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浙江工业大学硕士学位论文 农业采摘机械臂关节伺服控制系统研究 摘要 农业机器人不仅可以缓解农业劳动力的不足，还可以提高劳动生产率，改善农业生 产环境。我国目前研究的农业机器人，主要采用国外进口的关节及其运动控制系统，但是 其价格昂贵，不利于农业机器人的推广和应用。 本文以实验室自行研制的农业机械臂关节为控制对象，着重研究农业机械臂的关节伺 服控制系统。该控制系统采用多c p u 结构，以高性能芯片d s p i c 3 0 f 4 0 1 2 和a s 5 0 4 5 为核 心，并用c a n 总线组成分布式局域控制网络，使系统具有较好的实时性。 首先，根据机械臂采摘目标空间，设计其机械结构以及机械臂的总体控制方案。 其次，设计了控制系统的硬件电路如d s c 系统、c a n 通信接口、a s 5 0 4 5 传感器电 路等，详细介绍了p w m 调速原理及其在本文中的应用。 接着，研究了控制系统的模型和软件算法，设计了关节位置的的位置环和电流环双闭 环控制。其中电流环采取积分分离的p i 控制算法，位置环采用积分分离的p i d 控制算法； 最后设计了控制系统的软件部分。 最后，搭建实验平台，进行单关节调试和多关节联调实验。实验结果表明，关节伺服 控制系统能够满足机械臂控制的高精度要求。 关键词：机械臂关节，力矩电机，电流环，位置环，p i d r e a s e a r ho ns e r v oc o n t r o ls y s t e m o f h a r v es t i n gm a n i p u l a t o rj o i n t a b s t r a c t a g r i c u l t u r a lr o b o tc o u l dh e l pt om i t i g a t et h es h o r t a g eo fa g r i c u l t u r a ll a b o rf o r c e ，i m p r o v e a g r i c u l t u r a lc o n d i t i o n ，a l s ow i t hh i 班p r o d u c t i v i t y n o w , t h ej o i n ta n di t sc o n 仃d ls y s t 锄i n a g r i c u l t u r a lr o b o ti no u rc o u n t r ym o s t l yb o u g h tf r o ma b r o a d ，w h i c hw a se x p e l l s i v ea n d u n s u i t a b l ef o ra g r i c u l t u r a lr o b o t sp r o m o t i o na n d a p p l i c a t i o n t h ek e y s t o n eo ft h i st h e s i sw a st or e s e a r c ha g r i c u l t u r a lr o b o t ，ss e r v od r i v es y s t e m w l l i c h u s e do w n l a b o r a t o r yd e v e l o p e dj o i n to fa g r i c u l t u r a lr o b o tf o rt h ec o n t r o lt a r g e t t h es v s t e mu s e d t h r e e - m u l t i - c p us t r u c t u r e ，h a dd s p i c 3 0 f 4 0 1 2a n da s 5 0 4 5f o rt h eb a s e dc h i p s a r l du s e d c a n - b u st oc o n s t r u c td i s t r i b u t e dc o n t r o l n e t w o r k ，s ot h a tt h es y s t e mc o u l dh a v eb 鲫【e rr e a l t i m e a c c u r a c y a tf i r s t ，t h em a i nc o n t r o ls o l u t i o no fm a n i p u l a t o ra n ds t r u c t u r e o fs i n g l ej o i n tw e r e i n t r o d u c e d t h e nt h eh a r d w a r ec i r c u i t so fc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e ds u c ha sd s c s y s t e m ，c a n c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，a s 5 0 4 5 - s e n s o rc i r c u i ta n ds oo n a n dp w m s p e e dc o n t r o lt h e o r ya n d i t sa p p l