果实采摘机器人运动控制系统设计毕业设计Word格式.docx
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HarvestingRobot
MotionControlSystem
DesignAnd
Implementation
ABSTRACT
ThispaperstartsfromthemechanicalstructureofrobottoanalyseanddesignthemotioncontrolsystemofTomatoPickingRobot.
Firstly,withreferencetothenewresearchofthedomesticandforeignpickingrobot,itanalysesthetomatopickingrobotmechanicalstructureanddesignmechanicalstructureofthemotioncontrolsystem.
Secondly,analysisanddesignsthemotioncontrolsystem.Itisalsobasedonthepickingrobotworkingenvironment,andcombinedthedamandofpickingrobotselfmotionandthecoordinationofothermechanicaltodesign.Mainlyitcomprisesapowersupplymodule,motorcontrolmoduleanddisplaymoduleandsoon.
Thirdly,Thesensorofthepickingrobotisanalyzedanddesigningtheobstacleavoidanceofthemotioncontrolsystem,mainlyincluding:
theselectionofsensor,obstacleavoidancemodule,alarmmoduledesigning.Pickingrobotsensorselectionisbasedonthetomatopickingrobotworkingenvironmentaswellasthecurrentmarket,whichhasseveralcommonsensorperformance,priceandcancompletethefunctionchosenforcomparison.Atlast,itdesignstheobstacleavoidancesystem.
Finally,theaccuracyofthemotioncontrolsysteminthisdesignisverifiedcorrectlybysimulation.Theobstacleavoidancefunctioncanrealizinginthesimulation.
KEYWORD:
mechanicalstructure;
obstacleavoidance;
sensors;
motioncontrol
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第一章前言
1.1研究背景与意义
随着电子技术和计算机技术的发展,智能机器人已在许多领域得到日益广泛的应用。
在农业生产中,由于作业对象的复杂、多样,以及当前我国正面临人口老年化的趋势[1],使得新型农业机械——农业机器人的开发具有巨大经济效益和广阔的市场前景,符合社会发展的需求。
番茄采摘机器人是基于人工采摘果实作业中耗时、费力等因素而应运而生的智能农业装备。
运动控制系统作为采摘机器人控制系统中不可或缺的部分为机器人实现连续、稳定的采摘工作提供了必要的保证。
国际上,日本、美国等发达国家,已经从20世纪80年代开始研究采摘机器人,并取得很多成果。
从1983年的第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来,采摘机器人的研究和发展已经经历了近30年[2],但我国在该领域中的研究还处于起步阶段,因此我们必须加快对采摘机器人的研究脚步以早日赶超国际水平,使其为我国农业的生产和发展做出重大。
1.2果实采摘机器人研究现状
1.2.1果实采摘机器人国内外发展现状
采摘机器人是针对水果和蔬菜,可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统,是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学[3]。
近30年来,采摘机器人的发展可谓是日新月异,日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。
和国内相比国外一直处于技术前沿。
(1)经典的番茄采摘机器人是日本KondoN等人研制的番茄采摘机器人。
