【正文】 號，使紅外發(fā)射管發(fā)射頻率為的載波。 圖38 簡單的光電開關(guān)圖 圖39 發(fā)射端示意圖圖為紅外接收控制電路，圖中LM567為集成鎖相環(huán)路解碼器，采用8腳雙列直插封裝。其引腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級低通濾波網(wǎng)絡(luò)，2腳所接的電容決定鎖相環(huán)路的捕捉寬帶，電容越大，環(huán)路帶寬越窄，1腳所接的電容至少是2腳的電容的2倍。3腳是輸入端，要求輸入信號，腳外接的電阻、電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率。 (31)8腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。~9V，靜態(tài)工作電流約8mA。在本設(shè)計中我們利用LM567接收到相同頻率的載波信號后，8腳電壓由高電平變?yōu)榈碗娖竭@一特性。圖310 紅外接收控制電路位置傳感器的電路原理圖如圖所示。圖311 位置傳感器電路原理圖工作原理：74HC00中的兩個與非門構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生重復(fù)頻率約為2kHz的方波，經(jīng)過三極管放大后加至紅外光電發(fā)射管，紅外光電發(fā)射管輸出固定頻率的脈動波。接收端為紅外接收三極管（兩管腳），接收到信號后經(jīng)電容濾波、一級交流放大器放大后，送至LAM567鎖相環(huán)輸入端（3管腳）。調(diào)節(jié)滑動變阻器使≈2KHz，當(dāng)鎖相環(huán)路解碼器輸入信號的幅度大于20mV(rms)且頻率落入鎖相環(huán)路的捕獲帶時，環(huán)路立即對輸入信號鎖定，經(jīng)過LM567鑒相后，在輸出端輸出低電平。當(dāng)接收端沒有接收到發(fā)射端的波形時，LM567輸入端沒有信號輸入，不能進(jìn)行信號的鎖定，輸出端電壓為高電平。在實(shí)際應(yīng)用中，末端操作器勺狀手柄上安裝了兩對位置傳感器，只有當(dāng)兩個位置傳感器都動作時，才表示目標(biāo)果實(shí)已完全進(jìn)入末端操作器中，防止樹葉遮擋紅外線光電開關(guān)，而產(chǎn)生誤動作。 壓力傳感器設(shè)計壓力傳感器用于測量手抓抓取果實(shí)的力度，通過對力的控制達(dá)到水果采摘過程中的無損傷，在設(shè)計壓力傳感器時需注意以下問題：(1) 壓力傳感器安裝于勺狀末端操作器的的內(nèi)側(cè)，受水果的物理特性影響，壓力傳感器厚度不能太大，否則在抓取水果的時易損傷水果；(2) 傳感器應(yīng)足夠靈敏，且不受外界環(huán)境變化的影響。壓力傳感器種類繁多，考慮到將傳感器安裝到機(jī)器人手爪中，必須具有厚度小，反應(yīng)迅速等特點(diǎn)，通過比較選用力敏電阻( FSR, force sensing resistors)為主要器件設(shè)計壓力傳感器。力敏電阻是一種能將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電信號的特殊的厚高分子膜元件，它是利用半導(dǎo)體材料的壓力電阻效應(yīng)制成的[31]。圖312為采用一個半球狀的()橡皮作用在型號為FSR402的力敏電阻()時，器件所顯示的力電阻特性。在低作用力時力敏電阻存在開關(guān)效應(yīng)(電阻阻值從大于100KΩ突變到10 KΩ)。突變隨著底層和頂層的厚度、作用力的大小、間隔裝置的厚度的增加而增加。在力電阻特性動態(tài)范圍末端，響應(yīng)特性又偏離了動力規(guī)則行為，即使力增加電阻也沒有發(fā)生太大的變化，最終飽和到一個點(diǎn)。圖313為力敏電阻的力與電壓特性曲線，從圖中可以看出，力與電壓之間近似為線性關(guān)系。通過分析，力敏電阻能夠以電壓的形式反應(yīng)出所受力的大小，適合用作機(jī)器人的壓力傳感器。圖312 FSR力電阻特性 圖313 FSR力電壓特性曲線在蘋果抓取過程中需設(shè)定基準(zhǔn)抓取力，當(dāng)機(jī)器人抓取力大于此力時，停止抓取工作。通過實(shí)際測量，在抓取過程中作用在蘋果上的力為4N187。400g時，末端操作器抓牢物體。由圖313知，RG=，當(dāng)作用力大于4N時。則在應(yīng)用電路中。實(shí)際應(yīng)用電路圖如圖314所示，在電路中，F(xiàn)SR與RM相連組成電壓分配器，U1為電壓比較器，U1的輸出為高電平或低電平，U1同相輸入端的輸入電壓與FSR、RM組成的電壓比較器有關(guān)，當(dāng)FSR所承受的力增大時，其上的輸出電壓增大。初始狀態(tài)沒有力作用時，比較器的輸出端為低電平，當(dāng)比較器U1的同相輸入端的輸入電壓大于反相輸入端電壓時比較器U1輸出端觸發(fā)為高電平。這個力開關(guān)極限觸發(fā)電壓(即基準(zhǔn)電壓)由反相輸入端的電阻R1進(jìn)行設(shè)定，滑動變阻器R1構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓也可以用兩個固定的電阻組成電壓分配器的形式代替。 