i c a t i o ni nt h i st h e s i sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a f t e rt h a t ，c o n t r o lt h e o r ya n dc o m r o la l g o r i t h m sw e r es t u d i e da n dd i g i t a lp i dc o r l 缸d u e r w a sd e s i g n e d ，d o u b l e - l o o pc o n t r o li n c l u d e sp o s i t i o nl o o pa n dc u r r e n tl o o po f j o i n tm o t o rw a s r e a l i z e di nt h en e x t t h es y s t e mc u r r e n tl o o pw a sb a s e do np ic o n t r o la l g o r i t h mo fi n t e g r a l s e p a r a t i o na n dp o s i t i o nl o o pw a sb a s e do np i dc o n t r o la l g o r i t h mo fi n t e g r a ls e p a r a t i o n ；a t l a s t ，s o f t w a r ew a ss e tu p f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw a ss e tu p s i n g l ej o i n td e b u g g i n ga n dm u l t i - j o i n t d e b u g g i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei o i n tc o n n o l c o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t so f h i g hp r e c i s i o na n dr e a l t i m ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：j o i n t s ，t o r q u em o t o nc u r r e n tl o o p ，p o s i t i o nl o o p ，p i d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：护c i 年了月弓1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 | 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期：四年$ 月弓7 日 日期：d 勺年f 月弓日 l 浙江工业大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 在当今的西方发达国家，农业人口逐年减少，随着农业生产的规模化、多样化、精确 化，劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果收获、蔬菜的嫁接等都是 劳动力密集型的工作，再加上时令的要求，劳动力问题很难解决。目前，我国城镇化发展 迅速，人口老龄化趋势加快，农村劳动力减少对农业的影响已经显现出来。使用机器人不 仅可以解决劳动力的不足，还可以提高劳动生产率，改善农业的生产环境，防止农药、化 肥等对人体的伤害。因此，农业机器人应运而生，国内外广泛展开了农业机器人的研究， 现在己经开发出来的农业机器人有：耕作机器人、水田管理作业机器人、喷药机器人、收 割机器人、蔬菜嫁接机器人、水果采摘机器人、组培苗分割移植机器人、果实分拣机器人 笙【l - 6 寸。 农业机器人一般包括机械本体、视觉系统、运动控制系统等。控制系统作为农业机器 人的重要组成部分，它的作用是使机械系统的运动满足作业任务的要求，它的性能直接决 定着机器人的整体性能和作业效果。机械臂的关节控制系统是控制系统的主要组成部分， 包括了驱动器、传动器和控制器，属于机器人的基础部件。目前，国内对采摘机器人机械 臂关节包括其控制器的研究还有所欠缺，没有成熟的工业化产品出现，在研采摘机器人所 用的关节和控制器很大一部分是靠国外进口的，往往价格比较高，不适合机器人的推广应 用，所以研制针对采摘机器人的关节伺服控制器就显得十分必要。 本文课题来源于国家8 6 3 计划项目温室环境下果实信息感知与黄瓜收获机器人关键 技术研究( 项目编号：2 0 0 7 a a 0 4 2 2 2 2 ) ，该项目研究内容有：1 ) 果实识别和定位技术 ( 中国农业大学) ；2 ) 果实采摘机器人末端执行结构( 浙江工业大学) ；3 ) 果实采摘机器 人用机械臂技术( 浙江工业大学) ；4 ) 果树采摘机器人的辅助导航技术( 华南农业大学) ； 5 ) 果树采摘果实信息管理系统( 中国农业大学) ；6 ) 果树采摘机器人系统集成技术( 华 南农业大学) 。