其结构由机械手臂、末端执行机构、运动行走机构、视觉识别装置、控制模块、能源组块组成。
图1.1、图1.2是其发明的7自由度采摘机器人的机械结构和实物图。
采用具有冗余度的7自由度机械手是为了能够灵活避开障碍物。
此款机器人的采摘准确率为70%,速度为15s/个果实[4]。
(2)美国研究人员在美国航空航天局资助下研制成番茄采摘机器人能在草和叶子之间确定西红柿的位置,挑选出已成熟的西红柿并进行采摘,其采摘准确度可达到85%~95%[5]。
(3)日本一家机器人公司研制出草莓采摘机器人,如图1.1所示。
其内置有能够感应色彩的摄像头,可以准确分辨出草莓和绿叶,利用事先设定的色彩值,再配合独特的机械结构,它就可以判断出草莓的成熟度,并将符合要求的草莓采摘下来,速度达到10s/个[6]。
(4)韩国的苹果收获机器人:
韩国庆北大学的科研人员研制出苹果果采摘机器人,它具有4个自由度,包括3个旋转关节和1个移动关节。
采用三指夹持器作为末端执行器,其手心装有压力传感器,可以起到避免苹果损伤的作用。
它利用CCD摄像机和光电传感器识别果实,从树冠外部识别苹果的识别率达85%,速度达5s/个。
该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋,缩短了从采摘到放置的时问,提高了采摘速度[7]。
我国机器人技术虽然起步较晚,但在改革开放的推动下发展迅速。
尤其在不少大专院校、研究所都在迸行采摘机器人和智能农业机械方面的研究,已有很多研究成果披露,比较有代表性的有:
东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人[8];
吉林工大学的周云山等人研究了蘑菇采摘机器人[9];
中国农业大学的张铁中等人针对我国常见的温室罩垄作栽培的草莓设计了3种采摘机器人[10];
南京农业大学的张瑞合、姬长英等人研制了番茄采摘机器人[11]。
近期中国农业大学发明的黄瓜采摘机器人,如图1.2所示。
经教育部认定,是国内第一台黄瓜采摘机器人,获得多项国家专利。
其利用机器人的多传感器融合功能,对采摘对象进行信息获取、成熟度判别,并确定采摘对象的空间位置,实现机器人末端执行器的控制与操作的智能化系统,能够实现在非结构环境下的自主导航运动、区域视野快速搜索、局部视野内果实成熟度特征识别及果实空间定位、末端执行器控制与操作,最终实现黄瓜果实的采摘收获[12]。
图1.1日本研制的草莓采摘机器人
图1.2中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人
从国内外果实采摘机器人的研究现状来看,目前果实采摘机器人的研究正处于由试验阶段向实用推广阶段的过渡时期,我国在这方面的研究只处于起步阶段。
要想让采摘机器人真正造福于人,必须进行更深入广泛的研究,改进目前采摘机器人存在的问题与不足,完善采摘机器人的新功能、新特点,确保机器人运行稳定、可靠。
未来的采摘机器人将真正做到一机多用,不仅可以采摘多种果实还可以实现多种用途[13]。
随着研究中遇到的问题和难题一一解决和攻破,果实采摘机器人将不断完善。
相信在广大工程技术人员的不断探索和努力下,在不久的将来,采摘机器人技术会越来越成熟,采摘机器人会越来越多地应用于农业生产中并最终实现[14]。
1.2.2果实采摘机器人关键技术及其发展现状
果实采摘机器人的关键技术应该包括以下几个方面:
(1)要具有精确度高的视觉识别系统,能够区分出果实和植物的枝蔓,准确识别出成熟果实和非成熟果实,提高准确率和成功率。
(2)具有灵活的机械臂和较为轻便柔软的机械末端,且能够在工作时避开枝蔓的阻挠。
即自由度个数适中,同时能够保证采摘的效率。
(3)具有较为稳定的运动控制系统,能够及时配合机械臂、机械末端的工作,确保采摘工作的顺利完成。
(4)考虑到使用机器人采摘的果实的初衷是用机械代替人工从而提高工作效率。
所以要求系统的实时性要好。
果实采摘机器人在技术层面的发展,就视觉识别系统、机械臂、机械末端、运动控制系统方面都有了丰硕的成果。
运动控制系统方面,技术已经相对来讲比较成熟,其技术关键之处是能够控制电机的起转停,并且具有适当的避障功能和报警功能。
视觉识别方面,得益于数学模型及图像处理技术的发展,果实采摘机器人已经能够完成果实识别、果实成熟度识别以及精确快速处理等功能[15]。
比如,最初的日本研制的番茄采摘机器人采用传统视觉处理技术由彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统来寻找和识别成熟果实[16],而现在番茄采摘机器人,南京农业大学的张瑞合、姬长英等人在番茄采摘中运用双目立体视觉技术对红色番茄进行定位,将图像进行灰度变换,而后对图像的二维直方图进行腐蚀、膨胀以去除小团块,提取背景区边缘,然后用拟合曲线实现彩色图像的分割,将番茄从背景中分离出来[17]。
对目标进行标定后,用面积匹配实现共轭图像中目标的配准。
运用体视成像原理,从两幅二维图像中恢复目标的三维坐标。
机械臂机、械末端方面,由于自由度选择和传感器技术的进步、以及机械结构的不断改进。
