【正文】 .................................................................................................. 27 結(jié)束語 ............................................................................................................................................. 30 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 31 致謝 ................................................................................................................................................ 33 附件 ................................................................................................................................................ 34 1 第一章 前言 研究背景與意義 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,智能機(jī)器人已在許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 國際上，日本、美國等發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)從 20 世紀(jì) 80 年代開始研究采摘機(jī)器人，并取得很多成果。和國內(nèi)相比國外一直處于技術(shù) 前沿。采用具有冗余度的 7 自由度機(jī)械手是為了能夠靈活避開障礙物。 其 內(nèi)置有能夠感應(yīng)色彩的攝像頭，可以 準(zhǔn)確 分辨出草莓和綠葉，利用事先設(shè)定的色彩值，再配合獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(dá)到 10s/個(gè) [6]。該機(jī)器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實(shí)收集袋，縮短了從采摘到放置的時(shí)問，提高了采摘速度 [7]。經(jīng)教育部認(rèn)定，是國內(nèi)第一臺(tái)黃瓜采摘機(jī)器人，獲得多項(xiàng)國家專利。未來的采摘機(jī)器人將真正做到一機(jī)多用，不僅可以采摘多種果實(shí)還可以實(shí)現(xiàn)多種用途 [13]。 （ 2）具有靈活的機(jī)械臂和較為輕便柔軟的機(jī)械末端，且能夠在工作時(shí)避開枝蔓的阻撓。所以要求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要好。比如，最初的日本研制的番茄采摘機(jī)器人采用傳統(tǒng)視覺處理技術(shù) 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(shí)別成熟果實(shí) [16]，而現(xiàn)在番茄采摘機(jī)器人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長英等人在番茄采摘中運(yùn)用雙目立體視覺技術(shù)對紅色番茄進(jìn)行定位，將圖像進(jìn)行灰 度變換，而后對圖像的二維直方圖進(jìn)行腐蝕、膨脹以去除小團(tuán)塊，提取背景區(qū)邊緣，然后用擬合曲線實(shí)現(xiàn)彩色圖像的分割，將番茄從背景中分離出來 [17]。機(jī)器人已由一開始的無法準(zhǔn)確判斷和避開枝蔓 [18]，發(fā)展到快速而準(zhǔn)確的避開枝蔓采摘果實(shí)。 果實(shí)采摘機(jī) 器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析 機(jī)器人整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下能力： （ 1） 要具備可靠性，穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊并且要有適當(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶?。其自由度?7，由下到上，第一個(gè)自由度為水平移動(dòng)，第二個(gè)自由度是升降自由度，第三個(gè)為旋轉(zhuǎn)自由度，后面三個(gè)為機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃自由度，最 后一個(gè)是機(jī)械末端的自動(dòng)調(diào)整自由度。 6 圖 四輪式果實(shí)采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 我們首先假想，番茄采摘機(jī)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(jié)實(shí)。前輪是控制車體轉(zhuǎn)向，后輪是控制車體前后運(yùn)動(dòng)。圖 是其從后面角度看的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖， 7 圖 車體布局示意圖 圖 從車體后方角度觀察 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)車體載荷分析與執(zhí)行器的選擇 執(zhí)行器選擇依據(jù) 作為番茄采摘機(jī)器人中承擔(dān)機(jī)器人的移動(dòng)任務(wù)，車體載荷決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。靜態(tài)摩擦系數(shù) 一 般取 。通過查找電機(jī)的參數(shù)指標(biāo) , ，可以選擇 FAULHBER3863型號(hào)，當(dāng)工作電壓為 24Ｖ時(shí)，其輸出功率為 130W。 ?? —— 工作機(jī)的效率。 根據(jù)最選擇功率合適的電機(jī)，要求電機(jī)的輸出功率滿足 Pmax≥P0,一般選擇 2 P0≥Pmax≥ P0。我們采用 35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。同時(shí)為了提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，避免設(shè)備的不必要的效率消耗以及降低投入成本和達(dá)到靈活的避險(xiǎn)要求。在本系統(tǒng)中控制量較多，單片機(jī)的優(yōu)勢得到很好的體現(xiàn)。 為了提供穩(wěn)定的 5V 直流電源，需要將 24V 電源穩(wěn)定 5V。電動(dòng)機(jī)在 24V 電壓情況下 能夠正常工作。 電機(jī)控制模塊 脈寬調(diào)制（ PWM）原理： 小功率直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，對小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為方便的。這種調(diào)速方法稱為脈寬調(diào)速。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 （ 1）前輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 模塊 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上。它是由 7 對 NPN 達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。 表 ULN2020A 的極限參數(shù) 14 項(xiàng)目 符號(hào) 數(shù)值 單位 最大輸入電壓 Vi(max) 30 V 集電極 發(fā)射極電壓 Vo(max) 50 V 最大基極輸入電流 IB(MAX) 25 mA 輸出電流 Io 500 mA 貯存溫度 Ts 65～ 150 ℃ 結(jié)溫 Tj 175 ℃ 引線耐焊接溫度 TD 300 ℃ （ 2）后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 H橋驅(qū)動(dòng)電路 圖 驅(qū)動(dòng) 電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 顯示模塊 本設(shè)計(jì)的顯示 模塊目標(biāo)是能夠顯示出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)停等信息。