葛君山

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院，南京　211170)

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基于單片機(jī)和GPS定位的自主導(dǎo)航采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

葛君山

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與自動化工程學(xué)院，南京211170)

摘要：為了提高采摘機(jī)器人的智能化控制水平和自主導(dǎo)航能力，改善機(jī)器人的應(yīng)用限制和使用性能，提出了一種基于單片機(jī)和GPS的采摘機(jī)器人自主導(dǎo)航方法，克服了采摘機(jī)器人導(dǎo)航方式的缺點(diǎn)，顯著提高了導(dǎo)航定位的效率和精度。該方法利用GPS實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間、經(jīng)緯度和高度等信息，通過RS232發(fā)送給單片機(jī)；單片機(jī)對GPS發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到控制所需的時(shí)間和位置等信息，通過與機(jī)器人所處的位置進(jìn)行比較，調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)路徑的智能化追蹤和規(guī)劃。在實(shí)驗(yàn)日光溫室內(nèi)對采摘機(jī)器人的自主導(dǎo)航性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明：利用單片機(jī)和GPS定位可以較為精確地對采摘目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤，可以使機(jī)器人沿著既定路徑移動，控制的精度較高，誤差較小。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；GPS定位；自主導(dǎo)航；路徑規(guī)劃；單片機(jī)

0引言

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)科技水平的高速發(fā)展，市場對采摘機(jī)器人的需求越來越大，各種農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)器人也越來越受到關(guān)注?，F(xiàn)在大部分的采摘機(jī)器人的導(dǎo)航方式采用電纜圍出工作區(qū)域，使用渦流傳感得到工作的路徑和范圍，在使用上受到了限制。GPS定位可靠性和精度較高，如果將其應(yīng)用到采摘機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，可以大大提高機(jī)器人導(dǎo)航的效率和精度，提高機(jī)器人的智能化控制水平，改善機(jī)器人的應(yīng)用限制，對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究具有重要的意義。

1自主導(dǎo)航采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自主導(dǎo)航GPS定位系統(tǒng)主要由空間部分、地面部分和用戶設(shè)備3部分組成。其中，空間部分主要是衛(wèi)星星座，包括24顆衛(wèi)星；地面部分主要是監(jiān)控系統(tǒng)，包括主控站、注入站和監(jiān)測站；用戶設(shè)備為GPS信號接收機(jī)，可以接收計(jì)算出來的三維位置和速度，其原理如圖1所示。衛(wèi)星時(shí)鐘和接收設(shè)備時(shí)鐘之間存在鐘差，所以必須使用4顆以上衛(wèi)星才能確定接收天線的位置。采摘機(jī)器人一點(diǎn)P的三維坐標(biāo)公式可以表示為

Pj=[(Xj-Xn)2+(Yj-Yn)2+(Zj-Zn)2]1/2+c·t

(1)

其中,(Xj,Yj,Zj)為衛(wèi)星地心的瞬時(shí)坐標(biāo)；(Xn,Yn,Zn)為接收機(jī)的地心坐標(biāo)；t表示鐘差；Pj(j=1,2,3,4)為偽距測量；c為光速。采摘機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　GPS定位原理原理圖

圖2　采摘機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)

利用GPS定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)了位置傳感器和避障礙傳感器。工作時(shí)，GPS定位系統(tǒng)可以使采摘機(jī)器人按照既定的路徑行駛，且可有效地躲避障礙物。控制系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。

圖3　采摘機(jī)器人定位硬件結(jié)構(gòu)圖

GPS無線數(shù)據(jù)傳輸部分為通信主站和從站，主要利用單片機(jī)來完成，使用MSP430控制器和射頻芯片CC1101 組成的無線通信模塊。其中，控制末端設(shè)計(jì)為皮帶傳動，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.電機(jī)　2.球籠式萬向聯(lián)軸器　3.軸承　4.直齒輪　5.皮帶　6.車輪

為了提高傳動的效率，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，選用帶傳動作為執(zhí)行末端的傳動方式。其中，轉(zhuǎn)向使用球籠式萬向聯(lián)軸器，可以執(zhí)行單片機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)向信號，實(shí)現(xiàn)GPS的自主導(dǎo)航功能。

2采摘機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)

對于采摘機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要以單片機(jī)為控制核心，利用GPS模型實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的精確導(dǎo)航。GPS可以實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星發(fā)射的時(shí)間、經(jīng)緯度和高度等信息，通過RS232發(fā)送給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)GPS協(xié)議對衛(wèi)星信息進(jìn)行提取，得到所需的時(shí)間和位置等信息，通過與機(jī)器人所處位置進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動方向的控制，達(dá)到精確導(dǎo)航的目的?？傮w設(shè)計(jì)框架如圖5所示。

圖5　單片機(jī)和GPS定位系統(tǒng)框圖

由于衛(wèi)星在使用過程中會實(shí)時(shí)地發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，因此對其外部存儲空間使用擴(kuò)展SRAM，機(jī)器人的下一位置可以通過編程預(yù)先設(shè)定，也可以通過預(yù)留的鍵盤接口輸入。由于GPS模塊不能直接接入單片機(jī)，因此需要RS232轉(zhuǎn)換電平后接入單片機(jī)，其通信原理如圖6所示。

圖6　串口通信原理圖

圖6中，接收機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。目前，市場上的GPS接收模塊的型號很多，功能和價(jià)格也有較大差異，但其基本構(gòu)成一般包括天線、前置放大器、信號通道和中央處理器等?；窘Y(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