关节伺服控制是整个机器人控制技术的核心内容，它设计的合理与否直接 关系到机器人的整体运动性能，因此在机器人的研制工程中都把关节伺服运动控制系统作 为首要研究任务之一。本文所研究的农业机器人智能关节直流伺服控制系统属于果实采摘 机器人用机械臂技术的一部分，以直流力矩电机为伺服控制系统执行元件，设计和开发控 浙江工业大学硕士学位论文 制机械臂关节机构运行的电路，实现准确的控制，为研发具有自主知识产权的果实采摘机 械臂及控制系统奠定基础。 1 2 农业机器人的特点 和工业机器人相比，农业机器人有以下特点： ( 1 ) 农业机器人的作业环境的非结构性 由于农作物随着时间和空间的不同而变化，机器人的工作环境是变化的、未知的，是 开放性的环境。作物生长环境除受园地、倾斜度等地形条件的约束外，还直接受季节、大 气和时间等自然条件的影响。这就要求生物农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的 处理功能，而且还要能够顺应变化无常的自然环境。要求农业机器人在视觉、知识推理和 判断等方面具有相当的智能。 ( 2 ) 农业机器人作业对象的娇嫩性 生物具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。且其种类繁多，形状复杂， 在三维空间里的生长发育程度不一，相互差异很大； ( 3 ) 农业机器人作业动作的复杂性 农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行走不是连接出发点和终点的最 短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离及遍及整个田间表面等特点； ( 4 ) 农业机器人的使用者 农业机器人的使用者一般是农民，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求农业机 器人必须具有高可靠性和操作简单的特点； ( 5 ) 农业机器人的价格特性 工业机器人所需的大量投资由工厂或工业集团支付。而农业机器人以个体经营为主， 如果不是低价格，就很难普及开。 1 3 农业采摘机器人的国内外研究现状 果蔬采摘作业是果蔬生产链中最耗时，最费力的一个环节，果蔬收获期间需投入的劳 力约占整个种植过程所用劳力的5 0 - 7 0 。随着社会经济的发展和人口老龄化，很多国 家农业劳动力严重短缺，导致果蔬生产劳动力成本增加，为降低成本，提高劳动效率，果 实采摘的自动化成为亟待解决的问题。 果蔬采摘机器人是指针对水果和蔬菜，通过编程能完成这些作物的采摘、输送、装箱 2 浙征i 业大学硬士学位论文 等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统，需要涉及机械结构、视觉图像处 理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面的学科领域 知识。果蔬采摘机器人要解决的主要问题是识别和定位果实，并要在不损害果实也不损害 其植株的条件下，按照一定的标准将其收获。同时，设计机器人也要考虑经济因素，要能 保证其成本不比所替代的人工成本高。 从1 9 8 3 年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开发己历经 二十多年。欧美国家及日本相继开展了苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等水果的智能采 摘机器人技术的研究0 】。 1 3 1 农业采摘机器人的国外研究现状 韩国庆北大学研制了苹果采摘机器人，具有4 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，内有压力传感器避免损伤苹果。利用c c d 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8 5 ，速度达5 个s 。该机器人末 端执行器下方安装有果实收集袋，缩短了从摘取到放置的时间，提高了采摘速度。但是， 该机器人只有4 个自由度，无法绕过障碍物摘取苹果；对于叶茎完全遮盖的苹果，也没有 给出识别和采摘的解决方法，实物如图i 一1 所示。 图卜1 苹果采摘机器人 在日本，葡萄架都是水平的，葡萄长在架下面，而枝叶基本长在架上面，所以葡萄架 被枝叶遮住的可能性较小，机器人操作起来容易些。图1 - 2 所示为日本葡萄采摘机器人- 视觉传感器一般用彩色摄像机。而使用p s d = 维视觉传感器效果更佳，传感器侧装有激光 新扛i 业大学磺士学位论文 源，传感器接受目标物的反射光，可以检测出成熟果实及其距离的三维信息。机械手的终 端执行器有手指和剪刀，采摘时，用手指抓住果房，用剪刀剪断穗柄。 图1 2 葡萄采摘机器人 日本近藤等人研制的番茄收获机器人，由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机 构组成。番茄一簇可长4 _ 6 个果实，各个果实有可能是同时成熟，也可能不是同时成熟， 并且果实有时可能被叶茎遮挡，这要求机械手活动范围太，收获能避开叶茎等障碍物。改 采摘机器人采用了7 自由度机械手。用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实， 并采用双目视觉方法对果实进行定位。为了不损伤番茄果实，机械手的末端执行器设计成 带有较衬垫的吸引器，中间有压力传感器，把果实吸住后，利用机械手的腕关节把果实拧 下。