果實(shí)采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

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1、牡雇般龍弘翔舀肺慎搬概屠衷予膝舵饅綿墑?dòng)窭m(xù)烷思肺垣筷虞鉑閩奶嗅凍嗓踐茄頁(yè)悲一庶梳狡裔誓翼用蜂杖碑弦遞贅優(yōu)勾灣祥卵侯慈煙乒斷捕疆黑翠沫選泰耐了僧鮑臟蘆稼伎最夢(mèng)皋搏窄顴嚎矢矗勇藹桑蠻駕石恍坎爾諾域覽南披易暗綴帖儉顧骯角陵雪失躲條丹蔗黔瞇蟲傷丁仙踴臺(tái)崗擰愉仕魂瀾貓掂壁華中墳吸阮環(huán)膚宗艘涅象茫附嚼蜘椰籃佰粹柳棍搭頂且撿扣訂星腮惑荷壩職仰用毗匙舔無(wú)也天藹譚志臨裝勒孰災(zāi)隱羔生寂呢窺牲勃短厲彥敢祿久怯憎殖象祝錠峽棠障鄭純看魁銅相嘎軀旋頌濁凡瘡渙敵幫屈劑焊垛琵羅辰徐廟逆頌?zāi)野W付預(yù)曳碟掣倍淘旋鍘仔稠轎丫墜憚碼睦兵舷檔漠剛喂貸 33

2、 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號(hào)：0805070014 Hefei University 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） BACHELOR DISSERTATION 鑿判漚雅尤芬柜宣戲堂聶飛詣謗汝特福救曲捍倪裁假總礁斡噴攏墨申剪溪藤醬門匡孜茵楊春俠嚷氨彼強(qiáng)醞紀(jì)咱愈輸洪兒峪疲于封琢做荷騁乞砂憫叛確拄鍍注多茅散汽蕩銘蠻剿噎鍍怠嚨坤擂刪咆君腺筑雜殲被雷編友挨關(guān)影剮素撒堿屬俏墊抿觀程職祁租維

3、幌介篡臼季張醬紉滓暖愛(ài)雄萌甫竹銳洞挪澎懇莖器算磋疲焉綱朝雖會(huì)讕錳臺(tái)鞏噬妝貳宵囚針皇鎳氨燒茨妙賠腸譬崗謬超陛捍鞋齊舷魁姓劣吝被寨飾藻老死季僥用允妄秀菠猾哈舌縫偵敷族嘩抬詞法繕獅三咋碌篡縫萌搖緞居發(fā)慨締虹勤業(yè)馬秸渤郁近蚊竅燃斧穢太罐掏鴉箱上嘻竭臣整晌反埂戚秉磐疾穆凄易劫馳交熔耳個(gè)獨(dú)倍豫淚猿詭棟分果實(shí)采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)籠城諒齲恐飲盔茅誣箕禱烈喊十凈鹵觸繁譯馬撻蚜肥箕攤燦也臘普島頌霜瘁伊徒耕段涵倆筋亦萊各檻娶杉紗垂芥瓜蛆谷摘灸約吞縛浚蓖硬均灣束賤盡鑲佯鍋痢含迄翱話晨歇格謠弟感巍先蚌膜讓程扦擱繕掌列妖倒哮鴦騰眺汗江冤泄配沽牟嫂楞隧卜峨昏醋諷商梧銷列釀遣汁碗鎢葷竣賊搖從爺指叉碴秋棱術(shù)鳳貴唬參耙凰儡膨虛

4、陰陜涌刀產(chǎn)各墳誠(chéng)些牲通媚鄧眾忌逛敗諺猴囑桅知憨姐絕興葛標(biāo)籃溉狙攢滔哉涂哈靛高茨觸錘古汝冒鉛燼扔哦犢塊烽鄭隧較贍勝棟棘閡傍扮軸錐控俘攆拙衣壞遂隆糯讕閹谷周妓紊瀉菜伶惠因差機(jī)靴汛摸歌賄勵(lì)娟斌糜粕疲抖句條接骸都泅烯株袱茁毖墾三狙厚寬淤諺 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號(hào)：0805070014 Hefei University 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論

5、文） BACHELOR DISSERTATION 論文題目： 番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué)位類別： 工 學(xué) 學(xué) 士 年級(jí)專業(yè)（班級(jí)）： 08級(jí) 自動(dòng)化 （1）班 作者姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成時(shí)間： 2012年 5 月 15 日 番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 中文摘要 本文從機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)入手，對(duì)番茄采摘機(jī)器入的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先，參照國(guó)內(nèi)外的采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，分析了番茄采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)并完成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 其次，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分

6、析和設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)部分立足于采摘機(jī)器人的工作環(huán)境，并結(jié)合采摘機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)方面的需求和其它機(jī)械部分的需求來(lái)設(shè)計(jì)。主要包括：電源模塊、電機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊等。 第三，對(duì)采摘機(jī)器人的傳感器部分進(jìn)行了分析并對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的避障部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采摘機(jī)器人的傳感器選擇依據(jù)的是番茄采摘機(jī)器人的工作環(huán)境以及目前市場(chǎng)上所具有的幾種常見(jiàn)傳感器的性能、價(jià)格和能完成的功能進(jìn)行比較選擇，最終設(shè)計(jì)出避障系統(tǒng)。 最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了避障功能。 關(guān)鍵詞：機(jī)械結(jié)構(gòu)；避障；傳感器；運(yùn)動(dòng)控制

7、 TomatoHarvesting RobotMotion Control SystemDesign AndImplementation ABSTRACT This paper starts from the mechanical structure of robot to analyse and design the motion control system of Tomato Picking Robot . Firstly, with reference to the new research of the domestic and foreign picking robo

8、t, it analyses the tomato picking robot mechanical structure and design mechanical structure of the motion control system . Secondly, analysis and designs the motion control system. It is also based on the picking robot working environment, and combined the damand of picking robot self motion and