机器人已由一开始的无法准确判断和避开枝蔓[18],发展到快速而准确的避开枝蔓采摘果实。
1.3研究内容与结果
研究内容:
结合实际的果实采摘工作,研究番茄采摘机器人整体的机械结构;
研究传感器应用及避障系统的功能要求;
研究运动控制系统的功能需求和电机控制策略。
研究结果:
(1)设计了运动控制系统机械结构;
(2)设计了避障模块并选择出相应的传感器;
(3)设计了运动控制系统的硬件模块和软件模块,硬件部分主要包括:
主控制器模块、电源模块、电机控制模块、电机驱动模块、声光报警模块、超声波检测模块。
第二章机械结构的分析与设计
根据番茄采摘机器人的运动控制系统的要求,设计出番茄采摘机器人运动控制系统结构并完成了车体载荷的估算和执行机构的选择。
2.1果实采摘机器人整体机械结构的分析
机器人整体的机械结构应具备以下能力:
(1)要具备可靠性,稳定性,结构紧凑并且要有适当的工作范围。
(2)要具备柔性和灵活性都比较好的机械手及末端执行器,即机械手具有一定的冗余度。
通常果实采摘机器人的结构是由机械手臂、末端执行机构、运动行走机构、视觉识别装置、控制模块、能源组块组成。
以日本KondoN等人研制的番茄采摘机器人为例,如图2.1、图2.2所示。
其自由度为7,由下到上,第一个自由度为水平移动,第二个自由度是升降自由度,第三个为旋转自由度,后面三个为机械臂的轨迹规划自由度,最后一个是机械末端的自动调整自由度。
图2.1KondoN等研制的番茄采摘机器人
图2.2番茄采摘机器人机械结构示意图
图2.3是番茄采摘机器人的整体结构示意图。
图中采摘机器人为四轮式的采摘机器人,其由机械手臂、末端执行机构、运动行走机构、视觉识别装置、控制模块、电源模块组成。
采用5个电机控制,使机器人能够多自由度工作。
图2.3四轮式果实采摘机器人整体结构示意图
2.2运动控制系统机械结构的设计
2.2.1运动控制系统的机械结构分析
我们首先假想,番茄采摘机器人的环境是地面整体平坦,具有摩擦系数适中,地面结实。
事实证明,一般的智能番茄生产大棚都是一个场地规划相对整齐干净的环境。
此假设符合实际生产的背景环境。
2.2.2运动控制系统机械结构的设计
为此本设计的番茄采摘机器人采用的是四轮式底盘结构。
前轮是控制车体转向,后轮是控制车体前后运动。
前后轮各用一个电机进行控制,前轮用步进电机控制方向;
后轮采用的是直流电机控制车体的前进后退暂停。
前者只需根据指令进行左右转向,而后者是承担整个车体的动力工具,对其选择尤为重要。
图2.4是俯视的布局图。
图2.5是其从后面角度看的机械结构示意图,
图2.4车体布局示意图
图2.5从车体后方角度观察
2.3运动控制系统车体载荷分析与执行器的选择
2.3.1执行器选择依据
作为番茄采摘机器人中承担机器人的移动任务,车体载荷决定驱动电机的选择。
在运动控制系统设计中必须考虑车体载荷。
(1)后轮的电机选择
我们先假设车体重量是10千克,可以采摘的果实最大总重量是5千克。
小车线速度为2m/s(一般以最高速度加上一定的余量来以此我们通过计算力矩、输出功率方面来选择执行器即驱动电机)轮半径为0.075m。
静态摩擦系数一般取0.2。
减速比即为减速箱的齿轮比,通过查找减速箱datasheet查找一般的减速比和减速效率。
我们选用14:
1,其减速效率一般为80%。
根据力矩方面进行选择
1计算力矩M
M=轴上的力矩/(减速比*减速箱效率)
(1)
=静态摩擦力*轮半径/(减速比*减速箱效率)
=静态摩擦系数×
小车质量*g*轮半径/(减速比*减速箱效率)
2计算电机转速n
n=(线速度*60*减速比)/(2*pi*轴半径)
(2)
3计算功率P0
(3)
4根据最选择功率合适的电机,要求电机的输出功率满足Pmax≥P0,一般选择2P0≥Pmax≥1.5P0
5进一步验证电机选择是否合适,验证方法:
(4)
从力矩的角度来为机器人选择驱动电机:
M=15*9.8*0.075/(14*80)=0.2Nm
n=(2*60*14)/(2*pi*0.075)=3600rpm
P0=0.2*3600*2pi/60=73W
因此,所选择的电机输出功率最好应在109.5~146W之间。
通过查找电机的参数指标,,可以选择FAULHBER3863型号,当工作电压为24V时,其输出功率为130W。
且进入
符合条件。
根据输出功率方面进行选择
(5)
式中,
——工作机阻力,N;
——工作机的线速度,m/s;
——工作机的效率。
一般取
;
其中
=
——主动轮与场地之间的摩擦
在机器人行走时,主动轮是采用橡胶材料,与地面的静摩擦系数
约为
在计算中选择02;
——作用在主动轮上的支持力
(6)
,则
工作机的最大线速度取为
由以上推断,可以得
(7)
为电动机到主动轮的传动总效率而
(8)
滚动轴承效率
:
轮箱效率
齿轮效率
则
。
电动机的输出功率按下式计算:
(9)
故
因载荷平稳,电动机的额定功率
只需要略大于
即可。
根据最选择功率合适的电机,要求电机的输出功率满足Pmax≥P0,一般选择2P0≥Pmax≥1.5P0。