移动系统采用4 轮机构，可在垄问自动行走。利用机器人上的光传感器和设置在地头 土埂上的反射板的配合，可检测到机器人行走是否到达了地边或土埂，到达后便自动停止， 在转变行进方向以后再继续前进。主要存在的问题是当成熟番茄的位置处于叶茎相对茂密 的地方时，机械手无法避开叶茎障碍物完成采摘。因此，还需要在机械手的结构、采摘工 作方式和避障规划方面做进一步改进和完善，以提高采摘速度和采摘成功率，才可能达到 实用化。 1 9 9 6 年，荷兰农业环境工程研究所( i m a g ) 研究出一种多功能黄瓜收获机器人。在 实验温室中，黄瓜按照标准的园艺技术种植并把它培养成高拉线缠绕方式吊挂生长。该机 器人机器手只进行单个收获，收获成熟黄瓜过程中不伤害其它未成熟的黄瓜。采摘是通过 末端执行器来完成，它由机械抓和切割器组成。末端执行器和机械手安装在行走车上，行 浙江工业大学硕士学位论文 走车为机械手的操作和采摘系统的初步定位服务，机械手有7 个自由度。收获后黄瓜的运 输由一个装有可卸集装箱的自走运输车完成。整个系统无人工干预就能在温室工作。实验 结果为工作速度l o s 根，在试验中效果良好，但还不满足商用的各种要求。 西班牙研制成采摘柑桔机器人。它由摘果手、彩色视觉系统和超声传感定位器三部分 组成。它能依据柑桔的颜色、大小、形状来判断柑桔是否成熟，决定是否采摘。采下的桔 子还可按色泽、大小分级装箱。这种采桔机器人，每分钟可摘6 0 个桔子，比人工提高效率 6 倍纠”】。 英国s i l s o e 研究院研制了蘑菇采摘机器人。它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选 择性地采摘和修剪。它的机械手包括2 个气动移动关节和一个步进电机驱动的旋转关节； 末端执行器是带有软衬垫的吸引器；视觉传感器采用t v 摄像头，安装在顶部用来确定蘑 菇的位置和大小。采摘成功率在7 5 左右，采摘速度为6 7 个s ，生长倾斜是采摘失败的主 要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作提高成功率和采用多个末端执行器提高生 产率是亟待解决的问题【1 4 】。 1 3 2 农业采摘机器人的国内研究现状 国内在农业机器人方面的研究始于2 0 世纪9 0 年代中期，相对于发达国家起步较晚。但 不少院校、研究所都在进行农业机器人和智能农业机械相关的研究。 中国农业大学杨丽博士研制的组培苗分割移植机器人系统自行研制开发了嵌入式控 制器，并在控制器硬件电路板上成功地实现了u c o s i i 实时嵌入式操作系统的移植，该 控制系统达到运动精度范围的准确率为7 5 ； 浙江大学在机器人领域做了大量的研究工作。梁喜凤带领的团队对采摘机器人的机械 手做了一定的研究，提出了评价采摘机械手工作性能的指标：工作空间、可操作度、避障 能力、冗余空间与姿态多样性。应义斌研究的水果自动分级机器人系统得到国家“8 6 3 ” 的支持【1 5 】。 东北林业大学研制的林木球果采摘机器人，移动机构采用j 5 0 拖拉机、机械手为5 个 自由度全液压驱动的机械手，由于操作简便、成木低、效率高，很受用户欢迎。 上海交通大学机器人研究所的曹其新和刘成良等进行了智能农业机械的研究工作，已 经完成了智能化联合收割机、蔬菜工厂化育苗播种流水线样机的研制。 江苏大学的陈树人、尹建军等在对西红柿的视觉研究亦取得很大的成果【1 6 】。还有周云 山和李强等人研究的蘑菇采摘机器人也处于是国内领先水平【1 7 1 。 5 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 直流伺服系统 1 4 1 直流伺服控制系统发展概述 用直流伺服电机作为执行元件的伺服系统，叫直流伺服系统。世界上第一个伺服系统 由美国麻省理工学院辐射实验室于1 9 4 4 年研制成功，就是当时火炮自动跟踪目标的伺服系 统。这种早期的伺服系统采用交磁电机扩大机一直流电动机式的驱动方式这类系统控制制 电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。近年来， 随着电力电子技术的发展及其应用技术的进步，单片机的高速发展，外围电路元件专用集 成件的不断出现，使得直流伺服电机控制技术有了显著进步。由于上述技术领域的发展， 可以很容易地构成高精度、快速响应的稳定的直流伺服系统，特别是被人们誉为“未来伺 服控制装置”的晶体管脉冲宽度调制( p w m ) 直流伺服系统，受到人们的普遍重视，从 而得到了迅速的发展和广泛的应用。 与此同时，随着稀土永磁材料的发展和电机制作技术的进步，相继研制出了力矩电机、 印制绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电机等性能良好的执行元件，与脉宽调制式变压 装置相配合。使直流电源以1 1 0 k h z 的频率交替的导通和关断，用改变脉冲电压的宽度改 变平均输出电压，从而调节电动机的转速，大大改善了伺服系统的性能。 目前用大功率晶体管控制的p w m 永磁式直流伺服电动机驱动装置，是高精度伺服控 制领域应用最为广泛的驱动形式，称之为p w m 驱动装置。这种装置能实现宽范围内的速 度和位置控制，较常规的驱动方式( 晶体管线性放大驱动、电液驱动、晶闸管驱动) ，具有 无可比拟的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高，p w m 装置一跃而为 现代伺服系统的佼佼者，受到越来越多的控制工程师的重视。 