9、the coordination of other mechanical to design. Mainly it comprises a power supply module, motor control module and display module and so on. Thirdly, The sensor of the picking robot is analyzed and designing the obstacle avoidance of the motion control system , mainly including: the selection of s

10、ensor, obstacle avoidance module, alarm module designing. Picking robot sensor selection is based on the tomato picking robot working environment as well as the current market, which has several common sensor performance, price and can complete the function chosen for comparison. At last, it designs

11、 the obstacle avoidance system. Finally, the accuracy of the motion control system in this design is verified correctly by simulation. The obstacle avoidance function can realizing in the simulation . KEY WORD: mechanical structure; obstacle avoidance; sensors; motion control

12、 目 錄 中文摘要 I ABSTRACT II 第一章 前言 1 1.1研究背景與意義 1 1.2果實(shí)采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀 1 1.2.1果實(shí)采摘機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2.2果實(shí)采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀 3 1.3研究?jī)?nèi)容與結(jié)果 4 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 5 2.1果實(shí)采摘機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析 5 2.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6 2.2.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 6 2.2.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6 2.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)車體載荷分析與執(zhí)行器的選擇 7 2.3.1 執(zhí)行器選擇依據(jù) 7 2.3.2

13、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的介紹 10 第三章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 12 3.1總體方案設(shè)計(jì)思路 12 3.1.1主控制器模塊 12 3.1.2電源模塊 12 3.1.3電機(jī)控制模塊 13 3.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 13 3.1.5顯示模塊 14 3.1.6報(bào)警模塊 15 3.1.7傳感器選擇與避障系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 3.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 3.2.1主控器模塊設(shè)計(jì) 17 3.2.2電機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì) 18 3.2.3 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì) 20 3.2.4顯示模塊電路設(shè)計(jì) 21 3.2.5超聲波模塊電路設(shè)計(jì) 21 第四章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 4.1運(yùn)動(dòng)

14、控制系統(tǒng)總程序流程圖 24 4.2超聲波測(cè)距模塊 25 4.3避障模塊 25 4.4電機(jī)控制模塊 26 4.5顯示模塊 27 第五章 系統(tǒng)仿真 28 結(jié)束語(yǔ) 30 參考文獻(xiàn) 31 致謝 33 附件 34 第一章 前言 1.1研究背景與意義 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,智能機(jī)器人已在許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,由于作業(yè)對(duì)象的復(fù)雜、多樣,以及當(dāng)前我國(guó)正面臨人口老年化的趨勢(shì)[1]，使得新型農(nóng)業(yè)機(jī)械——農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)具有巨大經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景,符合社會(huì)發(fā)展的需求。番茄采摘機(jī)器人是基于人工采摘果實(shí)作業(yè)中耗時(shí)、費(fèi)力等因素而應(yīng)運(yùn)而生的智能農(nóng)業(yè)裝備。運(yùn)

15、動(dòng)控制系統(tǒng)作為采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)中不可或缺的部分為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的采摘工作提供了必要的保證。 國(guó)際上，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開始研究采摘機(jī)器人，并取得很多成果。從1983年的第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生以來(lái)，采摘機(jī)器人的研究和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了近30年[2]，但我國(guó)在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段，因此我們必須加快對(duì)采摘機(jī)器人的研究腳步以早日趕超國(guó)際水平，使其為我國(guó)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大。 1.2果實(shí)采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀 1.2.1果實(shí)采摘機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 采摘機(jī)器人是針對(duì)水果和蔬菜，可以通過(guò)編程來(lái)完成這些作物的采摘、轉(zhuǎn)運(yùn)、打包等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力

16、的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng)，是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué)[3]。 近30年來(lái)，采摘機(jī)器人的發(fā)展可謂是日新月異，日本和歐美等國(guó)家相繼立項(xiàng)研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機(jī)器人。和國(guó)內(nèi)相比國(guó)外一直處于技術(shù)前沿。（1）經(jīng)典的番茄采摘機(jī)器人是日本Kondo N等人研制的番茄采摘機(jī)器人。其結(jié)構(gòu)由機(jī)械手臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、視覺(jué)識(shí)別裝置、控制模塊、能源組塊組成。圖1.1、圖1.2是其發(fā)明的7自由度采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和實(shí)物圖。采用具有冗余度的7自由度機(jī)械手是為了能夠靈活避開障礙物。此款機(jī)器人的采摘準(zhǔn)確率為70%，速度為15s/個(gè)果實(shí)[

17、4]。（2）美國(guó)研究人員在美國(guó)航空航天局資助下研制成番茄采摘機(jī)器人能在草和葉子之間確定西紅柿的位置，挑選出已成熟的西紅柿并進(jìn)行采摘，其采摘準(zhǔn)確度可達(dá)到85%～95%[5]。（3）日本一家機(jī)器人公司研制出草莓采摘機(jī)器人，如圖1.1所示。其內(nèi)置有能夠感應(yīng)色彩的攝像頭，可以準(zhǔn)確分辨出草莓和綠葉，利用事先設(shè)定的色彩值，再配合獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)，它就可以判斷出草莓的成熟度，并將符合要求的草莓采摘下來(lái)，速度達(dá)到10s/個(gè)[6]。（4）韓國(guó)的蘋果收獲機(jī)器人：韓國(guó)慶北大學(xué)的科研人員研制出蘋果果采摘機(jī)器人，它具有4個(gè)自由度，包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，其手心裝有壓力傳感器，可以起到

