【正文】 數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)有兩種方法[35]。 PID數(shù)字控制器設(shè)計(jì)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。 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)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(zhǎng)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)。具體按照如下步驟對(duì)果樹采摘機(jī)器人進(jìn)行控制：首先，驅(qū)動(dòng)履帶式平臺(tái)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(duì)于圖像中心坐標(biāo)的像素值之差。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。但這種方法一般需要對(duì)視覺系統(tǒng)和機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，要對(duì)圖像進(jìn)行解釋。動(dòng)態(tài)時(shí)look and move控制結(jié)構(gòu)中利用了關(guān)節(jié)角的實(shí)時(shí)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。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]。為了提高果樹采摘機(jī)器人智能水平和對(duì)外界環(huán)境信息的感知能力，設(shè)計(jì)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(cè)量以及對(duì)障礙物感知等能力。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(shí)檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)，對(duì)于不同方向的障礙物，觸碰相應(yīng)方向的傳感器，當(dāng)檢測(cè)到傳感器輸出高電平時(shí)，此方向存在障礙物，應(yīng)進(jìn)行避障。采用力敏電阻FSR408型號(hào)制作碰撞傳感器用于機(jī)械臂避障中，將多個(gè)FSR408作為碰撞傳感器安裝于機(jī)械手小臂上，實(shí)時(shí)感知采摘機(jī)器人在運(yùn)作過程中的障礙物信息。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，采用與壓力傳感器相同的器件，型號(hào)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。在控制系統(tǒng)中視覺傳感器采用高像素?cái)z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。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。視覺傳感器是將物景的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。這個(gè)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(dòng)變阻器R1構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓也可以用兩個(gè)固定的電阻組成電壓分配器的形式代替。由圖313知，RG=，當(dāng)作用力大于4N時(shí)。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。在低作用力時(shí)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)。 壓力傳感器設(shè)計(jì)壓力傳感器用于測(cè)量手抓抓取果實(shí)的力度，通過對(duì)力的控制達(dá)到水果采摘過程中的無損傷，在設(shè)計(jì)壓力傳感器時(shí)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(shí)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。接收端為紅外接收三極管（兩管腳），接收到信號(hào)后經(jīng)電容濾波、一級(jí)交流放大器放大后，送至LAM567鎖相環(huán)輸入端（3管腳）。~9V，靜態(tài)工作電流約8mA。 圖38 簡(jiǎn)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。為解決這個(gè)問題，采用振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)，作為光電開關(guān)發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使紅外線發(fā)射管發(fā)射一定頻率脈動(dòng)波，同時(shí)接收端利用集成鎖相環(huán)路解碼器LM567對(duì)接收到的脈動(dòng)波進(jìn)行鑒相、鎖定，從而提高光電開關(guān)的抗干擾能力。本文利用光電開關(guān)作為定位裝置，只提供高、低電平兩種信號(hào)，便于實(shí)時(shí)處理。目前，多采用在機(jī)械手爪上安裝定位裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的準(zhǔn)確定位，如Monta等人設(shè)計(jì)的番茄采摘元件中應(yīng)用電位器監(jiān)測(cè)位置信息[29]。傳感器的安裝增強(qiáng)了機(jī)器人的感知外界環(huán)境信息的能力，為機(jī)器人的智能控制提供了條件?？刂圃脕碚{(diào)節(jié)和控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的程序和性能工作。12重心位置m承重kg承重kg重心位置m伺服電機(jī)1伺服電機(jī)2圖35 電機(jī)承受負(fù)載范圍 氣壓傳動(dòng)裝置采摘機(jī)器人末端操作器的控制采用氣壓裝置，主要由氣泵、氣缸和活塞柱組成。A/D輸入信號(hào)范圍：、。ADC的性能和參數(shù)直接影響著采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量所需要的精度來選擇合適的ADC。數(shù)據(jù)采集卡是控制系統(tǒng)與外部環(huán)境的橋梁，一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入，模擬輸出，數(shù)字I/O，計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等。這里采用深圳固高科技有限公司的GT系列運(yùn)動(dòng)控制器(如圖33所示)。主控計(jì)算機(jī)采用KP6000系列聯(lián)合工控機(jī)，這種工控機(jī)具有筆記本計(jì)算機(jī)的便攜性能和減震功能，能勝任采摘機(jī)器人戶外工作場(chǎng)所。主控計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)的功能有：(1) 正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算及控制算法的實(shí)現(xiàn)；(2) 與控制器和交流伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通訊；圖31 開放式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖(3) 各關(guān)節(jié)編碼器反饋信息和狀態(tài)監(jiān)控信號(hào)的顯示；(4) 傳感器信息的獲取與處理；(5) 圖像處理及顯示。