基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究.doc

壅些电氢化生自动丝 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 江苏大学硕士学位论文计，实现了机器人导航信息采集，数据显示和自动路径跟踪等功能，以达到系统的 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究。误差相对较小，在预期误差范围之内，达到了预期设计目的。 ，琭琣甌，甌瑃， 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究 ，琣，瑃， 琺：猵 机器人行走导引控制算法仿真 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究本章小结 江苏大学硕士学位论文近年来，计算机技术飞速发展，关于机械自动化技术的研究越来越广泛，信息自动化技术已经深入到生活生产的各种环境中，农业机器人的出现推动了传统农业的人工作业模式向现代精确农业的转变。农业机器人脱产于“精准农业”概念，“精准农业”的核心思想，一方面强调减轻人员劳动强度，使农业生产作业更精细，另一方面重视对生态环境起到保护功能，并可以在减少生产成本的同时，实现农业生产果蔬采摘是农业作业中一个重点工程，是整个果蔬生产过程中消耗精力与时间最多的一个项目，需投入的劳动力占全部生产流程的以上】。针对这种成本高、时间集中、劳动密集型工作，果蔬采摘及时，同时减少采摘作业的成本等同于增加了农业收入。我国果蔬产量很大，但种植、管理和采摘技术还远远比不上自动化程度高的发达国家。当前，国内果蔬采摘依然采用人工作业，不仅造成大量成本消耗，同时由于采摘时间集中，劳动力供不应求。这种情况致使我国虽然有世界领先的果园面积，但是却不是果蔬生产强国。若想改变现状，求得发展，研制适合于果园操作的自动化机械设备，提高采摘作业自动化水平是非常必要的。它不仅减少生产成本，降低人员工作强度，同时提高果蔬生产效率，并确保及时收获果蔬，具有十分重要的研究意义【。目前国内关于果蔬采摘机器人的关注热点，依然是目标果实视觉定位技术和采摘机构设计，而行走系统作为机器人作业的载体，对其研究也是必须而紧要的。国内现有机器人行走装置在运动时多存在摩擦和横向滑动的现象，严重影响机器人运行平稳性和使用寿命。而关于机器人行走自主导航系统虽然有了一定的研究，但还远不能应用于实际工作环境中。 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研宄农业生产项目缰种病烧!粞藿邮卟撕退都是需要大量劳动力的鳎偌硬氛庑作常常集中于某一时间段劳动力短缺问题十分严重卧】。为了其应用己逐步得到推广，而我国这方面的研宄还刚刚起步睁。 江苏大学硕士学位论文为，摘取成功率为图中国农业大学采摘机器人呐说睦钗啊壬杓屏酥治率夜卟烧魅耍缤糏作为机器人运动控制的基础，行走系统设计合理与否关系着机器人能否平稳运行，而采用何种形式取决于机器人运行环境。美国、日本、法国和澳大利亚等西方发达国家对移动机器人研究由来己久，行走装置式样繁多璲。我国市场对移动机器人需求不多，研究工作还不够全而深入。下而主要介绍下目前机器人行走装置应用较多的几种机构。器人结构复杂难以控制，移动速度也比较慢，一般在复杂的工业环境和特别崎岖的 地面蛊琷;D侠硪蝗搜兄频某莼魅恕。，乔。】大，型农业机械通常承载重，工作路面环境恶劣，对运行稳定性要求高，大多 缒猿绦蛴雝体齿轮齿条转向结构结合在起，开发了种可根据不体参数，实时求解适用于该车体转向的最优化机构的算法程序。如果可以明确的限制约束条件，工作人员就可以比较该约束下不同的转向结构，以匹配出最好的转向结构设汁方案。现在，此套程序己经被当做一种产品化的设计工具，魅嗽笨梢灾苯邮褂盟扒蟪鲎钍视玫淖O蚪峁筸】。为了在转弯时，让四车轮均作纯滚动运动，国内研究者也展开了研究。年，南京鸿未笱姆胗牢啊餷蝈开发了种新型转向机构，通过凸轮结构的使用，使原有四杆结构变为长度可调的五连杆结构，可完美做到转向纯滚动运动，其机 年，朱贤达、高建春提卅了一款新式纯滚动转向结构。此结构转向轮的转 药水自主喷施和作业过程的精确记载。但在高速作业的情况下，外界条件容易对超声波造成干涉，测量波束角大【。，而且超声波距离检测过程中，能量会因距离增大而减小，不适应长距离检测。所以，超声波传感器用于导航需要结合别种传感器。等以差分氤衅魃杓屏艘恢止呋魅俗灾鞯己缴璞福只互相间隔的超声波一体模块组成的超声波测距系统，可以对机器人与植株之电磁导航，是年左右由美国首次研制出来的，该种导航方式应用简单，并拥有较强的抗干扰能力和较长的应用年限，此后便得到了广泛的发展并开始使用于实际工程中。