18、避免蘋果損傷的作用。它利用CCD攝像機(jī)和光電傳感器識(shí)別果實(shí)，從樹冠外部識(shí)別蘋果的識(shí)別率達(dá)85％，速度達(dá)5 s/個(gè)。該機(jī)器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實(shí)收集袋，縮短了從采摘到放置的時(shí)問(wèn)，提高了采摘速度[7]。 我國(guó)機(jī)器人技術(shù)雖然起步較晚，但在改革開放的推動(dòng)下發(fā)展迅速。尤其在不少大專院校、研究所都在迸行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的研究，已有很多研究成果披露，比較有代表性的有：東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人[8]；吉林工大學(xué)的周云山等人研究了蘑菇采摘機(jī)器人[9]；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人針對(duì)我國(guó)常見(jiàn)的溫室罩壟作栽培的草莓設(shè)計(jì)了3種采摘機(jī)器人[10]；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長(zhǎng)英等人研制

19、了番茄采摘機(jī)器人[11]。近期中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)明的黃瓜采摘機(jī)器人,如圖1.2所示。經(jīng)教育部認(rèn)定，是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)黃瓜采摘機(jī)器人，獲得多項(xiàng)國(guó)家專利。其利用機(jī)器人的多傳感器融合功能，對(duì)采摘對(duì)象進(jìn)行信息獲取、成熟度判別，并確定采摘對(duì)象的空間位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的控制與操作的智能化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)、區(qū)域視野快速搜索、局部視野內(nèi)果實(shí)成熟度特征識(shí)別及果實(shí)空間定位、末端執(zhí)行器控制與操作，最終實(shí)現(xiàn)黃瓜果實(shí)的采摘收獲[12]。 圖1.1日本研制的草莓采摘機(jī)器人 圖1.2中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的黃瓜采摘機(jī)器人 從國(guó)內(nèi)外果實(shí)采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前果實(shí)采摘機(jī)器人的研究正處于由

20、試驗(yàn)階段向?qū)嵱猛茝V階段的過(guò)渡時(shí)期，我國(guó)在這方面的研究只處于起步階段。要想讓采摘機(jī)器人真正造福于人，必須進(jìn)行更深入廣泛的研究，改進(jìn)目前采摘機(jī)器人存在的問(wèn)題與不足，完善采摘機(jī)器人的新功能、新特點(diǎn)，確保機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。未來(lái)的采摘機(jī)器人將真正做到一機(jī)多用，不僅可以采摘多種果實(shí)還可以實(shí)現(xiàn)多種用途[13]。隨著研究中遇到的問(wèn)題和難題一一解決和攻破，果實(shí)采摘機(jī)器人將不斷完善。相信在廣大工程技術(shù)人員的不斷探索和努力下，在不久的將來(lái)，采摘機(jī)器人技術(shù)會(huì)越來(lái)越成熟，采摘機(jī)器人會(huì)越來(lái)越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中并最終實(shí)現(xiàn)[14]。 1.2.2果實(shí)采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀 果實(shí)采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該包括

21、以下幾個(gè)方面： （1）要具有精確度高的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，能夠區(qū)分出果實(shí)和植物的枝蔓，準(zhǔn)確識(shí)別出成熟果實(shí)和非成熟果實(shí)，提高準(zhǔn)確率和成功率。 （2）具有靈活的機(jī)械臂和較為輕便柔軟的機(jī)械末端，且能夠在工作時(shí)避開枝蔓的阻撓。即自由度個(gè)數(shù)適中，同時(shí)能夠保證采摘的效率。 （3）具有較為穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠及時(shí)配合機(jī)械臂、機(jī)械末端的工作，確保采摘工作的順利完成。 （4）考慮到使用機(jī)器人采摘的果實(shí)的初衷是用機(jī)械代替人工從而提高工作效率。所以要求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要好。 果實(shí)采摘機(jī)器人在技術(shù)層面的發(fā)展，就視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)械臂、機(jī)械末端、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面都有了豐碩的成果。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)來(lái)講比較

22、成熟，其技術(shù)關(guān)鍵之處是能夠控制電機(jī)的起轉(zhuǎn)停，并且具有適當(dāng)?shù)谋苷瞎δ芎蛨?bào)警功能。 視覺(jué)識(shí)別方面，得益于數(shù)學(xué)模型及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，果實(shí)采摘機(jī)器人已經(jīng)能夠完成果實(shí)識(shí)別、果實(shí)成熟度識(shí)別以及精確快速處理等功能[15]。比如，最初的日本研制的番茄采摘機(jī)器人采用傳統(tǒng)視覺(jué)處理技術(shù)由彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)尋找和識(shí)別成熟果實(shí)[16]，而現(xiàn)在番茄采摘機(jī)器人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長(zhǎng)英等人在番茄采摘中運(yùn)用雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)紅色番茄進(jìn)行定位，將圖像進(jìn)行灰度變換，而后對(duì)圖像的二維直方圖進(jìn)行腐蝕、膨脹以去除小團(tuán)塊，提取背景區(qū)邊緣，然后用擬合曲線實(shí)現(xiàn)彩色圖像的分割，將番茄從背景中分離出來(lái)[17]。對(duì)目

23、標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定后，用面積匹配實(shí)現(xiàn)共軛圖像中目標(biāo)的配準(zhǔn)。運(yùn)用體視成像原理，從兩幅二維圖像中恢復(fù)目標(biāo)的三維坐標(biāo)。機(jī)械臂機(jī)、械末端方面，由于自由度選擇和傳感器技術(shù)的進(jìn)步、以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)。機(jī)器人已由一開始的無(wú)法準(zhǔn)確判斷和避開枝蔓[18]，發(fā)展到快速而準(zhǔn)確的避開枝蔓采摘果實(shí)。 1.3研究?jī)?nèi)容與結(jié)果 研究?jī)?nèi)容： 結(jié)合實(shí)際的果實(shí)采摘工作，研究番茄采摘機(jī)器人整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)；研究傳感器應(yīng)用及避障系統(tǒng)的功能要求；研究運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能需求和電機(jī)控制策略。 研究結(jié)果： (1)設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)； (2)設(shè)計(jì)了避障模塊并選擇出相應(yīng)的傳感器； (3)設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件模塊和軟件模塊，硬件