圖314 實(shí)際應(yīng)用電路 視覺傳感器選型視覺傳感器是機(jī)器人獲取工作環(huán)境、工作對象和機(jī)器人自身位置等信息的最基本的技術(shù)手段。相對于工業(yè)機(jī)器人而言，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)作業(yè)的機(jī)器人其工作環(huán)境和工作對象更加復(fù)雜，需要更加高級的計算機(jī)視覺傳感系統(tǒng)與之匹配[32]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺傳感器的主要任務(wù)包括1) 確定機(jī)器人或末端操作器與作業(yè)對象之間相對距離；2) 確定工作對象的品質(zhì)、形狀和尺寸；3) 機(jī)器人行走運(yùn)動的視覺導(dǎo)航。視覺傳感器是將物景的光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。經(jīng)常采用光導(dǎo)攝像管的電視攝像機(jī)，近年來開發(fā)了CCD和MOS器件等組成的固體攝像機(jī)。采摘機(jī)器人的機(jī)器視覺系統(tǒng)采用黑白CCD或彩色CCD作為視覺傳感器。為了增強(qiáng)檢測對象與背景的對比度，減少太陽陰影的干擾，通常采用人工光照或在CCD鏡頭前加裝不同波長的濾鏡。利用視覺傳感器，可以獲取2種不同類型的圖像：灰度圖像和彩色圖像。利用B/WCCD能獲取與檢測對象顏色無關(guān)的灰度圖像，而彩色CCD或B/WCCD加上某種波長的濾鏡則可獲得彩色圖像。無論灰度圖像還是彩色圖像都是二維圖像。對于采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)而言，不僅要探測到目標(biāo)的存在，還要計算出采摘對象的空間坐標(biāo)[4]。在控制系統(tǒng)中視覺傳感器采用高像素攝像頭，技術(shù)規(guī)格：視像解析度640(水平)480(垂直)；鏡頭焦距為f=；幀率軟件差值為130300萬/幀；成像距離為20mm至無窮遠(yuǎn)；視覺為。安裝方式為Eyeinhand。 碰撞傳感器設(shè)計(1) 末端操作器用碰撞傳感器為防止末端操作器在進(jìn)行采摘作業(yè)時受到障礙物的阻擋，在末端操作器的前端安裝碰撞傳感器感知障礙物信息。在使用中，碰撞傳感器只需給出障礙存在信息即可，如利用高、低電平表示障礙物的有、無。因此在設(shè)計時，采用與壓力傳感器相同的器件，型號選用力敏電阻中的FSR408，碰撞傳感器實(shí)際應(yīng)用電路為圖314所示電路。當(dāng)碰撞傳感器碰到障礙物后給出高電平，數(shù)據(jù)采集卡采集到信號后送PC機(jī)處理，為機(jī)器人避障提供環(huán)境信息。在實(shí)際考察果樹生長環(huán)境時，有蘋果緊貼果枝生長的情況，在控制中按如下方法實(shí)現(xiàn)此類果實(shí)的采摘：當(dāng)碰撞傳感器與前端第一個光電開關(guān)同時輸出高電平時，視為蘋果緊貼果枝生長且蘋果已進(jìn)入末端操作器，可進(jìn)行采摘作業(yè)。(2) 采摘機(jī)器人機(jī)械手避障傳感器果樹采摘機(jī)器人工作于非結(jié)構(gòu)性的、未知的和非確定的環(huán)境中，在采摘作業(yè)時對于出現(xiàn)的障礙物要具有實(shí)時感知的能力，以提高采摘機(jī)器人的智能程度。采用力敏電阻FSR408型號制作碰撞傳感器用于機(jī)械臂避障中，將多個FSR408作為碰撞傳感器安裝于機(jī)械手小臂上，實(shí)時感知采摘機(jī)器人在運(yùn)作過程中的障礙物信息。安裝方式如圖315所示。采摘機(jī)器人運(yùn)動過程中，主要控制大臂與小臂來實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘。其中小臂的運(yùn)動空間范圍較大，與障礙物相碰撞的機(jī)率較高，將碰撞傳感器安裝于小臂上能夠?qū)崿F(xiàn)在控制運(yùn)動過程中對障礙物的感知。碰撞傳感器電路采用圖314電路結(jié)構(gòu)，工作原理如下：數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時檢測傳感器輸出信號，對于不同方向的障礙物，觸碰相應(yīng)方向的傳感器，當(dāng)檢測到傳感器輸出高電平時，此方向存在障礙物，應(yīng)進(jìn)行避障。信號采集時，需要給各傳感器編號，以便在編程時對信號的處理。在此我們將4個碰撞傳感器按照所在位置與個數(shù)進(jìn)行編號，四組傳感器按照其安裝的方位，依次編號為：CU、CR、CD、CL。圖315 機(jī)械手碰撞傳感器安裝示意圖 本章小結(jié) 本章根據(jù)果樹采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用開放式結(jié)構(gòu)對機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了選型設(shè)計。為了提高果樹采摘機(jī)器人智能水平和對外界環(huán)境信息的感知能力，設(shè)計了符合采摘機(jī)器人工作特性的傳感器，通過這些外圍傳感器，果樹采摘機(jī)器人具有圖像的獲取、果實(shí)定位、抓取力測量以及對障礙物感知等能力。