日本研制的磁导引式果蔬自主植保机，在工作环境中安设磁条，实现机器人在果园内顺磁条自主行驶，该种自主植保机己进入了实际应用中，能够减少农药对劳动者的损害，同时也可以降低工作量。 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究位植株的平均偏差不超过，有效改善了导航精度。王万章等通过差分岷系缱勇夼痰姆椒型侠己剑捎贕数据接 有遮挡的温室使用。综上所述，国内对于果蔬采摘机器人自主导航研究处在开始阶段，由于采摘环境的复杂性和特殊性，目前国内还没有真正成熟的可以应用于实际的果蔬采摘机器人的导航系统，对于系统定位精度的提高和自动导航系统的研究还需进一步加深，需要不断的学习和借鉴国外的一些自主导航技术方面的研究方法和思想，结合中国果蔬采摘作业实际需要，逐渐自主开发出适合中国国情的自主导航果蔬采摘机器人。 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究以实现非完整轮式移动机器人最佳的轨迹跟踪。所提出的方法核心是教以处理运动学和动态跟踪的不确定性问题，仿真效果良好。统的开发，完成了该农业机器人跟随直线轨迹行驶的功能。痵速度跟随直线路径行驶， 研究内容 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究中建立机器人路径跟踪仿真系统，对该算法进行路径跟踪仿真研本章小结 作为采摘机器人实现采摘作业的第一步，即行走系统的设计，是研制果蔬采摘机器人的基础。目前国内针对采摘机器人的研究多是关于果蔬的视觉定位以及采摘机构路径规划算法上。合理的行走装置设计，可以避免机器人作业时产生打滑、横向摩擦的现象，不仅可以节省动力，同时提高了机器人行走控制的精确性、运行过程的平稳性以及轮胎的使用寿命。机器人整体组成结构的小车自动停止功能。行走系统各模块布局如图所示。 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究 江苏大学硕士学位论文转向轮。圈磁导航行走系统模块分布图转向运动时，转向轮左前轮转向角度而后，带动连杆摆动，连杆相庶角度，车体开始进行转向运动。 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究机器人车体在转向过程中，一般以四车轮在路面上作纯滚动为理想行驶状态，这种状态可以降低路面与轮胎之间的摩擦力，减小轮胎损伤和动力耗损，在消除对路面损害的同时也能够增加车胎使用年限。当前机器人梯形机构在机器人转向运动时，从动转向轮总和路面产生横向滑动，造成车轮和路面之间的滑行摩擦，如图所示。纯滚动运动的理论速度为，其方向与直线垂直，但是实际应用过程中右前轮的 图车体左转时的转向运动示意图 左前轮转向角记为纯时，右前轮转向角记为，据图几何关系，有辔志三韧地喀瓦矿百6鴂 图车体右转时的转向运动示意图图车体转向时左右前轮关系图 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究当左前轮右转时，且右轮右转不超过保耸弊舐钟易铝吹鉈和一划；三；刚 当横拉杆之间安装电动推杆调节杆长变化，电动推杆沿横拉杆方向的直线位，唬式中，为横拉杆的初始长度，其值为盨为正时，电动推杆左转时左前轮转角与电动推杆位移量关系图笄奥肿笞J焙崂顺缺浠縎随着转向角吼的变化曲线图笄奥钟易J焙崂顺帽浠縎随看转向角吼的变化曲线 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究 笞。 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究易。 式中，、吼为左后轮、右后轮和轮轴中心点绕自身轴线的转角。联立式和，可得左前轮左转时的两后轮转角比为所以可得，可见后两后轮转速比与速度无关，只与前后轮轴轴心距离、后两轮距离、左 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究，左前轮转动距左后轮宽度；在此仿真中，左前轮转角设定为。不变，将车速印；：麓酡 左前轮左转时外内轮转速比随车速变化关左前轮女转时外内轮转速比随车速变化关两目轮速度随转向角变化曲线 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究 江苏大学硕士学位论文 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究转向机构左视图 行走系统电气控制方案设计 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究诺家衅鱅一瘢耏上 机器人在作业时，一要跟踪预定路径，二要有避障安全监控系统，所以行走系 盯单蹄输出电流】采纉并发出红灯给予警示，等到消除障碍才同复正常运行。