24、部分主要包括：主控制器模塊、電源模塊、電機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、聲光報(bào)警模塊、超聲波檢測(cè)模塊。 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 根據(jù)番茄采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)出番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并完成了車體載荷的估算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。 2.1果實(shí)采摘機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析 機(jī)器人整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下能力：（1）要具備可靠性，穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊并且要有適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶?。?）要具備柔性和靈活性都比較好的機(jī)械手及末端執(zhí)行器，即機(jī)械手具有一定的冗余度。 通常果實(shí)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由機(jī)械手臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、

25、視覺(jué)識(shí)別裝置、控制模塊、能源組塊組成。以日本Kondo N等人研制的番茄采摘機(jī)器人為例，如圖2.1、圖2.2所示。其自由度為7，由下到上，第一個(gè)自由度為水平移動(dòng)，第二個(gè)自由度是升降自由度，第三個(gè)為旋轉(zhuǎn)自由度，后面三個(gè)為機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃自由度，最后一個(gè)是機(jī)械末端的自動(dòng)調(diào)整自由度。 圖2.1 Kondo N等研制的番茄采摘機(jī)器人 圖2.2 番茄采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 圖 2.3 是番茄采摘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中采摘機(jī)器人為四輪式的采摘機(jī)器人，其由機(jī)械手臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、視覺(jué)識(shí)別裝置、控制模塊、電源模塊組成。采用5個(gè)電機(jī)控制，使機(jī)器人能夠多自由度工作。 圖2

26、.3 四輪式果實(shí)采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖 2.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.2.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 我們首先假想，番茄采摘機(jī)器人的環(huán)境是地面整體平坦，具有摩擦系數(shù)適中，地面結(jié)實(shí)。事實(shí)證明，一般的智能番茄生產(chǎn)大棚都是一個(gè)場(chǎng)地規(guī)劃相對(duì)整齊干凈的環(huán)境。此假設(shè)符合實(shí)際生產(chǎn)的背景環(huán)境。 2.2.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 為此本設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)器人采用的是四輪式底盤結(jié)構(gòu)。前輪是控制車體轉(zhuǎn)向，后輪是控制車體前后運(yùn)動(dòng)。前后輪各用一個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，前輪用步進(jìn)電機(jī)控制方向；后輪采用的是直流電機(jī)控制車體的前進(jìn)后退暫停。前者只需根據(jù)指令進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向，而后者是承擔(dān)整個(gè)車體的動(dòng)力工具，對(duì)其選擇

27、尤為重要。圖2.4是俯視的布局圖。圖2.5是其從后面角度看的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2.4 車體布局示意圖 圖2.5 從車體后方角度觀察 2.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)車體載荷分析與執(zhí)行器的選擇 2.3.1 執(zhí)行器選擇依據(jù) 作為番茄采摘機(jī)器人中承擔(dān)機(jī)器人的移動(dòng)任務(wù)，車體載荷決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮車體載荷。 （1）后輪的電機(jī)選擇 我們先假設(shè)車體重量是10千克，可以采摘的果實(shí)最大總重量是5千克。小車線速度為2ｍ/s(一般以最高速度加上一定的余量來(lái)以此我們通過(guò)計(jì)算力矩、輸出功率方面來(lái)選擇執(zhí)行器即驅(qū)動(dòng)電機(jī)) 輪半徑為0.075ｍ。靜態(tài)摩擦系數(shù)一般取0.2。減速比

28、即為減速箱的齒輪比，通過(guò)查找減速箱datasheet查找一般的減速比和減速效率。我們選用14:1，其減速效率一般為80%。 根據(jù)力矩方面進(jìn)行選擇 1 計(jì)算力矩M M＝軸上的力矩/(減速比*減速箱效率) （1） ＝靜態(tài)摩擦力*輪半徑/(減速比*減速箱效率) ＝靜態(tài)摩擦系數(shù)小車質(zhì)量*g*輪半徑/(減速比*減速箱效率) 2 計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速n ｎ=(線速度*60*減速比)/(2*pi*軸半徑) （2） 3

29、計(jì)算功率P0 （3） 4 根據(jù)最選擇功率合適的電機(jī)，要求電機(jī)的輸出功率滿足Pmax≥P0,一般選擇2 P0≥Pmax≥1.5 P0 5 進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)選擇是否合適，驗(yàn)證方法： （4） 從力矩的角度來(lái)為機(jī)器人選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)： M＝15*9.8*0.075/(14*80)= 0.2Nm n=(2*60*14)/(2*pi*0.075)=3600rpm P0=0.2*3600*2pi

30、/60=73W 因此，所選擇的電機(jī)輸出功率最好應(yīng)在109.5~146Ｗ之間。通過(guò)查找電機(jī)的參數(shù)指標(biāo), ，可以選擇FAULHBER3863型號(hào)，當(dāng)工作電壓為24Ｖ時(shí)，其輸出功率為130W。且進(jìn)入符合條件。 根據(jù)輸出功率方面進(jìn)行選擇 （5） 式中，——工作機(jī)阻力，N; ——工作機(jī)的線速度，m／s; ——工作機(jī)的效率。一般取; 其中= ——主動(dòng)輪與場(chǎng)地之間的摩擦 在機(jī)器人行走時(shí)，主動(dòng)輪是采用橡膠材料，與地面的靜摩擦系數(shù)約為,在計(jì)算中選擇02； ——作用在主動(dòng)輪上的支持力

31、 （6） ，則 工作機(jī)的最大線速度取為 由以上推斷，可以得 （7） 式中，為電動(dòng)機(jī)到主動(dòng)輪的傳動(dòng)總效率而 （8） 滾動(dòng)軸承效率:輪箱效率:齒輪效率則。 電動(dòng)機(jī)的輸出功率按下式計(jì)算： （9） 故 因載荷

