基于CAN總線的果蔬采摘機器人AGV控制系統分析

陳俊超

（東莞職業技術學院，東莞 523808）

果蔬采摘是相關生產活動中最耗費時間及人工成本的步驟，并且原本該項作業大多是憑借人工處理，實際采摘效率不高，造價成本投入占整體的50%～70%。因此，研究果蔬采摘機器人具有重要的意義。

1 果蔬采摘機器人的研究現狀

現有的此類機器人一般采用履帶式結構。由于和地面接觸多，該類機器人擁有較強的附著力，能降低對農田的碾壓程度，因此對田地適應性較佳，但由于其履帶式的動作機構，導致其轉向半徑范圍大。相較而言，輪式結構的機器人更加靈活，承載力較強，且行進效率高，控制難度低。如今，全方位的輪式結構借助車輪本身裝載定位及定向系統將會成為采摘機器人主要的研究方向。本文以該類機器人為例，分析其自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）控制系統[1]。

2 果蔬采摘機器人的AGV控制系統

2.1 系統硬件

如圖1所示，機器人的AGV系統中包括兩個PC硬件，分別作為主控機及AGV控制機。此外，在電機及控制裝置中，電機分成專向與驅動兩類，同時裝載有部分傳感裝置，如光電編碼器、智能安全模塊（Incident Notification System，INS）模塊等。車體配備控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）與電氣系統。紅外遙控裝置相當于主控機AGV控制單元的按鈕；Android手機則負責獲取從主控機發出的信號，隨時掌握AGV的工作狀態。

2.1.1 GAN節點電路

本文討論的智能節點是單片機C8051F040，其中配備有CAN控制裝置，且配備相應的收發器，可滿足控制系統的通信需要。其中，控制單元基于單片機硬件，用于獲取從串口而來的信息，同時完成相應處理分析。電源單元由控制平臺電源分出，滿足AGV控制機及搭載傳感裝置的電能所需后，此單元會向CAN供電。CAN來自單片機本身帶有的控制器及收發器，可支持控制平臺的CAN網絡任務。

2.1.2 電機及控制器

本文所用的轉向電機基于稀土永磁體，能夠形成直流力矩結構，具有轉速小、反應效率高、力矩變化小、扭矩大的特點，且整體構成較為緊湊，能實現驅動負載。該轉向電機的峰值堵轉扭矩是0.84 N·m，此時電流及電壓分別是5.6 A、27V，功率是151.2 W；連續堵轉扭矩是0.28 N·m，此時電流及電壓分別為1.87 A、9 V，功率是16.83 W，空載轉速能達到1 500 r·min-1。驅動電機選擇無刷的直流電機，方便后續維護[2]。機器人車輪半徑是380 cm，額定電壓是36 V，額定功率為180～125 W，額定效率大于等于81%，額定轉速為200～500 r·min-1。

電機控制裝置依托于數字信號處理（Digital Signal Process，DSP）技術，能夠滿足CAN網絡的應用。此外，本文所用的控制裝置設置有多個信號輸出端及輸入端。基于前后裝置確定零度位置，并在對應點位設置霍爾開關。

光電編碼器選擇旋轉增量式結構，其整體徑長為38 mm，軸孔為8 mm，深度為11 mm，轉速能達到6 000 r·min-1，能夠滿足電機轉速需求。在運行過程中，其耗用電流不會超過150 mA，直流電壓為5 V，輸出脈沖數為360 P·r-1，精度能滿足0.1°。

2.1.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括全球定位系統（Global Positioning System，GPS）模塊、INS模塊、超聲波測距模塊以及紅外遙感器模塊4個部分。GPS模塊可確定機體經緯度、行進方向及速度。本文分析的GPS模塊屬于一種高精度及動態的接收儀，支持二次開發，并有保護與屏蔽的效果。該模塊能夠連接RS232接口，由CAN節點下達指令，其發送端把采集到的信息傳送至AGV。INS模塊能夠通過慣性傳感裝置獲取機體當前的加速度與姿態。超聲波測距模塊能使機器人能準確避障。此模塊利用RS232把信息傳送至連接的裝置上，且攜帶有溫度補償電路，其允許測量的范圍是4～500 cm，分辨率能夠達到1 cm。AGV共裝配8處超聲波傳感裝置，用于感知周圍情況，同時通過RS232通信結構與CAN連接。但是，因為其無法自動測量，需利用RS232下達指令。紅外遙感器由接收器和發射機構成。其中：接收器通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）形式與AGV連接；發射機的有效距離能超過8 m[3]。