超声波传感器技术参数如表袁超声波传感嚣技术参敷磁导航传感嚣避障侍感嚣 江苏大学硕士学位论文转向电机个转向伺服屯机和两个后轮驱动电机，型号为松下 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究式中，值陌刖叮琕轮子线速度。则电机转速即：示猧霍尔嗟缏放斜鸱较蚝螅醚谢T硕蹇一计数器进行脉冲数 江苏大学硕士学位论文霍尔传感嚣信息采集电路为高科剑琎龀錟为低电平，此刻与出高电平龀錟，旱钡缁醋J保敕敲开通，脉硎鋗到运动板卡的计数器丝逃敕敲闭合，直发高电平，将计数器计算的脉冲数乘以每个脉冲下推杆行进距离，就能获得当前行程人小】。 ：。，。瑃“； 导引传感器图磁导引原理图 动推杆位移量以及后轮驱动速度，进行机器人运动控制。机器人行走系统运动学分析 基于磁导引的墨叠墨塑垫墨仝堑查墨垫兰垫丝型鱼堕竺竺垄一，由以下公式表示：猦厂籬籬将式、等号两边分别求时间导数：崛籐三鰿一靌巍趖：舅：妻戈， 江苏大学硕士学位论文蘑将公式和代入公式中，可得：騝。口赸其中，粢籒点线速度，狽点角速度。结合公式，能够推得：痶万由式芍#喝敉琑，车体做直线运动；若万琑， 行走系统电磁导引控制算法设计圈控制系统原理图条的偏差距离，机器人车体由内部算法控制，自主进行纠偏动作，保证运行路线与 眓，时，瓸 江苏大学硕士学位论文。，固定的采样间隔敲吹鹘诤肒，正和，就只要求有前后三次检测值的误差就能得到控制增量。咭咭咭 卜期望转角偏差机器人图系统控制图期望转角控制量，为了将输入映射到输出范围，设控制器输出猠，一 分作用消除余差，若引起震荡，则调大。最后引进微分调节，从小到大调节，因则可以计算速度机器人行走导引控制算法仿真的机器人运动学关系建立。在齌中完成了系统初始化、预跟踪路线 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究图机器人车体运动仿真模型型：运算得到后一时间的车体姿态恢米旰秃较蚪；仿真开始车体姿态更新过程曛疚晃齝回到第三步，循环运行，直到接收到停止指令。 河蟷一。“，。一。值范围为堤寮按衅髂腿缤璊 计算小车期望偏转角和期望速度 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究可以看出，当前车体向左偏，那么右边传感器被触发，根据纠偏控制当车体运行到圆弧路段时，偏差增大，车体转向角开始增大，速度随之减小，为小车在此 猠猠偏差一时问关系图 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究实验二偏差、纠偏角厦车速对比图可以看出车前轮向左偏转了较人角度，一，此时偏转角较大，运行沃蟛鸥俚街毕吖旒胛榷刺拼，给出，该状态下车体偏差、期望转角、实验三叶跏嘉恢貌辉谠旒希跏甲刺缤 江苏大学硕士学位论文猠期望转角时间关系图 江苏大学硕士学位论文期望转角时问关系图实验四偏差、纠偏角厦车速对比图态，偏移蔚为肿=枪，牟体保持商行状态。 路段相同，惚浠较蛳喾矗贾粘视仪阕刺期望转角、速度变化对比情况。给出，该状态下车体偏差、 期望转自时间关系圈实验五偏差、纠偏角厦车速对比图给出了该状 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究本章小结 系统软件设计携式电动推杆 机器人导航控制器的输入信息为偏差信息。通过磁导航传感器检测磁条路径信 系统白检图下住机程序流程图 系统导航试验研究实验设备为果蔬采摘机器人、导航磁条、卷尺。实验地点地面光滑平坦，无坡度。度的导引磁条铺设好整条路径作为预定路线。 。试验方法：直线段卜但旱左倾状态。传感器当前姿态值衅鞅嗪诺钠骄党艘 江苏大学项士学位论文獾位置玹实验速度痵 右倾一圆曲线误差囤。笛橄殖既缤尽；魅顺跏甲刺缤据分析如丧所示。 獾位置表自动搜索并跟踪圆曲线测试偏差分析以内措直线行驶。 接索路径井跟踪圆曲线误差图自动搜索并跟踪圆曲线测试数据曲线田验证惴目刂菩阅堋盘跗躺杪肪冻，其巾圆弧路径的弧度角为，所示。直线段每隔一米记录一次数据，每个圆弧路段记录三次数据，所示。数据分析如表所示。祁始位置 基于磁导引的果蔬采摘机嚣人行走系统运动控制与试验研宄獾位置 钡位置终点住置实验速度痵 基于磁导引的果蔬采摘机器人行走系统运动控制与试验研究行走，。”利姑姿态璭 江苏大学硕士学位论文计算得到当前姿态值为，那么左边编号为、的传感器被触发，此时磁条实验速度痵嫡账 时间延长，稳态超调量较大，但基本达到了路径跟