圖7　GPS接收模塊結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)GPS接收器接收衛(wèi)星信號后，對衛(wèi)星信號進(jìn)行追蹤，并實(shí)現(xiàn)一系列的連續(xù)測距；然后對信號進(jìn)行解調(diào)，將信號轉(zhuǎn)為導(dǎo)航使用的電文。在整個(gè)過程中，需要保持?jǐn)?shù)據(jù)信息獲取的實(shí)時(shí)性，因此需要設(shè)計(jì)液晶顯示電路，其位置結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　液晶顯示電路位置結(jié)構(gòu)圖

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示使用LCD液晶顯模塊，由電源直接供電，并使用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制。LCD數(shù)據(jù)顯示的流程如圖9所示。

圖9　實(shí)時(shí)顯示模塊流程圖

圖9中，通過對LCD的初始化，設(shè)置顯示地址，然后在相應(yīng)地址內(nèi)顯示發(fā)送的數(shù)據(jù)。本研究選擇東-北-天作為導(dǎo)航坐標(biāo)系，記為n系，將載體坐標(biāo)記為b系。在n系中，重力加速度和地球自轉(zhuǎn)角速度的矢量表達(dá)式為

gn=[00-g]T

(2)

(3)

其中，L表示地理緯度。在理想的條件下有

(4)

其中，Vi=[V1i,V2i,V3i]表示向量L在坐標(biāo)系i中的投影，則

(5)

在定位時(shí)，利用坐標(biāo)系中的速度和加速度數(shù)值進(jìn)行組合，求解坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，構(gòu)造矩陣V=[g wieg×wie]，于是可得

(6)

對于采摘機(jī)器人定位需要使用質(zhì)心算法，其原理比較簡單，定位原理如圖10所示。

圖10　采摘機(jī)器人質(zhì)心定位示意圖

圖10中，4個(gè)圓為GPS觀測信號，三角形為實(shí)際位置。根據(jù)質(zhì)心定位算法，其質(zhì)心的表達(dá)式可以寫成

(7)

(8)

觀測站位置(xi,yi)可以利用GPS測定，當(dāng)觀測站位置為N個(gè)時(shí)，質(zhì)心位置的表達(dá)式為

(9)

通過對質(zhì)心的定位，可以使機(jī)器人沿著既定的路徑行駛，并且利用GPS定位可以有效地躲避障礙物，達(dá)到精確控制的目的，提高采摘作業(yè)的精確性。

3采摘機(jī)器人定位性能測試

為了驗(yàn)證單片機(jī)和GPS定位功能的可靠性，將黃瓜采摘機(jī)器人上裝載了單片機(jī)和GPS定位系統(tǒng)，并將其在黃瓜采摘實(shí)驗(yàn)日光溫室內(nèi)進(jìn)行性能測試。測試場地如圖11所示。

利用GPS定位系統(tǒng)和單片機(jī)可以對采摘機(jī)器人的移動路徑進(jìn)行控制，使機(jī)器人沿著如圖11所示的標(biāo)線行駛，達(dá)到精確定位的目的，其采摘過程如圖12所示。

圖11　采摘機(jī)器人測試場地

圖12　機(jī)器人自主導(dǎo)航測試

采摘對象為黃瓜采摘，為了使機(jī)器人能夠沿著標(biāo)線路徑行駛，使用GPS對純目標(biāo)方位進(jìn)行軌跡跟蹤，通過軌跡跟蹤得到了如圖13所示的跟蹤曲線。

圖13　目標(biāo)路徑跟蹤軌跡

由圖13可以看出：利用單片機(jī)和GPS定位可以較為精確地對采摘目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤，其跟蹤誤差如圖14所示。由圖14可以看出：使用GPS定位后的誤差要明顯小于不使用GPS定位，使用GPS后的誤差分析圖例如圖15所示。

圖15中，包括X方向和Y方向的誤差。由圖15可以看出：其定位誤差都控制在100mm以內(nèi)的范圍，控制精度較高，可以使機(jī)器人沿著既定路徑行駛，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人的GPS定位功能。

圖14　誤差對比結(jié)果

圖15　跟蹤誤差分析圖例

4結(jié)論

本文提出了一種新的基于單片機(jī)和GPS定位方法的采摘機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GPS實(shí)時(shí)的接收衛(wèi)星發(fā)送信息，通過RS232傳送給單片機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)整機(jī)器人的移動路徑，從而實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力。同時(shí)，該系統(tǒng)克服了導(dǎo)航定位的使用限制，顯著提高了采摘機(jī)器人自主導(dǎo)航的效率和精度，改善了機(jī)器人的使用性能。

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Design of Autonomous Navigation Picking Robot Based on MCU and GPS Positioning

Ge Junshan

(School of Electrical and Automation Engineering, Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

Abstract：In order to improve the level of intelligent control and autonomous navigation ability of picking robot, the application limits and performance of robot are improved, and a new method is proposed based on single chip microcomputer and GPS. In this method, the time, latitude and longitude, and the height of the received satellite launched by GPS are transmitted to the SCM. The time and position of the GPS are processed by RS232. In the experiment, the autonomous navigation performance of the robot was tested, and the results show that the precision of the target path can be tracked by the single chip microcomputer and GPS positioning.

Key words：picking robot; GPS location; autonomous navigation; path planning; single chip microcomputer

中圖分類號：S225；TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0237-05

作者簡介：葛君山(1965-)，男，江蘇如東人，副教授，(E-mail)1965gjs@sina.cn。

基金項(xiàng)目：江蘇省高校實(shí)驗(yàn)室研究會研究課題(GS2015YB22)

收稿日期：2015-09-14