【正文】 學校代碼： 11059 學 號：0805070014Hefei University 畢業(yè)設計（論文）BACHELOR DISSERTATION論文題目： 番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 學位類別： 工 學 學 士年級專業(yè)（班級）：08級 自動化 （1）班作者姓名： 導師姓名： 完成時間： 2012年 5 月 15 日49番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)中文摘要本文從機器人機械結構入手，對番茄采摘機器入的運動控制系統(tǒng)進行了研究。首先，參照國內外的采摘機器人的研究現(xiàn)狀，分析了番茄采摘機器人機械結構并完成運動控制系統(tǒng)的機械結構設計。其次，對運動控制系統(tǒng)進行了分析和設計。運動控制系統(tǒng)的分析與設計部分立足于采摘機器人的工作環(huán)境，并結合采摘機器人自身運動方面的需求和其它機械部分的需求來設計。主要包括：電源模塊、電機控制模塊、電機驅動模塊、顯示模塊等。第三，對采摘機器人的傳感器部分進行了分析并對運動控制系統(tǒng)的避障部分進行了設計。采摘機器人的傳感器選擇依據(jù)的是番茄采摘機器人的工作環(huán)境以及目前市場上所具有的幾種常見傳感器的性能、價格和能完成的功能進行比較選擇，最終設計出避障系統(tǒng)。最后，通過仿真驗證了運動控制系統(tǒng)設計的準確性，實現(xiàn)了避障功能。關鍵詞：機械結構；避障；傳感器；運動控制TomatoHarvesting RobotMotion Control SystemDesign AndImplementationABSTRACTThis 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 mechanical 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 bined the damand of picking robot self motion and the coordination of other mechanical to design. Mainly it prises 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 designing. Picking robot sensor selection is based on the tomato picking robot working environment as well as the current market, which has several mon sensor performance, price and can plete the function chosen for parison. At last, it designs the obstacle avoidance system.Finally, the accuracy 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 control目 錄中文摘要 IABSTRACT II第一章 前言 1 1 1 1 3 4第二章 機械結構的分析與設計 5 5 6 6 6 7 執(zhí)行器選擇依據(jù) 7 執(zhí)行機構電機的介紹 10第三章 運動控制系統(tǒng)硬件部分設計 12 12 12 12 13 13 14 15 15 17 17 18 報警模塊電路設計 20 21 21第四章 運動控制系統(tǒng)軟件設計 24 24 25 25 26 27第五章 系統(tǒng)仿真 28結束語 30參考文獻 31致謝 33附件 34第一章 前言隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展,智能機器人已在許多領域得到日益廣泛的應用。在農業(yè)生產(chǎn)中,由于作業(yè)對象的復雜、多樣,以及當前我國正面臨人口老年化的趨勢[1]，使得新型農業(yè)機械——農業(yè)機器人的開發(fā)具有巨大經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景,符合社會發(fā)展的需求。