基于嵌入式監(jiān)控的雙差速驅(qū)動(dòng)果蔬采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

楊小慶

(重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶　400052)

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基于嵌入式監(jiān)控的雙差速驅(qū)動(dòng)果蔬采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

楊小慶

(重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶400052)

摘要：為了提高采摘機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎性能和自動(dòng)尋跡能力，利用雙差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建立了速度協(xié)同約束的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)模型，并進(jìn)行了線(xiàn)性?xún)?yōu)化，提出了一種基于嵌入式監(jiān)控圖像采集反饋信息的閉環(huán)控制模型，提高了采摘機(jī)器人移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎尋跡的靈活性。針對(duì)采摘機(jī)器人雙差速的路徑尋跡問(wèn)題，建立了機(jī)器人輸入、輸出的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)模型，并分析了冗余運(yùn)動(dòng)約束和系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)約束條件，通過(guò)控制姿態(tài)偏差和距離偏差，結(jié)合嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的反饋信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)和尋跡的反饋調(diào)節(jié)。對(duì)采摘機(jī)器人的采摘性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目主要包括尋跡能力和路徑規(guī)劃的耗時(shí)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)較高精度的路徑尋跡功能，路徑規(guī)劃耗時(shí)短，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：雙差速驅(qū)動(dòng)；嵌入式系統(tǒng)；圖像采集；路徑規(guī)劃；閉環(huán)控制；采摘機(jī)器人

0引言

在果蔬采摘機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎性能和尋跡能力是設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，采用雙差速驅(qū)動(dòng)來(lái)控制采摘機(jī)器人的移動(dòng)是一種典型的非完整系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合性和非線(xiàn)性等特點(diǎn)，其控制問(wèn)題受到了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者的廣泛關(guān)注。四輪驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)器人和兩輪驅(qū)動(dòng)相比，控制模型更加復(fù)雜，耦合也更加嚴(yán)重。四輪驅(qū)動(dòng)主要采用雙差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全向運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)靈活，不受非完整約束；但其摩擦因數(shù)小、承載能力有限，因此其設(shè)計(jì)較為困難。本研究針對(duì)雙差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的非線(xiàn)性和冗余運(yùn)動(dòng)約束問(wèn)題，首先建立了速度協(xié)同運(yùn)動(dòng)的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)模型，并進(jìn)行了線(xiàn)性?xún)?yōu)化，提出了一種基于嵌入式監(jiān)控圖像采集反饋信息的控制系統(tǒng)，對(duì)采摘機(jī)器人移動(dòng)性能的改進(jìn)具有重要的意義。

1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人的雙差速驅(qū)動(dòng)部分主要由4個(gè)三相步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)組成，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)前后輪，推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)和后退，驅(qū)動(dòng)左右輪的速比，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。為了提高采摘機(jī)器人轉(zhuǎn)彎的靈活性，將傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)改為平面軸承，從而降低了采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪和軸帶動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙差速驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可利用脈沖信號(hào)的頻來(lái)改變，實(shí)現(xiàn)較高精度的調(diào)速。利用對(duì)電機(jī)施加不同的脈沖信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)采集機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和調(diào)頭功能。雙差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在任意半徑下的轉(zhuǎn)彎，也可以實(shí)現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎的速度可利用單片機(jī)程序進(jìn)行控制，方便簡(jiǎn)單。采摘機(jī)器人服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采摘機(jī)器人的Internet 服務(wù)器主要由服務(wù)程序、服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)和通訊模塊組成；機(jī)器人控制服務(wù)器主要由主控模塊、圖像采集模塊和通信模塊組成，其核心是一臺(tái)Windows XP系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)裝有通信控制卡、圖像采集卡等硬件，利用這兩層服務(wù)器可以非常好地分離網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊和機(jī)器人硬件控制模塊，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

圖3為采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖?？刂葡到y(tǒng)采用C/S和B/S混合模式，提高了系統(tǒng)的靈活性，圖像監(jiān)控采集系統(tǒng)和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)利用嵌入式控制板來(lái)實(shí)現(xiàn)，集成在采摘機(jī)器人中，降低了系統(tǒng)的規(guī)模和系統(tǒng)成本。通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)提高了機(jī)器人對(duì)環(huán)境的感知能力，利用標(biāo)準(zhǔn)化接口提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，可以利用擴(kuò)展卡和USB接口來(lái)實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的擴(kuò)展，各功能單元可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以并行工作。

圖2　采摘機(jī)器人服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3　采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2雙差速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)控制的雙差速采摘機(jī)器人主要利用采集圖像信息對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，當(dāng)左右兩輪的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能；當(dāng)兩輪轉(zhuǎn)速相同時(shí)，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)行駛功能。假設(shè)驅(qū)動(dòng)模塊兩輪的速度差為Δvf和Δvr，則4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度模型可以表示為

(1)

前后驅(qū)動(dòng)的角速度可以寫(xiě)成

(2)

假設(shè)前后驅(qū)動(dòng)模塊的質(zhì)心速度vf和vr在x軸和y軸上的投影分別為vfx、vrx、vfy、vry，其表達(dá)式為

(3)

則采摘機(jī)器人的姿態(tài)偏差導(dǎo)數(shù)可以表示為

(4)

綜合式(3)、式(4)可得

(5)

因?yàn)榍昂篁?qū)動(dòng)模塊在y軸方向的速度相同，于是可以得到

vfy=vry

(6)