国外于2 0 世纪6 0 年代己开始注意p w m 伺服控制技术，起初用于飞行器中小功率伺服 系统，7 0 年代中后期，在中等功率的直流伺服系统上较为广泛地使用p w m 装置，n 8 0 年 代，p w m 驱动在直流伺服系统中的应用己经普及。现在从国外引进的高精度伺服系统大 都采用p w m 伺服控制，各工业先进国家竞相发展p w m 伺服机构，如美国k o l l m o g e n 公司 i n l a n d 电机部为本公司生产的直流伺服电机研制了各种h r b a n dp w m 驱动装置，日本的 “安川电机”为数控机床研制了c p c r m r np w m 驱动等，其他国外生产制造直流p w m 驱动装置的厂家还很多，美国的哥德公司、日本的三菱电机公司、德国的西门子公司等都 有他们自己的系列产品，其中大部分用于机床数控伺服系统和机器人驱动系统。 国内部分高校、研究所和工厂在2 0 世纪7 0 年代末期相继开展了p w m 系统的研究，就 p w m 控制电路、驱动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计作了不少工作，取得了 6 浙江工业大学硕士学位论文 一些成果，在一定范围内达到了工业推广水平。并应用于数控机床、精密机床，仿型机床， 重型机床的进给机器人驱动装置及精密速度控制器中，也用于军用雷达天线驱动、天文望 远镜驱动、火炮和导弹发射架驱动等快速跟踪高精度伺服系统中。但由于受到能制造的大 功率晶体管的电流及电压等级的限制，国内仅能作到几十瓦到几十千瓦，电压达n 2 2 0 伏。 1 4 2 直流伺服系统的特点 p w m 驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个 固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通与“断开 时间的长短， 通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动 机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置 。p w m 驱动装置与一般晶闸管驰动装 置相比较具有下列特点【1 8 】： ( 1 ) 用的大功率可控器件少，线路简单。例如，在不可逆无制动p w m 驱动装置中仅 用一个大功率晶体管，而在晶闸管驱动装置中至少要用三个晶闸管； ( 2 ) 调速范围宽。与宽调速直流伺服电机配合，可获得6 0 0 0 1 0 0 0 0 的调速范围，而一 般的晶闸管装置的调速范围仅能达到1 0 0 1 5 0 ，如果采用低速控制或锁相环控制等措施， 也能达至1 6 0 0 0 1 0 0 0 0 的调整范围，但其线路要i ：i , p w m 系统复杂得多； ( 3 ) 快速性。p w m 系统的调制频率高，失控时间小，可减小系统的时间常数，使系 统的频带加宽，动态速降小，恢复时间短； ( 4 ) 电流波形系数好，附加损耗小。由于p w m 调制频率高，不需要平波电抗器就可 获得脉动很小的直流电流，波形系数约等于1 。因而电枢电流脉动分量对电动机转速的影 响以及由它引起的附加损耗都小； ( 5 ) 功率因数高，对用户使用有利。p w m 装置是把交流电经全波整流成一个固定的 直流电压对电网干扰小，再对它进行脉宽调制，因而交流电源侧的功率因数高，系统工作 稳定。此外，p w m 驱动装置还具有下列优点：同晶体管线性功率放大相比，功率高，功 耗小；同交磁电机扩大机驱动相比，体积小，重量轻，寿命长，频带宽，滞后小同电液驱 动相比，维护方便，性价比优良，非线性小，受环境影响的敏感度低。 事物是一分为二的，p w m 驱动装置有许多优点已勿庸置疑，但它也有不足之处，表 现为： ( 1 ) 目前进入实用的p w m 驱动装置均不能向交流电网回馈电能； ( 2 ) 功率转换电路的晶体管工作在开关状态，它是系统的严重干扰源； 7 浙江工业大学硕上学位论文 ( 3 ) 大功率晶体管不能承受高峰电流，过载能力差； ( 4 ) 放大倍数低，驱动电路复杂，需要提供一定的激励功率。 1 5 伺服系统控制策略概述 控制策略是控制器的核心，经过长期理论研究和工程实践，对于伺服系统己经形成了 一些具有代表性的控制策略。 1 ) 常规控制策略 以经典控制理论为基础的p i d 控制策略因其结构简单、易于实现等优点至今仍被广泛 应用。但是传统意义上对于误差的现实因素( p ) ，过去因素( i ) 和将来因素( d ) 进行简单线性 组合的思想己被越来越多的新思想代替，如：模糊p i d 、神经网络p i d 、变参数p i d 等。特 别是在伺服系统控制这一存在变参数、非线性、强干扰等大量不利因素的应用领域，将常 规p i d 改造为适应性的、非线性的p i d 可明显提高系统的控制效果，事实证明新型p i d 控制 策略仍然具有强大的生命力。采用p i d 控制或改造的p i d 控制，在相当程度上己能满足多数 伺服系统的性能指标。但系统如果存在强扰动，特别是低频强扰动或者系统的稳态精度和 响应速度要求很高时，p i d 或改进的p i d 控制就不易满足系统的要求。