第四章 果樹采摘機(jī)器人控制方法研究本章首先介紹了視覺伺服控制系統(tǒng)的類型，然后提出了果樹采摘機(jī)器人控制方法，采用視覺伺服控制方法，建立PID運(yùn)動控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械臂的控制。 視覺伺服控制系統(tǒng)分析視覺伺服是利用視覺信息控制機(jī)械手末端執(zhí)行器與目標(biāo)物體之間的相對位姿，或者是利用一組從圖像中提取的特征來控制機(jī)械手末端執(zhí)行器與該組特征之間的相對位姿。視覺伺服控制是一門多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，主要包括：數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號處理、實(shí)時系統(tǒng)、控制理論、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、計算機(jī)視覺和機(jī)器人學(xué)等。常用的機(jī)器人視覺伺服控制方法一般分為基于位置的控制方式和基于圖像的控制方式[3334]?；谖恢玫暮突趫D像的伺服控制，它們分別包含了基于動態(tài)look and move的系統(tǒng)和直接視覺伺服系統(tǒng)。在基于位置的伺服控制中，從圖像中抽取特征點(diǎn)是在二維圖像平面上的坐標(biāo)信息，并與物體和攝像機(jī)的幾何模型相結(jié)合，估計出物體與攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，估計值與理想位置之間存在一定的誤差，用該誤差去計算機(jī)器人系統(tǒng)的控制信號，實(shí)現(xiàn)在3D任務(wù)空間內(nèi)的機(jī)械手伺服控制。而在基于圖像的視覺伺服控制系統(tǒng)中，伺服控制直接根據(jù)目標(biāo)物體特征點(diǎn)在像平面上的當(dāng)前位置和理想位置之間的誤差而在圖像空間內(nèi)進(jìn)行的。動態(tài)時look and move控制結(jié)構(gòu)中利用了關(guān)節(jié)角的實(shí)時反饋，而直接視覺伺服系統(tǒng)PBVS和IBVS則沒有利用關(guān)節(jié)反饋信息。因?yàn)榇蠖鄶?shù)報道的視覺伺服系統(tǒng)是基于動態(tài)look and move系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的，而且沒有與直接視覺伺服系統(tǒng)之間加以區(qū)分，皆稱之為視覺伺服系統(tǒng)。各種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖41至44所示。圖41 動態(tài)基于位置的look and move系統(tǒng)框架 圖42 動態(tài)基于圖像的look and move系統(tǒng)框架圖43 基于位置的視覺伺服的系統(tǒng)框架 圖44 基于圖像的視覺伺服的系統(tǒng)框架基于位置的視覺伺服控制主要優(yōu)點(diǎn)是直接在笛卡爾空間控制機(jī)械手的運(yùn)動，另外它把視覺重構(gòu)問題從機(jī)器人控制中分離出來，這樣可以分別對二者進(jìn)行研究。但這種方法一般需要對視覺系統(tǒng)和機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，要對圖像進(jìn)行解釋?；趫D像的視覺伺服控制，其伺服誤差直接定義在圖像特征空間，即攝像機(jī)觀察到的特征信息直接用于反饋，不需要進(jìn)行位姿估計，因此對攝像機(jī)標(biāo)定誤差相對不敏感?；趫D像的控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)為：計算圖像雅可比矩陣J需要估計目標(biāo)深度，而深度估計一直是計算機(jī)視覺中的難點(diǎn)；攝像機(jī)位置可能收斂于局部最小點(diǎn)，而非理想值；跟蹤過程中，圖像雅可比矩陣可能存在奇異值，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 采摘機(jī)器人控制策略圖45為3D空間中的果實(shí)在攝像機(jī)中形成的透視投影，Oc為攝像機(jī)的光學(xué)中心，相應(yīng)的攝像機(jī)坐標(biāo)為，這個透視投影圖形描述了3D坐標(biāo)中的目標(biāo)果實(shí)G（在空間坐標(biāo)系中的表示）與其在圖像平面投影g(在圖像平面中的表示)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這個關(guān)系式可以由式(21)(24)描述。攝像機(jī)捕捉的二維圖像中以右上角為原點(diǎn)，用、表示其橫、縱坐標(biāo)，選定目標(biāo)果實(shí)在圖像中投影中心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)(，)之差作為圖像的特征。