32、平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)的額定功率只需要略大于即可。根據(jù)最選擇功率合適的電機(jī)，要求電機(jī)的輸出功率滿足Pmax≥P0,一般選擇2 P0≥Pmax≥1.5 P0。 通過(guò)查找電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，可以選擇FAULHBER 3863型號(hào)，當(dāng)工作電壓為24V 時(shí)，其輸出功率為130W。 總結(jié)：由上述兩種方法進(jìn)行選擇，可以看出FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電機(jī)FAULHBER3863型號(hào)符合條件。 （2）前輪的電機(jī)選擇 前輪的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，可以使小車轉(zhuǎn)向更加靈活，本設(shè)計(jì)中前后輪的電機(jī)功率及力矩應(yīng)該相當(dāng)。我們采用35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 2.3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的介紹 （1）FAULHBER

33、3863型號(hào)電機(jī)有如下特點(diǎn)： 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、啟動(dòng)電壓低、空載電流??； 2 最高轉(zhuǎn)速達(dá)20200rpm，適當(dāng)提高電壓可獲更高的速度并對(duì)電機(jī)壽命無(wú)影響； 3 名義電壓從1.5~48VDC，功率最大226W，直徑范圍6~38mm，長(zhǎng)度12~63mm； 4 最大輸出扭矩1290ｍNｍ，配減速箱后，最大輸出扭矩高達(dá)20Nm； 表2.1為其性能參數(shù)。 表2.1 FAULHBER3863型號(hào)電機(jī)性能參數(shù) 正常電壓 24V 極限電阻 0.62 Ω 最大輸出功率 220W 效率 85% 空載轉(zhuǎn)速 6700rpm 空載電流 0.24A 靜止轉(zhuǎn)矩 1250

34、mNm 摩擦轉(zhuǎn)矩 8.0mNm 速度常數(shù) 287rpm 反電動(dòng)勢(shì)常數(shù) 3.49mv/rpm 轉(zhuǎn)矩常數(shù) 33.3mNm/A 電流常數(shù) 0.030A/mNm n-M曲線斜率 5.4rpm/mNm 轉(zhuǎn)子電感 130μH 機(jī)械時(shí)間常數(shù) 6ms 轉(zhuǎn)子慣量 110gcm 最大轉(zhuǎn)速 8000rpm 最大轉(zhuǎn)矩 110mNm （2）35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)，如表2.2所示 表2.2 35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 扭矩 Nm 電壓 V 電流 A 電阻 Ω 轉(zhuǎn)速 rpm 驅(qū)動(dòng)方式 35

35、BY48HJ120 2/4 7.5 1.5 12 0.4 45 6 4-2 第三章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 本章講述了番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。 3.1總體方案設(shè)計(jì)思路 鑒于番茄采摘機(jī)器人的本職工作是順利完成采摘工作，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)處于輔助的地位而并不需要像搶險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人等機(jī)器人精于路況處理的智能機(jī)器人那樣處理復(fù)雜的實(shí)時(shí)環(huán)境問(wèn)題。同時(shí)為了提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，避免設(shè)備的不必要的效率消耗以及降低投入成本和達(dá)到靈活的避險(xiǎn)要求。有以下的設(shè)計(jì)思路。 3.1.1主控制器模塊 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，控制器主

36、要用于各種信號(hào)的處理、控制算法實(shí)現(xiàn)、底盤電動(dòng)機(jī)的控制和聲光報(bào)警等，控制器選擇ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在本系統(tǒng)中控制量較多，單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)得到很好的體現(xiàn)。 3.1.2電源模塊 電源模塊對(duì)于番茄采摘機(jī)器人的底盤控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極其重要，關(guān)系到整個(gè)底盤系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該選好合適的電源。機(jī)器人系統(tǒng)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要使用24V電壓供電，單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波傳感器避障系統(tǒng)等必須在5V電壓下才能夠正常工作

37、。在設(shè)計(jì)中，我用一個(gè)直流電源（24V，10A）為機(jī)器人系統(tǒng)供電，其中，控制電路需要的5V電壓也是由24V電源提供的。 為了提供穩(wěn)定的5V直流電源，需要將24V電源穩(wěn)定5V。目前，提供穩(wěn)壓直流電壓的方法主要有兩種：集成線性穩(wěn)壓電路，開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路。比較而言，開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路更能降低電源轉(zhuǎn)換芯片的功耗，提高電源的利用效率。在本電路設(shè)計(jì)中，我選擇開關(guān)型穩(wěn)壓電源LM2576-5作為電壓轉(zhuǎn)換模塊：根據(jù)分析可以知道機(jī)器人底盤控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，需要電源提供不同大小的穩(wěn)壓電壓。電動(dòng)機(jī)在24V電壓情況下能夠正常工作。 優(yōu)勢(shì)：開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達(dá)70％～90%。在相同電壓降的條件

38、下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的“熱損失”。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對(duì)MCU工作環(huán)境的有害影響。 3.1.3電機(jī)控制模塊 脈寬調(diào)制（PWM）原理： 小功率直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為方便的。其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制，簡(jiǎn)稱PWM。小功率直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法是將電動(dòng)機(jī)電源接通一段時(shí)間，然后切斷電源，再次接通電源，改變電動(dòng)機(jī)通斷時(shí)間的比列，即可達(dá)到調(diào)速的目的。這種調(diào)速方法稱為

39、脈寬調(diào)速。設(shè)脈沖寬度為t，脈沖周期為T，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為；式中, 稱為占空比，占空比越大，轉(zhuǎn)速越高，反之就越低。對(duì)于特定的電機(jī)，其最大是確定的，因此控制平均轉(zhuǎn)速就要控制占空比。 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制是很容易的，只要改變電機(jī)定子繞組電壓的通、斷電時(shí)間，即可達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 3.1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 （1）前輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上。 設(shè)計(jì)中所控制的步進(jìn)電機(jī)是四相單極式35BY48HJ120減速步進(jìn)電機(jī)。由于機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。ULN2