番茄采摘機器人是基于人工采摘果實作業(yè)中耗時、費力等因素而應運而生的智能農業(yè)裝備。運動控制系統(tǒng)作為采摘機器人控制系統(tǒng)中不可或缺的部分為機器人實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的采摘工作提供了必要的保證。國際上，日本、美國等發(fā)達國家，已經(jīng)從20世紀80年代開始研究采摘機器人，并取得很多成果。從1983年的第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了近30年[2]，但我國在該領域中的研究還處于起步階段，因此我們必須加快對采摘機器人的研究腳步以早日趕超國際水平，使其為我國農業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大。采摘機器人是針對水果和蔬菜，可以通過編程來完成這些作物的采摘、轉運、打包等相關作業(yè)任務的具有感知能力的自動化機械收獲系統(tǒng)，是集機械、電子、信息、智能技術、計算機科學、農業(yè)和生物等學科于一體的交叉邊緣性科學[3]。近30年來，采摘機器人的發(fā)展可謂是日新月異，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機器人。和國內相比國外一直處于技術前沿。（1）經(jīng)典的番茄采摘機器人是日本Kondo N等人研制的番茄采摘機器人。其結構由機械手臂、末端執(zhí)行機構、運動行走機構、視覺識別裝置、控制模塊、能源組塊組成。、。采用具有冗余度的7自由度機械手是為了能夠靈活避開障礙物。此款機器人的采摘準確率為70%，速度為15s/個果實[4]。（2）美國研究人員在美國航空航天局資助下研制成番茄采摘機器人能在草和葉子之間確定西紅柿的位置，挑選出已成熟的西紅柿并進行采摘，其采摘準確度可達到85%～95%[5]。（3）日本一家機器人公司研制出草莓采摘機器人。其內置有能夠感應色彩的攝像頭，可以準確分辨出草莓和綠葉，利用事先設定的色彩值，再配合獨特的機械結構，它就可以判斷出草莓的成熟度，并將符合要求的草莓采摘下來，速度達到10s/個[6]。（4）韓國的蘋果收獲機器人：韓國慶北大學的科研人員研制出蘋果果采摘機器人，它具有4個自由度，包括3個旋轉關節(jié)和1個移動關節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，其手心裝有壓力傳感器，可以起到避免蘋果損傷的作用。它利用CCD攝像機和光電傳感器識別果實，從樹冠外部識別蘋果的識別率達85％，速度達5 s/個。該機器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實收集袋，縮短了從采摘到放置的時問，提高了采摘速度[7]。我國機器人技術雖然起步較晚，但在改革開放的推動下發(fā)展迅速。尤其在不少大專院校、研究所都在迸行采摘機器人和智能農業(yè)機械方面的研究，已有很多研究成果披露，比較有代表性的有：東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人[8]；吉林工大學的周云山等人研究了蘑菇采摘機器人[9]；中國農業(yè)大學的張鐵中等人針對我國常見的溫室罩壟作栽培的草莓設計了3種采摘機器人[10]；南京農業(yè)大學的張瑞合、姬長英等人研制了番茄采摘機器人[11]。近期中國農業(yè)大學發(fā)明的黃瓜采摘機器人,。經(jīng)教育部認定，是國內第一臺黃瓜采摘機器人，獲得多項國家專利。其利用機器人的多傳感器融合功能，對采摘對象進行信息獲取、成熟度判別，并確定采摘對象的空間位置，實現(xiàn)機器人末端執(zhí)行器的控制與操作的智能化系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)在非結構環(huán)境下的自主導航運動、區(qū)域視野快速搜索、局部視野內果實成熟度特征識別及果實空間定位、末端執(zhí)行器控制與操作，最終實現(xiàn)黃瓜果實的采摘收獲[12]。從國內外果實采摘機器人的研究現(xiàn)狀來看，目前果實采摘機器人的研究正處于由試驗階段向實用推廣階段的過渡時期，我國在這方面的研究只處于起步階段。要想讓采摘機器人真正造福于人，必須進行更深入廣泛的研究，改進目前采摘機器人存在的問題與不足，完善采摘機器人的新功能、新特點，確保機器人運行穩(wěn)定、可靠。