將式(3)帶入式(6)可得

vfcosθf(wàn)=vrcosθr

(7)

(8)

利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的反饋信息可以對(duì)采摘機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行控制，系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由5個(gè)組成部分，包括USB無(wú)線(xiàn)卡模塊、USB攝像頭模塊、內(nèi)部控制和傳感器模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊和主控模塊，其框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心為S3C2410微處理器，操作系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)，主控板上連接USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，利用無(wú)線(xiàn)路由將機(jī)器人鍵入Internet；圖像采集由USB攝像頭來(lái)完成，獲取采摘環(huán)境信息，機(jī)器人內(nèi)部和運(yùn)動(dòng)信息由傳感器采集提供給機(jī)器人，其得到環(huán)境和自身內(nèi)部反饋信息后，利用主控模塊控制機(jī)器人的移動(dòng)，其中運(yùn)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)框架如圖5所示。

圖5　運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部傳感模塊控制框圖

控制板的布線(xiàn)方式為雙層布線(xiàn)，電機(jī)調(diào)速的接口為8個(gè)，傳感器接口為6個(gè)，數(shù)字接口通道為2個(gè)，可以對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)采集圖像進(jìn)行傳輸；運(yùn)動(dòng)和內(nèi)部傳感模塊利用數(shù)據(jù)串口與主控板連接，利用自定義的命令接口進(jìn)行通訊服務(wù)，最終將硬件系統(tǒng)進(jìn)行底層封裝，完成采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3雙差速驅(qū)動(dòng)果蔬采摘機(jī)器人性能測(cè)試

為了驗(yàn)證本次研究設(shè)計(jì)的雙差速果蔬采摘機(jī)器人的性能，對(duì)其沿軌跡行駛的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目主要包括直線(xiàn)行駛和轉(zhuǎn)彎行駛性能。測(cè)試過(guò)程的場(chǎng)景如圖6所示。

測(cè)試對(duì)象為草莓采摘，給定機(jī)器人預(yù)設(shè)軌跡路線(xiàn)，利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)路線(xiàn)進(jìn)行軌跡跟蹤，通過(guò)測(cè)試得了雙差速采摘機(jī)器人的軌跡跟蹤結(jié)果如圖7所示。

圖7中，實(shí)線(xiàn)部分表示果蔬采摘機(jī)器人的實(shí)際移動(dòng)路徑，虛線(xiàn)表示機(jī)器人雙輪的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖7可看出：利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)雙差速機(jī)器人進(jìn)行控制后，機(jī)器人雙輪可以嚴(yán)格地按照跟蹤軌跡行走，其軌跡和預(yù)定跟蹤軌跡平行，在轉(zhuǎn)彎處行走精度也很高，從而驗(yàn)證了本次研究設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人的可靠性。

圖6　雙差速果蔬采摘機(jī)器人測(cè)試場(chǎng)景

圖7　軌跡跟蹤測(cè)試結(jié)果

表1為傳統(tǒng)機(jī)器人和嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)器人路徑跟蹤耗時(shí)的測(cè)試結(jié)果對(duì)比表。由表1可以看出：利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)可以大大提高雙差速機(jī)器人路徑跟蹤的速度，縮短了路徑跟蹤的耗時(shí)，從而提高了果蔬菜采摘的效率。

表1機(jī)器人路徑跟蹤耗時(shí)測(cè)試結(jié)果表

Table 1Time-consuming test result table of robot path tracking

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4結(jié)論

1)利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)集成化模式，采用雙差速驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種具有自主尋跡能力的移動(dòng)式采摘機(jī)器人，并建立了控制姿態(tài)偏差和距離偏差的協(xié)同運(yùn)動(dòng)模型，從而大大提高了采摘機(jī)器人移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的靈活性。

2)對(duì)設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人的性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括自主尋跡能力和路徑規(guī)劃耗時(shí)。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)雙差速機(jī)器人進(jìn)行控制后，機(jī)器人雙輪可以嚴(yán)格地按照跟蹤軌跡行走，尋跡精度高，大大提高了雙差速機(jī)器人路徑跟蹤的速度，縮短了路徑跟蹤的耗時(shí)，從而提高了采摘機(jī)器人的工作效率。

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Design of Double Differential Drive for Fruit Picking Robot Based on Embedded Monitoring

Yang Xiaoqing

(Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 400052， China)

Abstract：In order to improve the performance and the ability of automatic tracing of the picking robot, a new nonlinear motion model is established by using the double differential drive system. For this problem, the nonlinear motion model of the robot's input and output is established, and the redundant motion constraints and system constraints are analyzed.And the feedback information of the embedded monitoring system is realized by controlling the attitude error and distance deviation. Finally, the performance of the picking robot is tested. The test items include the searching ability and the path planning. Through the test, it is found that the robot can achieve higher precision of the path function, the path planning is short, and the system stability is good.

Key words：double differential drive; embedded system; image acquisition; path planning; closed-loop control；picking robot

中圖分類(lèi)號(hào)：S225；TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0117-04

作者簡(jiǎn)介：楊小慶(1984-)，女，湖北宜昌人，講師，碩士，(E-mail)yangxiaoqing1984@qq.com。

基金項(xiàng)目：重慶市教委自然科學(xué)基金項(xiàng)目(KJ131416；2.江蘇省企業(yè)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(CW2013-RD04，CW2014-RD06)

收稿日期：2015-08-23