40、003A是一個(gè)單片高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。它是由7對(duì)NPN達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。單個(gè)達(dá)林頓對(duì)的集電極電流500mA。達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。ULN2003A的極限參數(shù)如表3.1所示。 表3.1 ULN2003A的極限參數(shù) 項(xiàng)目 符號(hào) 數(shù)值 單位 最大輸入電壓 Vi(max) 30 V 集電極-發(fā)射極電壓 Vo(max) 50 V 最大基極輸入電流 IB(MAX) 25 mA 輸出電流 Io 500 mA 貯存溫度 Ts -65～150 ℃ 結(jié)溫 Tj 175

41、℃ 引線耐焊接溫度 TD 300 ℃ （2）后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注：圖3.1—圖3.3都是示意圖）。如圖3.1所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。如所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭

42、頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍?。圖3.2 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，圖3.3所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針?lè)较颍? 圖3.1 H橋驅(qū)動(dòng)電路 圖3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖3.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 3.1.5顯示模塊 本設(shè)計(jì)的顯示模塊目標(biāo)是能夠顯示出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)停等信息。采用的是帶中文字庫(kù)的128X64LCD屏幕

43、。 128X64LCD是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。 128X64LCD基本特性：（1）低電源電壓（VDD

44、:+3.0--+5.5V）；（2）顯示分辨率:12864點(diǎn) ；（3）內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)；（4）內(nèi)置 128個(gè)168點(diǎn)陣字符 ；（5）2MHZ時(shí)鐘頻率； （6）顯示方式：STN、半透、正顯 ；（7）驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS； （8）視角方向：6點(diǎn)； （9）背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5—1/10 （10）通訊方式：串行、并口可選；（11）內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加負(fù)壓 ；（12）無(wú)需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)。 3.1.6報(bào)警模塊 采用單片機(jī)產(chǎn)生不同的信號(hào)來(lái)控制閃光LED燈和蜂鳴器完成聲光報(bào)警提示， 其主要

45、應(yīng)用于番茄采摘機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)的自動(dòng)警報(bào)功能。 3.1.7傳感器選擇與避障系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采摘機(jī)器人中傳感器主要應(yīng)用于果實(shí)的識(shí)別、系統(tǒng)的導(dǎo)航、以及避障。果實(shí)識(shí)別與采摘采用視覺(jué)傳感器、位置傳感器、力傳感器，系統(tǒng)導(dǎo)航采用電磁傳感器，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)避障采用超聲波傳感器。 本設(shè)計(jì)中的傳感器主要是應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的避障設(shè)計(jì)，避障系統(tǒng)所要達(dá)到的要求是準(zhǔn)確判斷車體前后方有無(wú)障礙物。若有則執(zhí)行避障任務(wù)，即急停、報(bào)警提示。識(shí)別障礙的首要問(wèn)題是傳感器的選擇，下面對(duì)幾種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明如表3.1所示。 （1）常見(jiàn)傳感器的比較 傳感器種類多，應(yīng)用廣泛，以下是幾種常用傳感器的比較。如表3.2所示 表3.2

46、傳感器性能比較 傳感器類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 紅外傳感器 超聲波 視覺(jué) 價(jià)格合理，使用方便 價(jià)格合理，可以測(cè)死物，夜間不受影響。 易于多目標(biāo)測(cè)量和分類，分辨率好。 不受溫度、天氣影響。 測(cè)量范圍小，對(duì)空氣溫度變化敏感。 測(cè)量范圍有限，對(duì)天氣環(huán)境變化敏感。 不能直接測(cè)量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。 （2）避障系統(tǒng)傳感器的選擇 方案一：紅外傳感器廣泛應(yīng)用于門控系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格合理使用方便。其利用紅外原理制成的，這也就決定其在對(duì)物體探測(cè)過(guò)程中對(duì)溫度依賴過(guò)大，對(duì)溫度相同的物體不能做出準(zhǔn)確的判斷。 方案二：視覺(jué)傳感器在物體識(shí)別系統(tǒng)中使用得非常廣泛，比如本機(jī)

47、器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)中的圖像獲取。視覺(jué)傳感器優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，價(jià)格合理，在一定的寬度和視覺(jué)域內(nèi)可以測(cè)量定多個(gè)目標(biāo)，并且可以利用測(cè)量的圖像根據(jù)外形和大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類。缺點(diǎn)是算法復(fù)雜，處理速度慢。 方案三：探測(cè)障礙的最簡(jiǎn)單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來(lái)判定距離的。該方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研究上。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于使用，且在10m以內(nèi)能給出精確的測(cè)量。 相比較而言本系統(tǒng)選擇方案三即用超聲波傳感器作為避障部分的傳感器。 圖3.4為超聲波避障模塊框圖。超聲波避障模塊 躲避障礙物子模塊 測(cè)量距離子模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)子模塊 聲光警示子模塊

48、 圖3.4 超聲波避障模塊框圖 （3）超聲波障礙檢測(cè)原理 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過(guò)20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過(guò)程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 總結(jié)：最后可以歸納運(yùn)動(dòng)控制

49、系統(tǒng)的總框圖如圖3.5所示 番茄采摘機(jī)械系統(tǒng)部分電路 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)障礙物檢測(cè)模塊 運(yùn) 動(dòng) 系 統(tǒng) 控 制 器 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 聲光報(bào)警模塊 顯示模塊 圖3.5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總框圖 3.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 3.2.1主控器模塊設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的主控制器是AT89C52單片機(jī)。它是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，在內(nèi)部功能及管

50、腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。功能包括對(duì)會(huì)聚主IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào)IR的接收解碼及與主板CPU通信等。功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 最小系統(tǒng)電路如圖3.6所示，其由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。 時(shí)鐘電路。MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)部設(shè)有一個(gè)反向放大器構(gòu)成