未來的采摘機器人將真正做到一機多用，不僅可以采摘多種果實還可以實現(xiàn)多種用途[13]。隨著研究中遇到的問題和難題一一解決和攻破，果實采摘機器人將不斷完善。相信在廣大工程技術人員的不斷探索和努力下，在不久的將來，采摘機器人技術會越來越成熟，采摘機器人會越來越多地應用于農業(yè)生產(chǎn)中并最終實現(xiàn)[14]。果實采摘機器人的關鍵技術應該包括以下幾個方面：（1）要具有精確度高的視覺識別系統(tǒng)，能夠區(qū)分出果實和植物的枝蔓，準確識別出成熟果實和非成熟果實，提高準確率和成功率。（2）具有靈活的機械臂和較為輕便柔軟的機械末端，且能夠在工作時避開枝蔓的阻撓。即自由度個數(shù)適中，同時能夠保證采摘的效率。（3）具有較為穩(wěn)定的運動控制系統(tǒng)，能夠及時配合機械臂、機械末端的工作，確保采摘工作的順利完成。（4）考慮到使用機器人采摘的果實的初衷是用機械代替人工從而提高工作效率。所以要求系統(tǒng)的實時性要好。果實采摘機器人在技術層面的發(fā)展，就視覺識別系統(tǒng)、機械臂、機械末端、運動控制系統(tǒng)方面都有了豐碩的成果。運動控制系統(tǒng)方面，技術已經(jīng)相對來講比較成熟，其技術關鍵之處是能夠控制電機的起轉停，并且具有適當?shù)谋苷瞎δ芎蛨缶δ堋Ｒ曈X識別方面，得益于數(shù)學模型及圖像處理技術的發(fā)展，果實采摘機器人已經(jīng)能夠完成果實識別、果實成熟度識別以及精確快速處理等功能[15]。比如，最初的日本研制的番茄采摘機器人采用傳統(tǒng)視覺處理技術由彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺系統(tǒng)來尋找和識別成熟果實[16]，而現(xiàn)在番茄采摘機器人，南京農業(yè)大學的張瑞合、姬長英等人在番茄采摘中運用雙目立體視覺技術對紅色番茄進行定位，將圖像進行灰度變換，而后對圖像的二維直方圖進行腐蝕、膨脹以去除小團塊，提取背景區(qū)邊緣，然后用擬合曲線實現(xiàn)彩色圖像的分割，將番茄從背景中分離出來[17]。對目標進行標定后，用面積匹配實現(xiàn)共軛圖像中目標的配準。運用體視成像原理，從兩幅二維圖像中恢復目標的三維坐標。機械臂機、械末端方面，由于自由度選擇和傳感器技術的進步、以及機械結構的不斷改進。機器人已由一開始的無法準確判斷和避開枝蔓[18]，發(fā)展到快速而準確的避開枝蔓采摘果實。研究內容：結合實際的果實采摘工作，研究番茄采摘機器人整體的機械結構；研究傳感器應用及避障系統(tǒng)的功能要求；研究運動控制系統(tǒng)的功能需求和電機控制策略。研究結果：(1)設計了運動控制系統(tǒng)機械結構；(2)設計了避障模塊并選擇出相應的傳感器；(3)設計了運動控制系統(tǒng)的硬件模塊和軟件模塊，硬件部分主要包括：主控制器模塊、電源模塊、電機控制模塊、電機驅動模塊、聲光報警模塊、超聲波檢測模塊。 第二章 機械結構的分析與設計根據(jù)番茄采摘機器人的運動控制系統(tǒng)的要求，設計出番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)結構并完成了車體載荷的估算和執(zhí)行機構的選擇。機器人整體的機械結構應具備以下能力：（1）要具備可靠性，穩(wěn)定性，結構緊湊并且要有適當?shù)墓ぷ鞣秶＃?）要具備柔性和靈活性都比較好的機械手及末端執(zhí)行器，即機械手具有一定的冗余度。通常果實采摘機器人的結構是由機械手臂、末端執(zhí)行機構、運動行走機構、視覺識別裝置、控制模塊、能源組塊組成。以日本Kondo N等人研制的番茄采摘機器人為例，、。其自由度為7，由下到上，第一個自由度為水平移動，第二個自由度是升降自由度，第三個為旋轉自由度，后面三個為機械臂的軌跡規(guī)劃自由度，最后一個是機械末端的自動調整自由度。 Kondo N等研制的番茄采摘機器人 番茄采摘機器人機械結構示意圖圖 是番茄采摘機器人的整體結構示意圖。圖中采摘機器人為四輪式的采摘機器人，其由機械手臂、末端執(zhí)行機構、運動行走機構、視覺識別裝置、控制模塊、電源模塊組成。采用5個電機控制，使機器人能夠多自由度工作。 四輪式果實采摘機器人整體結構示意圖我們首先假想，番茄采摘機器人的環(huán)境是地面整體平坦，具有摩擦系數(shù)適中，地面結實。事實證明，一般的智能番茄生產(chǎn)大棚都是一個場地規(guī)劃相對整齊干凈的