通过查找电机的参数指标,可以选择FAULHBER3863型号,当工作电压为24V
时,其输出功率为130W。
总结:
由上述两种方法进行选择,可以看出FAULHABER公司生产的直流电机FAULHBER3863型号符合条件。
(2)前轮的电机选择
前轮的电机采用步进电机,可以使小车转向更加灵活,本设计中前后轮的电机功率及力矩应该相当。
我们采用35BY48HJ120减速步进电动机。
2.3.2执行机构电机的介绍
(1)FAULHBER3863型号电机有如下特点:
1转动惯量小、启动电压低、空载电流小;
2最高转速达20200rpm,适当提高电压可获更高的速度并对电机寿命无影响;
3名义电压从1.5~48VDC,功率最大226W,直径范围6~38mm,长度12~63mm;
4最大输出扭矩1290mNm,配减速箱后,最大输出扭矩高达20Nm;
表2.1为其性能参数。
表2.1FAULHBER3863型号电机性能参数
正常电压
24V
极限电阻
0.62Ω
最大输出功率
220W
效率
85%
空载转速
6700rpm
空载电流
0.24A
静止转矩
1250mNm
摩擦转矩
8.0mNm
速度常数
287rpm
反电动势常数
3.49mv/rpm
转矩常数
33.3mNm/A
电流常数
0.030A/mNm
n-M曲线斜率
5.4rpm/mNm
转子电感
130μH
机械时间常数
6ms
转子惯量
110gcm
最大转速
8000rpm
最大转矩
110mNm
(2)35BY48HJ120减速步进电动机特点,如表2.2所示
表2.235BY48HJ120减速步进电动机特点
型号
相数
步距角
扭矩
Nm
电压
V
电流
A
电阻
Ω
转速
rpm
驱动方式
35BY48HJ120
2/4
7.5
1.5
12
0.4
45
6
4-2
第三章运动控制系统硬件部分设计
本章讲述了番茄采摘机器人运动控制系统的硬件设计。
3.1总体方案设计思路
鉴于番茄采摘机器人的本职工作是顺利完成采摘工作,运动控制系统处于辅助的地位而并不需要像抢险救灾机器人等机器人精于路况处理的智能机器人那样处理复杂的实时环境问题。
同时为了提高运动系统的稳定性能,避免设备的不必要的效率消耗以及降低投入成本和达到灵活的避险要求。
有以下的设计思路。
3.1.1主控制器模块
根据设计要求,控制器主要用于各种信号的处理、控制算法实现、底盘电动机的控制和声光报警等,控制器选择ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为系统控制器。
单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。
在本系统中控制量较多,单片机的优势得到很好的体现。
3.1.2电源模块
电源模块对于番茄采摘机器人的底盘控制系统来说极其重要,关系到整个底盘系统是否能够正常工作,因此在设计控制系统时应该选好合适的电源。
机器人系统电机执行机构需要使用24V电压供电,单片机系统、超声波传感器避障系统等必须在5V电压下才能够正常工作。
在设计中,我用一个直流电源(24V,10A)为机器人系统供电,其中,控制电路需要的5V电压也是由24V电源提供的。
为了提供稳定的5V直流电源,需要将24V电源稳定5V。
目前,提供稳压直流电压的方法主要有两种:
集成线性稳压电路,开关型直流稳压电路。
比较而言,开关型直流稳压电路更能降低电源转换芯片的功耗,提高电源的利用效率。
在本电路设计中,我选择开关型稳压电源LM2576-5作为电压转换模块:
根据分析可以知道机器人底盘控制系统正常工作时,需要电源提供不同大小的稳压电压。
电动机在24V电压情况下能够正常工作。
优势:
开关稳压电源的功耗极低,其平均工作效率可达70%~90%。
在相同电压降的条件下,开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。
因此,开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积,甚至在大多数情况下不需要加装散热片,从而减少了对MCU工作环境的有害影响。
3.1.3电机控制模块
脉宽调制(PWM)原理:
小功率直流电机由定子和转子组成,对小功率直流电机调速系统,使用单片机是极为方便的。
其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来控制电机速度。
这种方法称为脉冲宽度调制,简称PWM。
小功率直流电动机的转速控制方法是将电动机电源接通一段时间,然后切断电源,再次接通电源,改变电动机通断时间的比列,即可达到调速的目的。
这种调速方法称为脉宽调速。
设脉冲宽度为t,脉冲周期为T,电机的平均转速为
;
式中,
称为占空比,占空比越大,转速越高,反之就越低。
对于特定的电机,其最大
是确定的,因
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