摘機(jī)器人實時作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)測,還可以對采摘機(jī)器人發(fā)出控制指令,實現(xiàn)智能化控制。

2 采摘機(jī)器人定位和智能化控制系統(tǒng)設(shè)計

采摘機(jī)器人作業(yè)時,首先要對待采摘區(qū)域進(jìn)行定位,特別是定位待采摘的植物,如果采用基于距離的定位方式,受到采摘環(huán)境復(fù)雜性的干擾,有可能造成定位誤差。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三邊測量方法,可以實現(xiàn)待采摘區(qū)域的準(zhǔn)確定位,這種方法受環(huán)境的干擾較小,通過布置傳感器節(jié)點,可以使采摘機(jī)器人迅速地對采摘區(qū)域進(jìn)行定位,其原理如圖3所示。

圖3 三邊測量定位原理

圖3中,根據(jù)三邊測量法的基本原理,傳感器節(jié)點A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)3個節(jié)點的位置已知,D(x,y)是未知節(jié)點,未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離用d1、d2、d3來表示,則其距離公式為

(1)

用前兩個方程分別減第三個方程,將方程組線性化為

AX=b

(2)

其中

(3)

X=[x,y]T

根據(jù)公式采用最小二乘的方法,最終可以得到未知節(jié)點的位置,如果要確定多個未知節(jié)點,可以采用極大似然估計的方法。假設(shè)已知n個參考節(jié)點的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),它們到未知節(jié)點(x,y)的距離分別為d1,d2,…,dn,則有

(4)

用方程組中前n-1個方程減去第n個方程,將方程組線性化為

AX=b

(5)

其中

(6)

X=[x,y]T

用最小二乘法求解方程組,可以得到位置節(jié)點的坐標(biāo),定位到節(jié)點坐標(biāo)即采摘區(qū)域后,便可以對果實進(jìn)行采摘作業(yè)。在采摘作業(yè)的過程中,可以利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)對實時作業(yè)情況進(jìn)行監(jiān)測,其原理如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程監(jiān)測和智能化控制示意圖

在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中,采摘機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)由傳感器采集信息后將信號通過無線傳感網(wǎng)傳送給處理器和遠(yuǎn)程端,處理器根據(jù)采集信息發(fā)出反饋調(diào)節(jié)信號,遠(yuǎn)程端根據(jù)采摘機(jī)器人的實時作業(yè)情況來發(fā)出控制指令,控制機(jī)器人的動作。根據(jù)采摘機(jī)器人監(jiān)測和智能化控制的原理,設(shè)計了系統(tǒng)的硬件和軟件平臺,如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件和軟件平臺設(shè)計

為了實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程端的通信需要使用網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)平臺在S3C2440A芯片及其擴(kuò)展模塊上移植Linux操作系統(tǒng),利用操作系統(tǒng)提供的TCP/IP協(xié)議棧,部署Http服務(wù)器,便可以在遠(yuǎn)程端對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行瀏覽,實際應(yīng)用時還需要采用串口驅(qū)動與Sink節(jié)點通信。遠(yuǎn)程端與無線傳感網(wǎng)絡(luò)建立通信后,可以發(fā)送指令控制采摘機(jī)器人的動作。

圖6為控制模塊的設(shè)計示意圖。

圖6 控制模塊示意圖

控制的過程可以采用遠(yuǎn)程控制、反饋控制和按鍵控制3種形式。其中,遠(yuǎn)程控制主要由遠(yuǎn)程端發(fā)送指令通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送給PLC控制,PLC控制直流伺服電機(jī)運轉(zhuǎn),反饋調(diào)節(jié)由處理器直接根據(jù)反饋信息對PLC發(fā)出指令;當(dāng)需要現(xiàn)場對采摘機(jī)器人進(jìn)行干預(yù)時,可以采用按鍵的形式,3種控制方式可以實現(xiàn)采摘機(jī)器人動作的智能化控制。

3 播種機(jī)自動監(jiān)測系統(tǒng)性能測試

目前,由于采摘機(jī)器人的設(shè)計技術(shù)還尚未成熟,在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中,經(jīng)常會遇到定位不準(zhǔn)、控制精度不高導(dǎo)致的漏采或過失破損等情況,特別是對于一些較難采摘的果實,如西紅柿。西紅柿采摘機(jī)器人作業(yè)示意圖如圖7所示。

圖7 番茄采摘機(jī)器人

圖7為日本研發(fā)的番茄采摘機(jī)器人。在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中,經(jīng)常會遇到漏采和破損的情況,仿照該機(jī)器人的控制系統(tǒng),本研究主要對采摘機(jī)器人的定位和采摘控制過程進(jìn)行改進(jìn),然后利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能。首先對遠(yuǎn)程通信功能進(jìn)行測試,測試對象主要是響應(yīng)時間和丟包率的測試,其統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間和丟包率測試

由表1可以看出:采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點響應(yīng)時間較短,通信效率較高,通信的丟包率也較小,可以滿足較高質(zhì)量的通信需求。對其定位精度進(jìn)行了測試,得到了如表2所示的測試結(jié)果。

表2 定位誤差測試對比

由表2可以看出:采用基于物聯(lián)網(wǎng)的三邊定位方法和直線測距方法的定位誤差都在10%以內(nèi),基于物聯(lián)網(wǎng)的定位誤差要明顯比直線測距要小,從而驗證了該方法的可靠性。

如表3所示,對使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和不使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)時果實的破損率進(jìn)行了對比,結(jié)果表明:采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)后破損率有了明顯的降低。這是由于采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以對采摘機(jī)器人的作業(yè)情況進(jìn)行實時監(jiān)測,當(dāng)發(fā)現(xiàn)在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中有果實破損時,可以采用遠(yuǎn)程控制的方式,對采摘機(jī)器人作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,從而提高采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量。

表3 破損率對比結(jié)果

4 結(jié)論

為了提高采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制精度和效率,提升采摘機(jī)器人的智能化程度,將嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到了采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計上,利用三邊測量和無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制分別提高了采摘機(jī)器人的定位精度和控制質(zhì)量。為了驗證方案的可行性,以西紅柿的采摘作業(yè)環(huán)境為測試環(huán)境,對采摘機(jī)器人的定位精度以及作業(yè)效率和質(zhì)量進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明:采摘機(jī)器人的定位精度和作業(yè)效率較高,且果實的破損率較低,可以滿足高精度采摘的設(shè)計需求。