由于采摘機(jī)器人工作的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)時(shí)，從硬件和軟件兩個(gè)方面來考慮系統(tǒng)的開放性。開放式結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)是指控制系統(tǒng)的各個(gè)層次對(duì)用戶開放，用戶可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能。第三章 果樹采摘機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)基本上都是封閉的、專用的、開放程度較低，如果要對(duì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行擴(kuò)展，必須改造控制系統(tǒng)[23]。在此，設(shè)小臂延伸部分在機(jī)器人初期尋找目標(biāo)果實(shí)過程中是收縮回小臂內(nèi)的。圖27 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 在采摘作業(yè)中，采摘機(jī)器人首先要確定目標(biāo)果實(shí)位置信息與機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)系，這個(gè)環(huán)節(jié)有兩部分組成：首先確定目標(biāo)果實(shí)3D坐標(biāo)與其在攝像機(jī)平面上的2D坐標(biāo)之間的關(guān)系；其次確定攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系之間的關(guān)系。因此，這里以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)彎的情況為例，具體分析如下：移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)可以由三個(gè)參數(shù)確定：移動(dòng)平臺(tái)中心的坐標(biāo)位置和移動(dòng)平臺(tái)的航向角。在坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系以圖像內(nèi)某一點(diǎn)為原點(diǎn)，定義為攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，軸分別與軸平行。 圖 23 小孔成像系統(tǒng)模型 圖 24 成像系統(tǒng)計(jì)算模型圖24中的點(diǎn)為攝像機(jī)光心，軸為攝像機(jī)的光軸，它與成像平面垂直。透視投影[21]比較簡(jiǎn)單、實(shí)用，已經(jīng)得到公認(rèn)并被普遍采納，本文采用的就是該模型。本課題主要研究蘋果采摘機(jī)器人，其作業(yè)對(duì)象單一為蘋果，根據(jù)蘋果的物理屬性和實(shí)際生產(chǎn)中采用掐斷果梗的方法收獲果實(shí)，設(shè)計(jì)了一種勺狀末端操作器，實(shí)際裝置如圖所示。第一個(gè)自由度主要是起抬升機(jī)械臂的作用；第二個(gè)自由度帶動(dòng)機(jī)械臂繞腰部旋轉(zhuǎn)；第三、四個(gè)自由度是旋轉(zhuǎn)軸，起升降末端操作器的作用，中間二、三、四自由度能夠?qū)崿F(xiàn)末端操作器在工作空間中朝向于任意方向；第五個(gè)自由度是伸長(zhǎng)自由度，根據(jù)機(jī)器人控制指令，將末端操作器送到作業(yè)對(duì)象的位置，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘。 果樹采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)本論文是在國(guó)家“863”高技術(shù)項(xiàng)目“果樹采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下完成的，果樹采摘機(jī)器人主要包括兩部分：兩自由度的移動(dòng)載體部分和五自由度機(jī)械手部分。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著規(guī)?；?、多樣化、精確化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的成本必然迅速上升，勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象也會(huì)日趨明顯，因而作為高科技的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域變得越來越現(xiàn)實(shí)，果園收獲作業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化成為廣大果農(nóng)們最為關(guān)注的熱點(diǎn)問題。其中，蘋果產(chǎn)量2280萬噸，柑橘產(chǎn)量1278萬噸，梨產(chǎn)量974萬噸。TILT兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和實(shí)地拍攝的蘋果圖像，進(jìn)行機(jī)器人控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)所提出的控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了PID視覺伺服控制器，實(shí)現(xiàn)果樹采摘機(jī)器人機(jī)械臂控制。在開放式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要對(duì)果樹采摘機(jī)器人硬件組成部分主控計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。采摘機(jī)器人采用開放式控制系統(tǒng)，使機(jī)器人具有良好的可擴(kuò)展性、靈活性和可重構(gòu)性。通過降低作物生長(zhǎng)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和復(fù)雜性，提高采摘成功率，葡萄種植中也采用了類似的培育系統(tǒng)。(2) 視覺傳感器與非視覺傳感器融合在采摘機(jī)器人視覺感知過程中，二維圖像的處理必然涉及視覺不適定問題的求解，引入非視覺傳感器的輔助支持是求解不適定問題的有力手段，如將視覺傳感器與PSD測(cè)距儀或超聲波測(cè)距儀結(jié)合使用，可以實(shí)現(xiàn)果實(shí)的精確定位。對(duì)于采摘機(jī)器人這樣復(fù)雜的光機(jī)電一體化產(chǎn)品而言，設(shè)備的使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費(fèi)用。例如采摘機(jī)器人收獲一個(gè)柑橘約為3～7s，收獲一個(gè)甜瓜約15s，摘取一個(gè)黃瓜需要10s，收獲一個(gè)茄子需1min。采用形狀定位方式，要求目標(biāo)具有完整的邊界條件，由于水果和葉子等往往容易重疊在一起，很難真正區(qū)別出果實(shí)的具體形狀。 3) 每個(gè)果實(shí)的采摘周期不能太長(zhǎng)。例如，果樹采摘機(jī)器人，更換不同的末端執(zhí)行器就能完成施肥、噴藥和采摘等作業(yè)。且其形狀復(fù)雜，生長(zhǎng)發(fā)育程度不一，相互差異很大。 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn)(1) 作業(yè)對(duì)象的非結(jié)構(gòu)性和不確定性果實(shí)的生長(zhǎng)是隨著時(shí)間和空間而變化的。