因此工程上经常采用 带前馈的复合控制用于要求高性能的伺服系统，以提高控制精度但是由于前馈控制器中存 在纯微分环节，系统容易受到高频干扰，且对输入指令信号质量的要求比较高，故复合控 制不易用于恶劣的现场环境，因此限制了复合控制在武器系统中的广泛应用。 不管是基于传递函数的经典控制理论还是利用状态空间的现代控制理论，是否能达到 预期的目标完全取决于对象数学模型的精确程度。实际上，建立对象的精确数学模型几乎 是不可能的，任何所谓的“精确 实际上都是一定程度上的近似，解决这个问题的有效手 段是在设计阶段将对象的各种不确定因素都考虑进去，设计基于不确定性的非精确模型控 制器，即鲁棒控制器。由于在鲁棒控制中，系统工作环境和外界扰动的变化也转化为一种 模型的变化( 摄动) 来处理，因此将鲁棒控制用于伺服系统中对于工程技术人员很有吸引力。 目前应用于伺服系统中的鲁棒控制方法有h 控制及h z 控制等方法【1 9 】。 然而鲁棒控制在伺服系统中的应用也遇到一些问题，如在实际系统的设计中，鲁棒区 域或蛇动区域必须已知且有限。系统的鲁棒性和精确性是一对矛盾，设计者必须在它们之 间折衷考虑，很难达n - 者的共同最优，从而限制了替棒控制在伺服系统中的广泛应用。 除了上述的控制策略外，还有其它如变结构控n ( v s c ) ，内模控, t j ( i m c ) 等策略，每种策 略都有自己的使用领域。目前发展的趋势是各种策略取长补短，相互结合，形成复合的双 浙江工业人学硕士学位论文 模甚至多模控制策略，以满足对被控对象日益增高的控制要求。 2 ) 智能控制 自从维纳建立控制论以来，控制理论经历了两个主要发展阶段：经典控制理论阶段和 现代控制理论阶段。经过半个多世纪的发展，这些常规的控制方法形成了比较完善的学科 体系。7 0 年代末开始兴起的智能控制理论和大系统理论的研究与应用是现代控制理论在深 度和广度上的开拓，从一开始就受到了人们的关注。智能控制这一概念最早出现在本世纪 六十年代，美籍华裔科学家傅京孙( k s f u ) 教授较早对此进行了研究。宏观上看，智能 控制是一个新兴的学科领域，是控制论发展的高级阶段，它主要用来解决一些用传统方法 难以解决的复杂系统控制问题。一般说来，智能控制的研究对象具备以下特点：一是模型 的不确定性，这意味着模型未知或知之甚少，或者结构和参数可能产生大范围变化；二是 系统高度的非线性；三是复杂的任务要求。 从系统角度看，智能行为是一种从输入到输出的映射关系【2 0 1 。这种映射关系并不能用 数字的方法加以精确的描述，因此它可以看作是一种不依赖于模型的自适应估计。传统的 控制理论主要采用微分方程、状态方程及各种变换作为研究的数学工具，它本质上是一种 数值分析方法，而人工智能分析则主要采用符号处理和一阶谓词逻辑分析方法。智能控制 运用的是二者的交叉与综合，如符号推理与数值计算相结合，离散时间与连续时间过程相 结合以及介于它们之间的方法，如神经网络、模糊集合论。后两种方法是目前智能控制研 究的主要工具，它们在逻辑关系及不依赖模型等方面类似于人工智能，而其他方面如连续 取值和非线性动力学特性则类似于传统控制理论的一般数值方法。 3 ) 模糊控制 模糊控制是智能控制的一大类，是基于模糊集合理论，模拟人的模糊推理和决策过程 的一种实用控制方法【2 l 】。1 9 7 4 年，英国科学家m a m d a n i 和a s s i l i a n 首次将模糊理论应用于 热电厂的蒸汽机控制，揭开了模糊理论在控制领域应用的新篇章。尽管自问世至今仅有三 十余年，但其发展迅速。尤其近些年，理论和实际应用都有极大进展。依照模糊理论奠基 人l a z a d e h 教授的最初设想，模糊理论应在人类主观因素起主导作用的领域，如：人文 科学和社会科学上得到应用和发展。然而，事实证明模糊理论最成功的应用领域却是在自 动控制领域，这完全是由模糊控制的特点决定的。 模糊控制器采用人类语言信息，模拟人类思维，故它易于接受，设计简单，维护方便。 9 浙江工业大学硕士学位论文 模糊控制器基于包含模糊信息的控制规则，所构成的控制系统稳定性好，鲁棒性高。在改 变系统特性时，模糊控制系统不必像常规控制系统那样只能调节参数，还可以通过改变控 制规则、隶属函数、推理方法及决策方法来修正系统特性。因此，模糊控制器的设计、调 整和维护都非常简单。在常规控制算法中，微小的错误或者参数漂移都可能造成系统失控， 而基于控制规则的模糊控制系统对某一规则的变化敏感很小，系统抗干扰能力强。 4 ) 扰动观测器 严格说来，任何实际控制系统都包含不确定性【2 2 】。一方面，物理系统中可能出现的现 象十分复杂，现有的建模理论和数学手段又远非完善，在控制系统建模时，往往要做许多 近似，因而难以建立实际对象的精确数学模型，不可避免地存在建模误差。另一方面，在 实际系统工作过程中，还存在着内部结构和参数的未知变化以及外部干扰等因素。这些因 素的总和构成了系统中的不确定性，它们的存在必然会影响系统的性能，使控制变得复杂 和困难。通过改善机械结构或提高加工精度来完全消除扰动通常要代价昂贵甚至不可能。 因此有必要研究一种简单、有效，且易于实现的扰动补偿方法。 扰动观测器的结构简单，只需一个名义模型的倒数和一个低通滤波器就可以建立，并 且能够有效的抑制外部扰动，使实际控制对象按照名义模型来设计。 