2.2 系統軟件

2.2.1 CAN通信程序

通信程序借助串口獲取傳感裝置信息，利用網絡傳送至控制機。第一，串口程序。直接在單片機上布設該程序，支持生成CAN節點傳感裝置信息采集函數。其配置函數UARTC fig()以及初始化函數UARTI nit()通常能被整個程序調用。第二，驅動程序。按照信息傳送的要求，CAN網絡運行中能夠利用多數據幀與遠程數據幀傳送信息。

2.2.2 采集信息程序

GPS模塊借助芯片和CAN連接，能夠在串口處實現信息與指令交換，且該模塊可以向CAN節點傳輸數據。單就信息采集及處理而言，GPS模塊發出的信息包括有效數據區及異或校驗位等。所需采集的信息主要利用串口向CAN提供，且GPS不選擇全部獲取信息后再啟動處理動作，而是根據信息自身格式情況，按照相應提示生成采集程序，對應函數名是GPS_Decode()，并且其參數是指向信息數組的首地址，沒有返回值[4]。

2.3 調試測試

機器人控制系統中，需根據各功能模塊進行調試。首先，在主控機、控制機和手機終端組成的系統中，由無線網絡負責信息傳輸。在此過程中，路由器負責控制機設置有無線網卡，手機終端則可連接Wi-Fi。成功連接網絡后，需要測試主控機、控制機以及其和手機的節點。

首先，設置100 Bytes的數據信息，然后讓PC定時向手機終端傳送各類數據。在實施發送動作期間，PC會保留傳輸信息的數量，而手機則會不斷更新接收信息的數量。測試5 min左右時，比較二者記錄數據[5]。當二者信息數量不同時，證明PC發出的部分數據未被手機終端獲取，此時要延長PC輸出信息的時間，直到二者的記錄信息相同。在這一過程中，延長時間的間隔數值便是主控機和手機終端之間的數據傳送速度。本文所述的控制系統中，該環節的傳輸速度是500 ms。

其次，GPS模塊的作用是獲取機器人位置與行進速度等數據。定位模塊利用串口給控制機傳輸信息。通電后，可將串口進行初始化處理，并設定數據傳輸等有關指令參數，通過解讀信息完成模塊測試。

再次，INS測量模塊主要用來確定機器人加速度及角速率等數據。該模塊的測試要運用慣性傳感裝置確定車體在不同方向上的姿態與加速度。本文所述的慣性傳感裝置自帶濾波算法、安裝誤差補償等多種算法，且主要借助串口輸出測試結果。由于INS模塊本身的波特率符合使用要求，其通電后不必特別調整波特率與串口號。

最后，超聲波測距主要通過測量車體和四周障礙物之間的相對間距來判斷間隔是否處于碰撞危險中，其可用性關系到機器人安全。該模塊可測量的最遠距離為5 m，最近距離為4 cm，分辨率能夠達到1 cm，支持運行的溫度區間為-10～70 ℃，符合機器人的工作條件。此模塊不涉及奇偶校驗。在測距工作中，通過PC機下達測距指令，然后由超聲波測距模塊反饋距離數值。

完成各模塊的測試工作后，要在確保機器人的可控制系統、連接電路、硬件裝置、傳感裝置等均能穩定工作的前提下，對整機硬件、主控機、手機、控制機的軟件程序組織調試，從而在這一過程中找出系統應用的缺陷，并進行有效調整。本系統調試中發現的問題主要有硬件與軟件兩類缺陷。硬件部分主要涉及以下問題：安設限位傳感裝置時，由于轉向軸所處空間限制，前期設計中未能注明具體位置，從而造成后期傳感裝置安設點位不準確，可使用蝸輪蝸桿減速裝置的點位確定傳感器位置；測試超聲波模塊時，由于對應電源有漏電的問題造成了結果失準，對此應選擇更換開關電源；對于轉向電機與驅動電機，最初運用的是普通車載雨刷電機，但由于該種電機蝸輪蝸桿的材質為塑料，造成AGV工作一段時間后發生了明顯磨損，應將電機更換成輪轂電機，并把轉子外形調整成車輪，從而減輕磨損。軟件方面主要涉及以下問題：手機終端啟動該程序后，最初顯示的是一堆亂碼，對此可改用UTF-8的字符集進行處理；主控機對應的應用程序中，最初選擇的是普通對話框程序，而后逐步調整成了手動數據輸入模式。該模式支持用戶使用多個模塊下達不同的操作指令，從而提升了機器人的應用靈活度。

3 結語

通過對果蔬采摘機器人的AGV控制系統進行設計，達到了智能采摘果蔬的目的。專門負責果蔬采摘的機器人能夠提升現代農業的信息化程度，切實解放部分勞動力。對于經營者而言，通過AGV的有效控制，不但能進行遠程操控，而且能夠節省果蔬采摘成本。