蔬菜嫁接機(jī)器人的研制成功，為我國(guó)發(fā)展溫室栽培的蔬菜瓜果嫁接的規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化提供了一種先進(jìn)的作業(yè)設(shè)備。該系統(tǒng)主要由蘑菇傳送帶、攝像機(jī)、采摘機(jī)器手、三自由度氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)器手抓取控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成。這種機(jī)器人效率是500kg/天，是人工的30～50倍。在國(guó)內(nèi)，果蔬采摘機(jī)器人的研究剛剛起步。如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機(jī)器手姿態(tài)動(dòng)作來提高成功率和采用多個(gè)末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是亟待解決的問題。試驗(yàn)結(jié)果為工作速度10s/根，在實(shí)驗(yàn)室中效果良好，但由于制造成本和適應(yīng)性的制約，還不能滿足商用的要求。機(jī)械手安裝在行走車上，行走車為機(jī)械手的操作和采摘系統(tǒng)初步定位。⑤ 荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人[10]1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(IMAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機(jī)器人。④ 日本的葡萄采摘機(jī)器人[9]日本岡山大學(xué)研制出了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄收獲機(jī)器人。圖12 茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器原理圖1—光電傳感器；2—引導(dǎo)桿；3—橡膠手爪；4—攝像機(jī)③ 日本的甘藍(lán)采摘機(jī)器人[8]由極坐標(biāo)機(jī)械手、4個(gè)手指的末端執(zhí)行器、履帶式行走裝置和CCD機(jī)器視覺系統(tǒng)組成，整個(gè)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)復(fù)雜，包括4個(gè)手指、2個(gè)吸嘴、2個(gè)誘導(dǎo)桿、氣動(dòng)剪子和光電傳感器，如圖12所示。該番茄采摘機(jī)器人從識(shí)別到采摘完成的速度大約是15s/個(gè)，成功率在70%左右，成熟番茄未采摘的主要原因是其位置處于葉莖相對(duì)茂密的地方，機(jī)器手無法避開葉莖障礙物。用彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺系統(tǒng)，尋找和識(shí)別成熟果實(shí)。(1) 國(guó)外研究進(jìn)展① 日本的西紅柿采摘機(jī)器人[6]日本的果蔬采摘機(jī)器人研究始于1980年，他們利用紅色的番茄與背景(綠色)的差別，采用機(jī)器視覺對(duì)果實(shí)進(jìn)行判別，研制了番茄采摘機(jī)器人。從1983年的第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生以來，采摘機(jī)器人的研究和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了20多年。它們能夠代替人的部分勞動(dòng)，有些人類做不到的事情機(jī)器人可以做到，而且工作效率非常高。就我國(guó)而言，由于機(jī)械化、自動(dòng)化程度比較落后，“面朝黃土背朝天，一年四季不得閑”曾是我國(guó)農(nóng)民的象征[2]。 TILT twodimensional numerical table and apple image which was shot in orchard were used to do the turntable control turntable control experiment results verifies the validity of the proposed robot’s control method. KEY WORDS: fruit harvesting robot, visual servo control, obstacle avoidance, sensor目 錄摘 要 IABSTRACT III第一章 緒論 1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀及特點(diǎn) 1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的特點(diǎn) 6 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人研究存在的問題與解決方法 6 存在的技術(shù)難題 6 技術(shù)難題解決方法 7 本文主要研究?jī)?nèi)容及研究意義 8 本文主要研究?jī)?nèi)容： 8 本課題研究意義 9第二章 果樹采摘機(jī)器人建模與分析 10 果樹采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu) 10 攝像機(jī)投影模型 11 履帶式移動(dòng)平臺(tái)模型 13 果樹采摘機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 15 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 15 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建立 17 本章小結(jié) 18第三章 果樹采摘機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 開放式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 19 運(yùn)動(dòng)控制器 21 數(shù)據(jù)采集卡 22 機(jī)械臂伺服電動(dòng)機(jī) 23 氣壓傳動(dòng)裝置 23 外部傳感器設(shè)計(jì) 24 末端操作器傳感器布局 24 位置傳感器設(shè)計(jì) 25 壓力傳感器設(shè)計(jì) 28 視覺傳感器選型 29 碰撞傳感器設(shè)計(jì) 30 本章小結(jié) 31第四章 果樹采摘機(jī)器人控制方法研究 32 視覺伺服控制系統(tǒng)分析 32 采摘機(jī)器人控制策略 33 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì) 35 PID數(shù)字控制器設(shè)計(jì)原理 35 PID數(shù)字控制器程序設(shè)計(jì) 36 數(shù)字PID控制器參數(shù)整定法 37 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 38 本章小結(jié) 40第五章 果實(shí)采摘機(jī)器人避障方法探討 41 引言 41 C空間法 41 人工勢(shì)場(chǎng)法 43 果樹采摘機(jī)器人避障方法 44 采摘環(huán)境分析 45 C空間障礙邊界建模 46 采摘機(jī)器人小臂C空間障礙及計(jì)算 47 本章小結(jié) 50第六章 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論 51 傳感器實(shí)驗(yàn) 51 51 52 運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn) 53 運(yùn)動(dòng)控制方法