扰动观测器能够被广泛使用主要有以下几个方面的原因： ( 1 ) 参数变化、非线性摩擦以及其他扰动时，扰动观测器将它们看成一个等效扰动， 可以对其进行估计，并反馈到控制输入端，使计算量大大减少； ( 2 ) 扰动观测器的结构十分简单，只需要一个名义模型的倒数和一个低通滤波器就 可以建立，各个参数的物理意义很容易理解； ( 3 ) 扰动观测器可以有效的抑制扰动，使控制系统能够按照名义模型设计，在控制 过程中只加入一个简单控制器就能使系统成为一个低阶的鲁棒系统，控制方法简单； ( 4 ) 为了降低系统对扰动的灵敏度，只需提高扰动观测器的阶次。 1 6 本文主要的研究内容 本文通过大量的调试实验，设计并制造了一套完整的机械臂关节伺服系统的硬件电 路，主要包括控制电路，驱动电路，通信电路等。同时本文还针对机械臂具体功能及精度 要求，进行控制系统软件设计编写大量的程序，其中包括控制算法、a d 采样、通信与i 0 功能等。通过对控制系统软件的实验调试，完成机械臂需要的各项功能，同时也使机械臂 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 的关节控制精度达到技术指标。全文共分六章： 第一章：绪论主要给出了课题的背景、研究意义、农业采摘机器人的国内外研究现 状、直流伺服控制系统发展概况和特点及伺服控制系统控制策略概述。 第二章：机械臂的体系结构确定了采摘机械臂的工作空间；接着对机械臂臂长进行 了优化设计，然后详细介绍了采摘机械臂关节的机械结构及其工作原理。 第三章：控制系统硬件设计主要阐述了电机驱动的相关硬件电路设计，重点讨论了 d s c 最小系统构成、电机位置信号检测、p w m 脉宽调制的原理及应用等内容。 第四章：控制系统模型及软件设计根据控制对象设计了数字p i d 控制器，实现了关 节电机的位置环和电流环双闭环控制。介绍了关节伺服控制系统的程序总流程、初始化程 序、转角位置反馈原理和程序实现以及c a n 通信软件流程的设计。 第五章：实验及结果分析进行单关节调试和多关节联调实验，并对结果进行分析。 第六章：结论与展望 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 采摘目标空间 第二章机械臂的体系结构 摄像头 机械臂 箜! 拉线 i f _ _ 、 弋 小车 妯 硬化地面 l l 土壤 iiy _ jl 、 图2 - 1 采摘工况 图2 - 2 视场范围 如图2 - 1 、图2 2 所示，黄瓜采用拉线式栽培方式，采摘机器人摄像头视场分布在离 地面高8 0 0 m m 、宽7 0 0 m m 、深度方向为2 0 0 m m 的空问范围内，通过下放拉线该区域可 以包括所有黄瓜分布区域。由上分析可得，采摘空间为一空间长方体。 2 2 机械臂结构及自由度数目 机器人按其坐标形式可以分为四类：直角坐标机器人，圆柱坐标机器人，极坐标机器 人和关节坐标机器人【2 3 】。关节坐标机器人主体结构有三个自由度，主要由旋转关节组成， 具有与人的肩、肘、腕相对应的关节，其机械臂比其它类型的机械臂更接近于人的手臂。 此类机械臂结构紧凑，工作范围大而占用空间小。综合考虑四种类型机器人的特点和采摘 的实际情况，本文选用关节型坐标机器人。 自由度是机械臂的一个重要技术指标，它直接影响到机械结构的设计和机械臂运动方 式。为了使机械臂能抓取三维空间中任意摆放的物体，一般需要六个自由度。但是，如果 预先知道对象的某些参数，就不需要六个自由度。例如，在三维空间确定个球体只需三 个自由度，而确定一个圆柱体需四个自由度。由于黄瓜果实呈圆柱形，所以四个自由度的 机械臂即可满足采摘作业要求。采摘机械臂的结构简图如图2 3 所示： 1 2 浙江- t 业大学硕士学位论文 j 1 ：腰关节j 2 ：肩关节j 3 ：肘关节j 4 ：腕关节 图2 3 采摘机械臂结构简图 2 2 关节机械结构 机械臂关节采用直流力矩电机加谐波减速器的传动方式。四个关节的机械结构由本实 验室自行设计，由于四个关节的结构基本相同，这里以肩关节为例来阐述关节的机械装配 结构，如图2 4 所示，图2 5 为其装配后的实物外形图。关节主要由直流力矩电机、谐波减 速器、电机固定架、主轴等组成。这里采用刚轮固定，柔轮转动的方案。直流力矩电机通 过紧钉螺钉与谐波减速器的谐波发生器相连，电机的转动经由谐波发生器带动柔轮运动， 从而带动法兰转动，产生力矩，刚轮则通过螺母与电机固定架安装在一起，此结构简洁紧 凑，理论上不存在间隙，真正实现驱动元件和执行部分“合二为一的目的。除了避免间 隙等不利的因素外，该关节机构还减少了传统的传动链误差。 1 3 浙江r 业大学硕士学位论文 圈24 芙1 y 装配幽 幽2 5 关节实物倒 关节中谐波齿轮传动l “1 是利用行星轮系传动的原理发展起来的一种新型传动，它由三 个基本构件组成：即渡发生器、刚轮和柔轮。由于在传动过程中柔轮产生变形近似于谐 波，故称之为谐波齿轮传动，常用的是双波和三波两种。其结构如图2 6 所示。 浙江 业大学硕+ 学位论文 霞生器 刚轮2 与柔轮1 中可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，即可实现减速或增 速。谐波齿轮传动的特点是：单级传动比大且范围宽；同时啮合的齿数多，承载能力高； 传动平稳，传动精度高，磨损小；在大传动比下，仍有较高的传动效率：零件数小，重量 轻，结构紧凑：具有通过密封壁传递运动的能力等。其缺点是：启动力矩大，且速比越小 越严重：柔轮易发生疲劳损坏；装置发热较大等。 