基于足球機器人控制系統的采摘結構運動系統構建分析

史 磊

(平頂山工業職業技術學院,河南 平頂山 467000)

0 引言

目前,我國農業采摘技術不斷進步和發展,通信與計算機自動控制技術不斷融入可以更快地提升各類采摘果蔬機構的效率與作業性能。據了解,足球機器人的控制系統涵蓋了信息實時傳輸、動作控制及多機器人間的相互協作等多樣化的控制信息。采摘機器人或者機械手的各結構部件運動的控制機理與足球機器人運動控制相似,均以更精準地獲取采摘環境及采摘果實的信息、不斷提高采摘機構的運動控制準確率和采摘成功率及更人性化地完成智能自動采摘作業為目標,筆者從足球機器人控制系統應用的角度出發,針對采摘系統的運動規律進行探討分析。

1 采摘運動系統原理及結構

進行智能化的無人采摘,設計宗旨在于利用機器代替人工采摘作業,即形成以機械臂、末端執行機構及自動行走機構為核心部件的智能采摘結構,控制部件主要包含類似于人類視覺的果實識別裝置、信號傳遞感應模塊及電源模塊等,多自由度的機械臂運動可以保證采摘機構在采摘環境相對復雜的條件下進行具有高準確率的采摘作業。

結合應用技術較為廣泛的足球機器人運動控制原理,對采摘機構的運動系統的控制電路進行分析,其采摘運動控制實現過程如圖2所示。將足球機器人的踢球動作按照一定規則和算法轉換為采摘結構運動系統中的采摘執行作業動作,信號控制與調節電子回路作為采摘機構驅動輪控制裝置與采摘執行動作控制裝置的信息交匯與處理關鍵環節,并與下位機運動系統實現雙向共享。此時,上位機與下位機可保證雙向信息傳輸,便于采摘與行走的調節與控制;加入聲控系統,針對不可預見性的采摘周邊環境障礙,傳送至采摘結構運動控制系統實現采摘機械手的高效避障動作,有效保證采摘成功率。

圖1 智能采摘機器手作業示意圖

圖2 足球機器人機理下的采摘運動控制原理簡圖

2 足球控制機理下的采摘運動系統構建

2.1 采摘運動理論模型建立

考慮足球機器人多協作的運動特點,形成足球機器人控制機理下的采摘策略控制流程,如圖3所示。

圖3 足球機器人控制機理下的采摘策略控制框圖

該策略控制流程主要劃分為策略層、通信層和效應層。其中,策略層與通信層之間通過龐大的數據策略庫進行信息交換,并可實現直達效應層的動作控制;經中心服務器與實際采摘場景比對,對場景識別的信息模型輸入采摘結構控制模型實現準確更新,從而再次達到策略層形成閉環結構控制。

動態角色分配方面,加入足球機器人的角色分配算法,保證每次的動作采摘得到最優解,更好地實施采摘整機控制決策;結合障礙預知、碰撞避免功能的實現,對采摘的連續動作引入HCSP語言算法,并注重考慮該采摘結構運動系統各部件間的動作執行效率與系統的整體抗干擾程度,建立足球機器人控制機理下的采摘運動系統的位姿運動模型為

(1)

式中Δx—采摘機器人的橫向坐標增量;

Δy—采摘機器人的縱向坐標增量;

v—采摘機器人運動機構線速度;

θ—采摘機器人運動機構控制夾角;

Δt—位姿采樣周期;

ΔSl—采摘機器人的左側驅動輪位移量;

ΔSr—采摘機器人的右側驅動輪位移量;

ω—采摘機器人運動機構角速度;

d—采摘機器人驅動輪間的距離。

結合采摘結構的電機驅動特性,有

(2)

式中N—驅動電機轉速;

U—電源電壓;

R—驅動電機電樞電阻;

i—驅動電機電樞電流;

Ke—反電動勢常量。

設定采摘機構的工作空間為平面,且坐標控制選擇極坐標下的運動路徑控制,可得采摘運動系統理論模型為

(3)

式中nLv—采摘機器人運動速度;

fAngle—采摘機器人運動結構方向與規定參照方向的夾角。

根據上述采摘運動理論模型,運用足球機器人控制系統機理進行設計,配置如表1所示的采摘結構主要部件,以實現場景準確識別、信息傳遞與互通控制及驅動執行采摘等主要采摘目標。