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與 同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。果實(shí)識(shí)別與采摘采用視覺傳感器、位置傳感器、力傳感器，系統(tǒng)導(dǎo)航采用電磁傳感器，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)避障采用超聲波 傳感器。 （ 1）常見傳感器的比較 傳感器種類多，應(yīng)用廣泛，以下是幾種常用傳感器的比較。 測量范圍小 ， 對 空氣溫度 變化敏感。其利用紅外原理制成的，這也就決定其在對物體探測過程中對溫度依賴過大，對溫度相同的物體不能做出準(zhǔn)確的判斷。 方案三： 探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。 圖 為超聲波避障模塊框圖。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight）。 功能包括對會(huì)聚主 IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測試圖控制，紅外遙控信號(hào) IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。 最小系統(tǒng)電路如圖 所示，其由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。 復(fù)位電路?？刂苾蓚€(gè)電機(jī)：前輪控制車體轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)；后輪控制電機(jī)前進(jìn)后退的直流電機(jī)。LED 燈與電阻組成光報(bào)警；蜂鳴器與驅(qū)動(dòng)電路組成的聲報(bào)警。 圖 LED燈光報(bào)警 圖 聲報(bào)警 顯示模塊電路設(shè)計(jì) 顯示模塊如圖 所示，是將番茄采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用直觀的方法顯示出來。為此設(shè)計(jì)中采用了 CD4069 六非門反相器來增強(qiáng)超聲波的發(fā)射功率，由于非門實(shí)質(zhì)上是放大倍數(shù)很大的反相放大器，如果給非門加上合適的負(fù)反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)。輸出端采 用兩個(gè)反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動(dòng)能力。 圖 超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 22 （ 2）超聲波接收電路 集成芯片 CX20206A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用電視機(jī)遙控器。 圖 CX20206A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖 使用 CX20206A 集成電路對接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。增大電阻 R1 或減小 C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。取 F 例如， R=200kΩ 時(shí)， 0≈ 42kHz， 若取 R=220k 23 Ω ，則中心頻率 F0 ≈ 38kHz。 第四章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件主要由等五大部分組成，每一部分都針對相應(yīng)的硬件路。 開始 初始化 24 圖 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總程序流程圖 超聲波測距模塊 開始 比較避障并處理 計(jì)算距離 發(fā)射超聲波脈沖 接受超聲波脈沖 25 圖 超聲波測距模塊流程圖 主程序?qū)ο?統(tǒng)進(jìn)行初始化之后，超聲波測距程序設(shè)置定時(shí)器 T0 為 16 位定時(shí)器，開中斷允許位 EA，清零顯示端口 P0 和 P2。測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送入累加器 A 與安全距離進(jìn)行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量過程。本運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對速度的精度無特殊要求，控制直流電機(jī)方法相對簡單。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度 。 N 27 顯示模塊 顯示模塊的關(guān)鍵之處是了解顯示的指令。簡要步驟如下： 在使用時(shí)先在 Keil uVision 環(huán)境下編輯程序，然后保存程序、建立新項(xiàng)目、設(shè)置項(xiàng)目，接著編譯程序并生成 HEX 文件，最后在 Proteus 上調(diào)試和執(zhí)行。 所示，顯示的是后輪電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，顯示屏顯示為“停止”。 28 圖 仿真效果圖（后輪電機(jī)停止?fàn)顟B(tài)） 29 圖 仿真效果圖（后輪電機(jī)正轉(zhuǎn)狀態(tài)） 30 結(jié)束語 本文介紹了番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，闡述了番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的 組成，并對基于 AT89C52的控制策略進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了避障系統(tǒng)，并最終借助于 Proteus 完成了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。在整個(gè)完成過程中，不僅提高了 我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊 、 CAD 制圖 、 Proteus 仿真 等 知識(shí)，并且 使我的 抗壓能力 、思維分析能力都有了很大提高，這必將成為我今后生活中不可多得的經(jīng)驗(yàn) 。 首先得感謝我的論文指導(dǎo)老師王俊老師，本文的工作是在王老師的悉心指導(dǎo)下完成的。 2020年 05月于合肥學(xué)院 34 附件： 程序 (部分程序清單 ) include include include define uc unsigned char define ui unsigned int define LCDPAGE 0xB8 //設(shè)置頁指令。 sbit RS=P3^6。 sbit LED=P0^5。 uc scan_key1,scan_key2。 static step_index。 uc code FZ[]= { 0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01 }。合 0x40,0x40,0x20,0x50,0x48,0x44,0x42,0x41, 0x42,0x44,0x68,0x50,0x30,0x60,0x20,0x00, 35 0x00,0x00,0x00,0x7E,0x22,0x22,0x22,0x22, 0x22,0x22,0x22,0x7E,0x00,0x00,0x00,0x00, }。學(xué) 0x40,0x30,0x10,0x12,0x5C,0x54,0x50,0x51, 0x5E,0xD4,0x50,0x18,0x57,0x32,0x10,0x00, 0x00,0x02,0x02,0x02,0x02,0x02,0x42,0x82, 0x7F,0x02,0x02,0x02,0x02,0x02,0x02,0x00, }。自 0x00,0x00,0x00,0xF8,0x48,0x48,0x4C,0x4B, 0x4A,0x48,0x48,0x48,0xF8,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x00,0x00,0xFF,0x44,0x44,0x44,0x44, 0x44,0x44,0x44,0x44,0xFF,0x00,0x00,0x00, }。 uc code X[]= {