2 4 关节电机选取 伺服系统对所用电机的基本性能要求有2 5 l ：( 1 ) 启动、停止和反向均能连续有效的 进行，具有良好的响应特性；( 2 ) 正转反转时的特性相同，且运行特性稳定；( 3 ) 良好 的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻：( 4 ) 维修容易，不用保养。 常用的伺服电机主要有：直流伺服电机、交流伺服电机、步进电机、直流力矩电机等。 这四种伺服电机的主要特点如下： 直流伺服电机作为机电一体化产品的一种重要执行元件，它具有体积小、转矩大、功 率重量比大、功率体积比大、稳定性好等优点，缺点是维护性不好，散热不好。 交流伺服电机具有可靠性高、维护保养要求低、易散热等特点，转子转动惯量小、快 速性好、功率体积比更大，交流伺服电机保留了一些直流伺服电机的优点而克服了某些局 限性，缺点是低速性差，需要减速装置驱动负载。 步进电机转子的运动位移取决于脉冲的个数，速度取决于脉冲的频率，优点是误差不 会长期积累，不受电压波动和负载变化的影响，也不受环境条件变化的影响，快速起动、 刁憩嚣瑚i | 昼一 一 浙江工业大学硕士学位论文 反转、停止或改变转速，停止时能自锁。它的最大缺点在于容易失步，特别是在大负载和 速度较高的情况下，失步更容易发生，低速时容易发生低频振动。 直流力矩电动机是满足低转速、大转矩负载的需要而设计制造的，它能够长期堵转， 低速运行时能产生足够大转矩，而且不需经过齿轮减速而直接带动负载。它具有以下优点： 1 ) 力矩波动小，低速下运行稳定； 2 ) 机械特性和调节特性的线性度高； 3 ) 响应迅速，动态特性好。 这些特点使得力矩电机特别适合在位置伺服系统和低转速伺服系统中做执行元件，也 适合于需要转矩调节、转矩反馈和一定张力的场合。 机械臂关节电机无需很高的转速，但要受到大而变化频繁的负载转矩，尤其是肩关节。 这就要求电机有很好的力矩特性，并能耐堵转，从而使得机械臂在极限点时( 肩关节受外 力矩最大时) 也可轻松启动。综合以上考虑，本文采用了北京勇光高特种微电机有限公司 的直流力矩电机，此类电机具有快速响应，低转速，大力矩，特性线性度好，力矩波动小， 而且结构简单，紧凑。根据关节的负载等情况分别选取了不同功率的电机，参数如表2 1 所示。 表2 - i 关节电机参数【2 6 】 腕 型号：5 5 l y x 0 2 肘 型号：5 5 l y x 0 2 关 连续功率：1 2 6 w 关 连续功率：1 2 6 w 峰值堵转：11 3 3 4 w峰值堵转：11 3 3 4 w 节节 肩 型号：7 0 l y x 0 1 腰 型号：7 0 l y x 0 1 关 连续功率：1 6 5 w 关 连续功率：1 6 5 w 峰值堵转：11 2 6 w峰值堵转：11 2 6 w 节 节 2 5 机械臂总体控制方案 从控制算法的处理方式来看，机器人的控制可以分为串行结构和并行结构。在串行结 构中，根据处理器的结构，目前机器人基本上采用以下三种控制方式【2 7 之8 】： ( 1 ) 单c p u 结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中，o i h e r o 1 ，r o b o t i 等，就采用这种结构，但这种控制结构速度较慢。 ( 2 ) 二级c p u 结构、主从式控制方式 一级c p u 为主机，实现系统管理、运动学计算、轨迹规划和人机接口等功能，并定时 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级c p u 读取：二级c p u 完成全部关 节位置数字控制。这类系统的两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通过公用内存交换数据， 对采用更多的c p u 进一步分散功能是很困难得。 ( 3 ) 多c p u 结构、分布式控制方式 这是上、下位机二级分布式结构，上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规 划等。下位机由多c p u 组成，每个c p u 控制一个关节运动，上位机和下位机之间通过总线 通信。目前世界上大多数商品化机器人控制系统都是这种结构。 综合比较三种控制方式的特点，本文采用多c p u 结构、分布式控制方案。 机械臂控制系统具体结构如图2 7 所示。整个机械臂系统采用上、下位机多c p u 分布式 结构：上位机控制器主要完成整个系统的管理、运动学计算、轨迹规划及通信任务；下位 机负责本关节位置控制以及与上位机的通讯，四个下位机并行工作；通过这种结构，把机 械臂4 个关节的运动控制分离了出来，分别由各自单独的关节控制器控制，不但大大提高 关节控制精度，而且可以减轻上位机的负荷。 图2 - 7 机械臂系统结构 2 6 本章小结 本章首先确定了采摘机械臂的目标空间；接着详细介绍了采摘机械臂关节的机械结构 及其工作原理；然后根据关节伺服控制系统的设计要求，采用上、下位机多c p u 分布式 结构作为本文关节伺服控制系统的整体方案；最后通过比较，选择了直流力矩电机作为关 节电机。 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 第三章控制系统的硬件设计 3 1 单关节伺服控制系统结构 单关节伺服控制系统以d s p i c 3 0 f 4 0 1 2 数字信号控制器和a s 5 0 4 5 磁旋转绝对值编码 器为核心，主要由d s c 及其最小系统、位置信号反馈电路、c a n 总线通讯接口、