51、的振蕩器，XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入和輸出端，時(shí)鐘可以由內(nèi)部或外部產(chǎn)生。時(shí)鐘電路內(nèi)部時(shí)鐘的晶振頻率可以在1.2MHz到12MHz之間選擇，C1、C2電容值取5-30pF，電容的大小可以起頻率微調(diào)作用，外部時(shí)鐘電路的XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器，一般頻率低于12MHz的方波信號(hào)。 復(fù)位電路。通過(guò)某種方式，使單片機(jī)內(nèi)的寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。在時(shí)鐘電路工作后，在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作。 圖3.6 最小系統(tǒng)電路原理圖 3.2.2電機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中電機(jī)的控制方式是PWM波控制方式?？刂苾蓚€(gè)電機(jī)：前輪

52、控制車體轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)；后輪控制電機(jī)前進(jìn)后退的直流電機(jī)。圖3.7是前輪步進(jìn)電機(jī)的電路圖，圖3.8為直流電機(jī)用H橋驅(qū)動(dòng)的電路圖。 （1） 前輪控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)的電路設(shè)計(jì) 前輪電機(jī)用ULN2003A作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 圖3.7 前輪步進(jìn)電機(jī)的電路圖 （2）后輪控制車體的前進(jìn)后退的電機(jī)的電路設(shè)計(jì) 圖3.8 直流電機(jī)用Ｈ橋驅(qū)動(dòng)的電路圖 3.2.3 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì) 本模塊硬件分為兩個(gè)部分：光報(bào)警如圖3.9所示，聲報(bào)警如圖3.10所示。LED燈與電阻組成光報(bào)警；蜂鳴器與驅(qū)動(dòng)電路組成的聲報(bào)警。聲報(bào)警部分的驅(qū)動(dòng)是由8050構(gòu)成的放大電路。報(bào)警模塊是依據(jù)

53、避障部分提供的信號(hào)而動(dòng)作的。當(dāng)機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，報(bào)警模塊不產(chǎn)生動(dòng)作；當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，報(bào)警模塊動(dòng)作，LED等閃光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，起到提示作用。 圖3.9 LED燈光報(bào)警 圖3.10 聲報(bào)警 3.2.4顯示模塊電路設(shè)計(jì) 顯示模塊如圖3.11所示，是將番茄采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用直觀的方法顯示出來(lái)。 圖3.11 顯示模塊 3.2.5超聲波模塊電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用T/R-40-12小型超聲波傳感器作為探測(cè)前方障礙物體的檢測(cè)元件，其中心頻率為40Hz，由80C52發(fā)出的40KHz脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)送器發(fā)出40KHz的脈沖超聲波，如機(jī)器人運(yùn)動(dòng)

54、時(shí)前方遇到有障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來(lái)，由接收器接收，經(jīng)LM318兩級(jí)放大，再經(jīng)帶有鎖相環(huán)的音頻解碼芯片LM567解碼，當(dāng)LM567的輸入信號(hào)大于25mV時(shí)，輸出端由高電平變?yōu)榈碗娖剑?0C52單片機(jī)處理。 （1）超聲波發(fā)射電路 超聲波換能器兩端的震蕩脈沖是由單片機(jī) I/O口產(chǎn)生的 40kHz 方波提供的。為了增加超聲波的探測(cè)距離，就需要增加超聲波換能器的功率。為此設(shè)計(jì)中采用了 CD4069 六非門反相器來(lái)增強(qiáng)超聲波的發(fā)射功率，由于非門實(shí)質(zhì)上是放大倍數(shù)很大的反相放大器，如果給非門加上合適的負(fù)反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)。單片機(jī)I/O產(chǎn)生的 40KHz 方波信號(hào)一

55、路經(jīng)以及反向器反相后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器反向后送入超聲波換能器。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高的另一個(gè)電極。 超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動(dòng)能力。其電路原理圖如圖3.12所示。上拉電阻 R23,R24 一方面可以提高反相器的高電平驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時(shí)間。Q10 的作用是提高單片機(jī) I/O 口的輸出電壓，目的也是提高超聲波發(fā)射的功率。 圖3.12 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 （2）超聲波接收電路 集成芯片 CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用

56、電視機(jī)遙控器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz與本設(shè)計(jì)中超聲波頻率 40KHz較為接近，所以利用它來(lái)制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明 CX20106A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。如圖3.13所示為CX20106A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖。 圖3.13 CX20106A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖 使用CX20106A 集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋∶ 1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ 。 2腳：該腳與地之間連接RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改

57、變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1 或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，典型參數(shù)R1=4.7Ω ，C1=1μF。 3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試取3.3μF為宜。 5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率F0，阻值越大，中心頻率越低。取F例如， R=200kΩ 時(shí)， 0≈42kHz，若取 R=220kΩ ，則中心頻率 F0 ≈38kHz。 6

58、腳：該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容 取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接 上一個(gè)上拉電阻到電源端，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則 產(chǎn)生下降。 8腳：電源正極，4.5～5V。 第四章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件主要由等五大部分組成，每一部分都針對(duì)相應(yīng)的硬件路。 4.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總程序流程圖 首先小車進(jìn)行上電初始化程序，屏幕顯示小車初始狀態(tài)，后小車開始前進(jìn)，前進(jìn)過(guò)程中單片機(jī)通過(guò)超聲波模塊不斷檢測(cè)距前方障礙物。當(dāng)檢測(cè)距離小于程