表1 基于足球機器人控制的采摘結構主要部件

2.2 硬件結構系統構建

考慮采摘機器的各部件是一個多執行指令的綜合體,不同執行動作所具備的傳遞感應系統不一,實現的決策與運動控制存在差別性,建立如圖4所示的采摘機器硬件結構系統。系統構建以雙DSP控制電路為核心,從電源控制、通信電路、采摘控制電路及電機驅動電路系統4方面達到互相平衡的作用關系。

圖4 采摘機器硬件結構系統

為滿足采摘結構運動的平滑性,通過增設速度調節跟隨器對中間采摘執行機構的作業速度進行實時監控與調整,經位置規劃、控制器驅動的高度配合,可有效防止驅動輪與采摘環境障礙物及自身因素造成的運動堵轉現象,從而減少采摘結構運動系統的擾動缺陷。

2.3 軟件控制系統設計

采摘機構的軟件控制是實現精準采摘的核心步驟,有效控制指令的分配下達與采摘工藝的實際結合度,可為軟件設計程序編制創造必要條件。因此,對采摘機構的運動系統進行足球機器人控制機理下的指令設置(見表2),主要包括系統啟停、動作發出及采摘機構運動速度等多種預實現功能。

表2 足球機器人控制機理下采摘機構運動系統核心指令設置

針對足球機器人控制的采摘系統定位算法流程(見圖5),對采摘機器的識別信號進行權重計算和信號重采樣,經核心算法對比后確定新方式下的求解行為策略,實現采摘機械臂的定位控制,此處給出重要的程序設計及控制執行片段:

class robot_motion

{

private int axis_id;

long posi,velo,accel,lastposi;

int direction;

long_set_motor_posi(float loops);

long_set_motor_velo(float vel);

long_set_motor_accel(float acc);

public;

robot_motion(int axis_no,int const_p,

int const_i,int const_d);

～robot_motion();

int setv(float v);

int seta(float a);

int getv();

int move(int motion_mode);

int stop(int stopstyle);

}

圖5 基于足球機器人控制的采摘系統定位算法流程

3 采摘運動系統試驗

3.1 條件設置

進行采摘運動系統試驗,試驗裝置如圖6所示。為保證試驗的合理性及可參考性,選定采摘機構的漏采率為主要評定參數,來衡量運動系統的動作執行平穩性與可控性。

圖6 基于足球機器人控制系統的采摘試驗主要裝置

采摘試驗運動坐標系統,如圖7所示。經特征點像坐標、像素位置控制與映射像素坐標的三者共同呈現采摘果實像素,此時采摘機構開始運動動作。

圖7 足球機器人控制機理下的采摘試驗運動坐標系統

3.2 過程分析

對采摘試驗數據進行記錄與統計及有效性篩選與處理后,得到如表3所示的采摘結構運動系統控制相關數據。由表3可知:在試驗次數為30次的條件下,同步跟蹤停止、前進、后退、左移和右移5項主要采摘動作,整體的采摘成功率可達到93%以上,驗證了采摘動作控制指令的準確性及試驗的可行性。

表3 采摘結構運動系統控制的試驗數據統計

進一步對采摘試驗的時間和漏采率進行計算,得出如表4所示的采摘運動控制試驗綜合評價參數。由表4可知:采摘試驗時間為1.50～2.50min時,該采摘機構的綜合漏采率可控制在1.20%以下,且最小的綜合漏采率可以降低至0.95%,可以滿足實際果實采摘需求。

表4 采摘運動控制試驗綜合評價參數表

4 結論

1) 通過分析當前足球機器人控制系統的控制原理,并結合農業機械采摘的結構運動控制要求,針對采摘結構進行了設計分析。

2) 從采摘結構的運動系統原理和主要采摘部件入手,建立了基于足球機器人控制系統下的采摘運動理論模型,并對其硬件結構系統進行搭建、軟件控制系統進行優化,得出完整的采摘機構,且進行針對性采摘試驗。試驗表明:采摘機構的采摘成功率可達到93%以上,且選定采摘試驗時間的范圍為1.50～2.50min時,該采摘機構的綜合漏采率可控制在1.20%以下。

3) 該采摘運動控制試驗驗證了將足球機器人控制系統機理應用于采摘結構運動系統的可行性與平穩性,可為其他農業采摘機具優化提供思路和參考。