1、 学校代码： 11059 学 号：0805070014Hefei University毕 业 设 计 （ 论 文 ）BACHELOR DISSERTATION论文题目： 番茄采摘机器人运动控制系统的设计与实现 学位类别： 工 学 学 士年级专业（班级）： 08 级 自动化 （1）班作者姓名： 导师姓名： 完成时间： 2012 年 5 月 15 日I番茄采摘机器人运动控制系统的设计与实现中文摘要本文从机器人机械结构入手，对番茄采摘机器入的运动控制系统进行了研究。首先，参照国内外的采摘机器人的研究现状，分析了番茄采摘机器人机械结构并完成运动控制系统的机械结构设计。其次，对运动控制系统进行了分析和设
2、计。运动控制系统的分析与设计部分立足于采摘机器人的工作环境，并结合采摘机器人自身运动方面的需求和其它机械部分的需求来设计。主要包括：电源模块、电机控制模块、电机驱动模块、显示模块等。第三，对采摘机器人的传感器部分进行了分析并对运动控制系统的避障部分进行了设计。采摘机器人的传感器选择依据的是番茄采摘机器人的工作环境以及目前市场上所具有的几种常见传感器的性能、价格和能完成的功能进行比较选择，最终设计出避障系统。最后，通过仿真验证了运动控制系统设计的准确性，实现了避障功能。关键词：机械结构；避障；传感器；运动控制IITomato Harvesting Robot Motion Control Sys
3、tem Design And ImplementationABSTRACTThis 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 robot, it analyses the tomato picking robot mechanica
4、l 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 the coordination of other mechanical to design. Mai
5、nly 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 sensor, obstacle avoidance module, alarm module design
6、ing. 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 the obstacle avoidance system.Finally, the accuracy
7、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 controlIII目 录中文摘要 .IABSTRACT.II第一章 前言.11.1 研究背景与意义.11.2 果实采摘机器人研究现状.11.2.1 果实采摘机器人国内外发
8、展现状.11.2.2 果实采摘机器人关键技术及其发展现状.31.3 研究内容与结果.4第二章 机械结构的分析与设计.52.1 果实采摘机器人整体机械结构的分析.52.2 运动控制系统机械结构的设计.62.2.1 运动控制系统的机械结构分析.62.2.2 运动控制系统机械结构的设计.62.3 运动控制系统车体载荷分析与执行器的选择.72.3.1 执行器选择依据.72.3.2 执行机构电机的介绍.10第三章 运动控制系统硬件部分设计.123.1 总体方案设计思路.123.1.1 主控制器模块.123.1.2 电源模块.123.1.3 电机控制模块.133.1.4 电机驱动模块.133.1.5 显示
9、模块.143.1.6 报警模块.153.1.7 传感器选择与避障系统设计.153.2 运动控制系统硬件设计.173.2.1 主控器模块设计.173.2.2 电机控制模块电路设计.183.2.3 报警模块电路设计.203.2.4 显示模块电路设计.213.2.5 超声波模块电路设计.21第四章 运动控制系统软件设计.244.1 运动控制系统总程序流程图.244.2 超声波测距模块.254.3 避障模块.254.4 电机控制模块.264.5 显示模块.27第五章 系统仿真.28结束语.30参考文献.31致谢.33附件.341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
10、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
11、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 Kondo N
12、 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2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，
13、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 5 s/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
14、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
15、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3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
16、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
17、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
18、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4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
19、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。 5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
20、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 Kondo N 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 2.1 Kondo N 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。
21、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。6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，