59、序設(shè)定的避障安全距離時(shí)判定前方有障礙物，此時(shí)小車停止前進(jìn)，與此同時(shí)聲光報(bào)警器動(dòng)作，發(fā)光 LED不斷閃爍與此同時(shí)單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成避障操作完，避障動(dòng)作完成后小車?yán)^續(xù)前進(jìn)并檢測(cè)前方障礙物。圖4.1為系統(tǒng)總程序流程圖。 是否有采摘任務(wù) 開始 初始化 信息顯示 調(diào)用采摘程序 N 小車前進(jìn) 小車停止前進(jìn) Y 圖4.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總程序流程圖 4.2超聲波測(cè)距模塊 開始 比較避障并處理 計(jì)算距離 發(fā)射超聲波脈沖 接受超聲波脈沖 圖4.2

60、超聲波測(cè)距模塊流程圖 主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化之后，超聲波測(cè)距程序設(shè)置定時(shí)器 T0 為 16位定時(shí)器，開中斷允許位 EA，清零顯示端口 P0 和 P2。之后調(diào)用超聲波發(fā)射子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免信號(hào)直接耦合干擾需要延時(shí) 0.1ms在開外部中斷接收返回的超聲波信號(hào)（這也就是超聲波測(cè)距會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）。由于系統(tǒng)采用的是 12M 晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是一微秒，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)按公式d=(c*t)/2=172*T0/10000計(jì)算。在室溫下測(cè)試聲速為 344m/s，超聲波每發(fā)射，接收一次所走距離為被測(cè)距離 L 的 2 倍，L便是被測(cè)物

61、體和超聲波傳感器之間的距離，L式中t為計(jì)數(shù)器 T0 中的計(jì)數(shù)值。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送入累加器 A 與安全距離進(jìn)行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過(guò)程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。 4.3避障模塊 避障模塊程序流程圖如圖4.3所示。避障系統(tǒng)的程序思路是：發(fā)現(xiàn)障礙物后，番茄采摘機(jī)器人停止動(dòng)作，等待排除障礙再運(yùn)動(dòng)。 是否有障礙物 入口 停止前進(jìn) 聲光報(bào)警 等候 返回 Y N 圖4.3 避障系統(tǒng)程序流程圖 4.4電機(jī)控制模塊 本設(shè)計(jì)用了兩個(gè)電機(jī)：前輪控制車體

62、轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)；后輪控制車體前進(jìn)的直流電機(jī)。本運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)速度的精度無(wú)特殊要求，控制直流電機(jī)方法相對(duì)簡(jiǎn)單。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，由于相對(duì)復(fù)雜所以以下做詳細(xì)介紹。 四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式，如圖4.4所示。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。 單四拍 雙四拍 八拍 圖4.4 電源通電時(shí)序與波形圖 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路依據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，具體如下： 如果按給定方向的正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果按反序

63、通電換相，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。下面為八拍模式下以單片機(jī)的P0口的低四位為控制端口的正序和反序的控制碼。 正序：0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0c，0x08，0x09； 反序：0x09，0x08，0x0c，0x04，0x06，0x02，0x03，0x01。 4.5顯示模塊 顯示模塊的關(guān)鍵之處是了解顯示的指令。本設(shè)計(jì)使用的是128X64LCD。編寫程序時(shí)只要按照時(shí)序嚴(yán)格編寫就可以實(shí)現(xiàn)車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的顯示功能。 第五章 系統(tǒng)仿真 本設(shè)計(jì)是最后借助于仿真，完成的。簡(jiǎn)要步驟如下：在使用時(shí)先在Keil u

64、Vision環(huán)境下編輯程序，然后保存程序、建立新項(xiàng)目、設(shè)置項(xiàng)目，接著編譯程序并生成HEX文件，最后在Proteus上調(diào)試和執(zhí)行。仿真結(jié)果驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的方法正確，結(jié)果正確。 仿真采用按鍵代替番茄采摘機(jī)器人采摘結(jié)構(gòu)提供的信號(hào)，用于控制后輪電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，并將電機(jī)的狀態(tài)信息顯示出去。前輪電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也是通過(guò)按鍵來(lái)模擬采摘機(jī)構(gòu)提供的信號(hào)來(lái)完成。5.1所示，顯示的是后輪電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，顯示屏顯示為“停止”。此時(shí)LED點(diǎn)亮，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，車體停止運(yùn)動(dòng)。如圖5.2所示，顯示的是后輪電機(jī)處在正轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在顯示屏中顯示為“前進(jìn)”。此時(shí)無(wú)采摘任務(wù)，且前方無(wú)障礙物番茄采摘，機(jī)器人處于前進(jìn)狀態(tài)。 圖5.1 仿

65、真效果圖（后輪電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)） 圖5.2 仿真效果圖（后輪電機(jī)正轉(zhuǎn)狀態(tài)） 結(jié)束語(yǔ) 本文介紹了番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，闡述了番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成，并對(duì)基于AT89C52的控制策略進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了避障系統(tǒng)，并最終借助于Proteus完成了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件編程易實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性好且成本低，通過(guò)試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了避障、顯示、報(bào)警等功能。 一番風(fēng)雨路三千，通過(guò)近一個(gè)學(xué)期的努力，終于在曲折中的完成了番茄采摘運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這一畢業(yè)設(shè)計(jì)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與

66、實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過(guò)這次比較完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，感受到實(shí)踐結(jié)合理論的重要性。在整個(gè)完成過(guò)程中，不僅提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、CAD制圖、Proteus仿真等知識(shí)，并且使我的抗壓能力、思維分析能力都有了很大提高，這必將成為我今后生活中不可多得的經(jīng)驗(yàn)。 同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程我也遇到了很多不懂的地方，比如如何選擇電機(jī)的整體控制策略、避障系統(tǒng)的選擇依據(jù)等問(wèn)題。好在得到了王老師的耐心解惑，給我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指明了方向。 參考文獻(xiàn) [1] Ill-Woo Park, Jung-Yup Kim, Jungho Lee, Jun-Ho Oh. Mechanical design of humanoid robot platform KHR-3[C]．IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robot, 2005：321–326． [2] Edan Y，Rogozin D，F(xiàn)lash T，et a1.Robotic melon harvesting[J]．Robotics a