從公式(24)、(213)(215)以及圖45目標(biāo)果實(shí)的投影關(guān)系可以看出，采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中關(guān)節(jié)角的變化引起目標(biāo)果實(shí)圖像特征的變化，而關(guān)節(jié)角，的改變，將引起目標(biāo)果實(shí)圖像特征的變化。圖45 3D空間中的果實(shí)在攝像機(jī)中形成的透視投影示意圖在控制時，將果樹采摘機(jī)器人控制過程分為兩步：在作業(yè)的初始階段(采摘機(jī)器人尋找目標(biāo)果實(shí))，通過調(diào)整腰部、大臂、小臂關(guān)節(jié)角度，使得末端操作器正向于目標(biāo)果實(shí)，完成初始定位任務(wù)；第二步，通過伸長棱柱關(guān)節(jié)，使末端操作器靠近目標(biāo)果實(shí)，實(shí)現(xiàn)采摘。在初始階段中，主要控制機(jī)械臂的運(yùn)動，使目標(biāo)果實(shí)圖像質(zhì)心與圖像中心重合，從而實(shí)現(xiàn)末端操作器正向于目標(biāo)果實(shí)。具體按照如下步驟對果樹采摘機(jī)器人進(jìn)行控制：首先，驅(qū)動履帶式平臺使機(jī)械手靠近果樹，利用攝像機(jī)捕捉環(huán)境信息，攝像機(jī)的作用是將外界三維環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為二維平面圖像信息，將目標(biāo)果實(shí)映射到二維圖像中，經(jīng)圖像處理軟件進(jìn)行處理得到目標(biāo)果實(shí)在圖像中的質(zhì)心坐標(biāo)，并與圖像中心坐標(biāo)(,)相比較，得出質(zhì)心相對于圖像中心坐標(biāo)的像素值之差。其次，計算為使像素值之差ex，ey等于0，即使圖像中心與目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心重合時，機(jī)器人關(guān)節(jié)所需要移動的角度。式(41)給出了目標(biāo)定位控制過程中，腰部、大臂和小臂關(guān)節(jié)角度變化量與像素值之差，之間的換算關(guān)系。 (41)其中，分別為腰部、大臂、小臂需要調(diào)節(jié)的關(guān)節(jié)量；為圖像中目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心與圖像中心的誤差 ，單位為：；分別為大臂和小臂的關(guān)節(jié)控制參數(shù)；為運(yùn)動一像素關(guān)節(jié)所需要走的角度，單位為：度/。 運(yùn)動控制器設(shè)計PID控制是控制工程技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)，而且對于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng)用。PID控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，在眾多工業(yè)過程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。所謂的PID控制，就是對偏差信號進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變化后形成的一種控制規(guī)律，即 (42)式中：——比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)； ——積分控制項(xiàng)，為積分時間常數(shù)； ——微分控制項(xiàng)，為微分時間常數(shù)。 PID數(shù)字控制器設(shè)計原理在模擬控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制器是連續(xù)模擬環(huán)節(jié)，亦稱模擬調(diào)節(jié)器。而在數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，則用數(shù)字控制器來代替模擬調(diào)節(jié)器。其控制過程是首先通過模擬量輸入通道對控制參數(shù)進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后計算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程，以達(dá)到期望的效果。這里，計算機(jī)執(zhí)行按某種算法編寫的計算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制和調(diào)節(jié)，被成為數(shù)字控制器。數(shù)字控制器的設(shè)計有兩種方法[35]。一種是在一定條件下，把計算機(jī)控制系統(tǒng)近似看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論進(jìn)行分析和設(shè)計，再將設(shè)計結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)控制算法，這種方法稱為模擬化設(shè)計