基于CAN總線的果蔬采摘機器人AGV控制系統(tǒng)分析

陳俊超

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，東莞 523808）

果蔬采摘是相關(guān)生產(chǎn)活動中最耗費時間及人工成本的步驟，并且原本該項作業(yè)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(xiàn)狀

現(xiàn)有的此類機器人一般采用履帶式結(jié)構(gòu)。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(nóng)田的碾壓程度，因此對田地適應(yīng)性較佳，但由于其履帶式的動作機構(gòu)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)向半徑范圍大。相較而言，輪式結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)借助車輪本身裝載定位及定向系統(tǒng)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(dǎo)引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）控制系統(tǒng)[1]。

2 果蔬采摘機器人的AGV控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

如圖1所示，機器人的AGV系統(tǒng)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(qū)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(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）與電氣系統(tǒng)。紅外遙控裝置相當(dāng)于主控機AGV控制單元的按鈕；Android手機則負(fù)責(zé)獲取從主控機發(fā)出的信號，隨時掌握AGV的工作狀態(tài)。

2.1.1 GAN節(jié)點電路

本文討論的智能節(jié)點是單片機C8051F040，其中配備有CAN控制裝置，且配備相應(yīng)的收發(fā)器，可滿足控制系統(tǒng)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(yīng)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(fā)器，可支持控制平臺的CAN網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。

2.1.2 電機及控制器

本文所用的轉(zhuǎn)向電機基于稀土永磁體，能夠形成直流力矩結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)速小、反應(yīng)效率高、力矩變化小、扭矩大的特點，且整體構(gòu)成較為緊湊，能實現(xiàn)驅(qū)動負(fù)載。該轉(zhuǎn)向電機的峰值堵轉(zhuǎn)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(xù)堵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速能達到1 500 r·min-1。驅(qū)動電機選擇無刷的直流電機，方便后續(xù)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(zhuǎn)速為200～500 r·min-1。

電機控制裝置依托于數(shù)字信號處理（Digital Signal Process，DSP）技術(shù)，能夠滿足CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。此外，本文所用的控制裝置設(shè)置有多個信號輸出端及輸入端?；谇昂笱b置確定零度位置，并在對應(yīng)點位設(shè)置霍爾開關(guān)。

光電編碼器選擇旋轉(zhuǎn)增量式結(jié)構(gòu)，其整體徑長為38 mm，軸孔為8 mm，深度為11 mm，轉(zhuǎn)速能達到6 000 r·min-1，能夠滿足電機轉(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)（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(jīng)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(tài)的接收儀，支持二次開發(fā)，并有保護與屏蔽的效果。該模塊能夠連接RS232接口，由CAN節(jié)點下達指令，其發(fā)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(dāng)前的加速度與姿態(tài)。超聲波測距模塊能使機器人能準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(fā)射機構(gòu)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(fā)射機的有效距離能超過8 m[3]。

2.2 系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)傳送至控制機。第一，串口程序。直接在單片機上布設(shè)該程序，支持生成CAN節(jié)點傳感裝置信息采集函數(shù)。其配置函數(shù)UARTC fig()以及初始化函數(shù)UARTI nit()通常能被整個程序調(diào)用。第二，驅(qū)動程序。按照信息傳送的要求，CAN網(wǎng)絡(luò)運行中能夠利用多數(shù)據(jù)幀與遠程數(shù)據(jù)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(xiàn)信息與指令交換，且該模塊可以向CAN節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。單就信息采集及處理而言，GPS模塊發(fā)出的信息包括有效數(shù)據(jù)區(qū)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(jù)信息自身格式情況，按照相應(yīng)提示生成采集程序，對應(yīng)函數(shù)名是GPS_Decode()，并且其參數(shù)是指向信息數(shù)組的首地址，沒有返回值[4]。

2.3 調(diào)試測試

機器人控制系統(tǒng)中，需根據(jù)各功能模塊進行調(diào)試。首先，在主控機、控制機和手機終端組成的系統(tǒng)中，由無線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)信息傳輸。在此過程中，路由器負(fù)責(zé)控制機設(shè)置有無線網(wǎng)卡，手機終端則可連接Wi-Fi。成功連接網(wǎng)絡(luò)后，需要測試主控機、控制機以及其和手機的節(jié)點。

首先，設(shè)置100 Bytes的數(shù)據(jù)信息，然后讓PC定時向手機終端傳送各類數(shù)據(jù)。在實施發(fā)送動作期間，PC會保留傳輸信息的數(shù)量，而手機則會不斷更新接收信息的數(shù)量。測試5 min左右時，比較二者記錄數(shù)據(jù)[5]。當(dāng)二者信息數(shù)量不同時，證明PC發(fā)出的部分?jǐn)?shù)據(jù)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(shù)值便是主控機和手機終端之間的數(shù)據(jù)傳送速度。本文所述的控制系統(tǒng)中，該環(huán)節(jié)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(shù)據(jù)。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(shè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔嘘P(guān)指令參數(shù)，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(shù)據(jù)。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(tài)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?shù)榷喾N算法，且主要借助串口輸出測試結(jié)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(diào)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(guān)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(qū)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(shù)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(tǒng)、連接電路、硬件裝置、傳感裝置等均能穩(wěn)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(diào)試，從而在這一過程中找出系統(tǒng)應(yīng)用的缺陷，并進行有效調(diào)整。本系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)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(shè)限位傳感裝置時，由于轉(zhuǎn)向軸所處空間限制，前期設(shè)計中未能注明具體位置，從而造成后期傳感裝置安設(shè)點位不準(zhǔn)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(yīng)電源有漏電的問題造成了結(jié)果失準(zhǔn)，對此應(yīng)選擇更換開關(guān)電源；對于轉(zhuǎn)向電機與驅(qū)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(zhì)為塑料，造成AGV工作一段時間后發(fā)生了明顯磨損，應(yīng)將電機更換成輪轂電機，并把轉(zhuǎn)子外形調(diào)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(yīng)的應(yīng)用程序中，最初選擇的是普通對話框程序，而后逐步調(diào)整成了手動數(shù)據(jù)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(yīng)用靈活度。

3 結(jié)語

通過對果蔬采摘機器人的AGV控制系統(tǒng)進行設(shè)計，達到了智能采摘果蔬的目的。專門負(fù)責(zé)果蔬采摘的機器人能夠提升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的信息化程度，切實解放部分勞動力。對于經(jīng)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(jié)省果蔬采摘成本。