謝學(xué)剛，董桂菊，于　猛，郭凱敏，郭志強(qiáng)，朱鐵欣

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱　150030)

?

基于Qt5.0的機(jī)器人姿態(tài)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝學(xué)剛，董桂菊，于猛，郭凱敏，郭志強(qiáng)，朱鐵欣

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱150030)

摘要：針對(duì)農(nóng)業(yè)上降低生產(chǎn)安全危害、減少生產(chǎn)成本及節(jié)約勞動(dòng)力的需要，提出了機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的精細(xì)化要求，即快速性、可靠性。本設(shè)計(jì)上位機(jī)選用基于QT5.0的開發(fā)平臺(tái)，無(wú)線通訊方面選用NRF905無(wú)線通訊模塊作為通訊手段，選用MPU6050作為姿態(tài)傳感器采集機(jī)器人的實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)。 經(jīng)驗(yàn)證表明：該控制系統(tǒng)平臺(tái)的反應(yīng)速度較高，且能準(zhǔn)確傳回姿態(tài)數(shù)據(jù)，達(dá)到了短距離無(wú)線控制與檢測(cè)姿態(tài)的目的，為農(nóng)業(yè)大棚采摘定位提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人；遠(yuǎn)程控制；無(wú)線通訊；上位機(jī)

0引言

隨著科技的發(fā)展，很多農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)合不適合人去進(jìn)行近距離操作(如夏季大棚內(nèi)的灌溉、噴藥等)，機(jī)器人則成為了代替人進(jìn)行直接操作的首選。其能否快速、準(zhǔn)確地完成相應(yīng)的命令成為研究成敗的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)的研究大都是基于JAVA操作平臺(tái)的，其介入網(wǎng)絡(luò)的能力非常強(qiáng)大；但網(wǎng)絡(luò)本身就存在著一定的弊端，如一旦網(wǎng)絡(luò)連接失敗或系統(tǒng)崩潰，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)上位機(jī)徹底失去對(duì)機(jī)器人的操控能力，在一定程度上存在安全隱患。由挪威的TrollTech公司出品的Qt操作平臺(tái)不但能夠有效地避免介入網(wǎng)絡(luò)且兼容性非常高，具有良好的跨平臺(tái)性，能夠省去不少移植的麻煩。由于良好的封裝機(jī)制，使得Qt有非常高的模塊化程度，有利于開發(fā)；同時(shí)，提供了一種signals/slots的安全類型來(lái)代替callback，使得各個(gè)原件之間的協(xié)同工作變得簡(jiǎn)單、有效。它是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，既可以用于開發(fā)GUI程序，也可以用來(lái)開發(fā)非GUI程序，如控制臺(tái)工具和服務(wù)器。Qt開放源代碼最大的特點(diǎn)是有彈性，QtEmbedded最小可以縮到800kB左右，最多能達(dá)到3MB，這使得Qt更能適合在嵌入式環(huán)境下工作。Qt與JAVA同屬于跨平臺(tái)的開發(fā)工具，但是原理卻是完全不同的。Qt的跨平臺(tái)是在代碼級(jí)實(shí)現(xiàn)的而JAVA是在運(yùn)行級(jí)實(shí)現(xiàn)的，不需要虛擬機(jī)，做到了“一次編碼，到處編譯”；而JAVA則是“一次編譯；到處運(yùn)行”，。相比較而言，Qt開發(fā)的程序運(yùn)行效率要高于JAVA，更適合有實(shí)時(shí)性控制要求的場(chǎng)合，如再結(jié)合簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的主流無(wú)線通訊模塊NRF905，可成功實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制的功能。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1姿態(tài)傳感器的選擇

系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是無(wú)線通訊和姿態(tài)采集的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性。MPU6050是國(guó)際首例整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件，包括3軸陀螺儀和3軸加速器。相比其他器件而言，免除了組合加速器與陀螺儀時(shí)之軸間差的問(wèn)題，向應(yīng)用端輸出完整的數(shù)據(jù)是依靠I2C以單一數(shù)據(jù)流的形式傳輸，從而有力地保證機(jī)器人姿態(tài)采集的準(zhǔn)確性。

1.2核心處理器的選擇

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為硬件核心，是由宏晶公司生產(chǎn)的新一代增強(qiáng)型8051單片機(jī)。其指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度比傳統(tǒng)的8051單片機(jī)快8～12倍；內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換及兩路脈沖捕獲模塊和雙串口；同時(shí)，其EEPROOM和程序存儲(chǔ)區(qū)的大小也都不一樣。

1.3無(wú)線傳輸模塊的選擇

本著節(jié)約成本的思想，本系統(tǒng)選用NRF905作為無(wú)線傳輸模塊，其傳輸距離為150m，抗干擾能力強(qiáng)、低功耗，擁有內(nèi)置的CRC檢錯(cuò)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信地址控制，還擁有標(biāo)準(zhǔn)的DIP間距接口；同時(shí)，無(wú)需外加聲表濾波器就能有良好的通信效果，融合了ShockBurstTM技術(shù)，能夠自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包字頭，非常適用于工業(yè)數(shù)據(jù)的采集。

1.4系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由核心處理器STC12C5A60S2、數(shù)傳模塊NRF905及姿態(tài)模塊MPU6050等組成，硬件連接圖如圖1所示。

圖1　硬件連接圖

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了在硬件系統(tǒng)上完成控制旅行家IV號(hào)和實(shí)時(shí)獲取其姿態(tài)信息，在Qt5.0平臺(tái)上采用C++語(yǔ)言編寫了相應(yīng)的的應(yīng)用程序，程序流程如圖2所示。

硬件設(shè)備連接完畢后，進(jìn)行程序加載。對(duì)各模塊進(jìn)行初始化(包括MPU6050模塊、NRF905模塊、等)；初始化完成以后，即刻打開上位機(jī)界面，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制并采集姿態(tài)數(shù)據(jù)。

圖2　軟件流程圖

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)處理

MPU6050可通過(guò)LCD1602直接顯示出最初的加速度值和陀螺儀數(shù)值，并可通過(guò)其內(nèi)部的計(jì)算原理解算出機(jī)器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)，無(wú)需經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，將上位機(jī)安裝1個(gè)LCD用來(lái)檢測(cè)接收到的數(shù)據(jù)。其中Gx、Gy、Gz為陀螺儀采集的原始數(shù)據(jù)，Ax、Ay、Az為加速度計(jì)采集的原始數(shù)據(jù)。表1為實(shí)驗(yàn)所得的最初MPU6050數(shù)據(jù)、上位機(jī)LCD顯示接收到的數(shù)據(jù)和經(jīng)過(guò)計(jì)算后所得到的最終機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證姿態(tài)傳輸?shù)挠行?，將機(jī)器人放在坡腳為30°的斜坡上，在上位機(jī)上觀測(cè)其當(dāng)前的模擬姿態(tài)如圖3所示。

圖3　上位機(jī)模擬圖

GxGyGzAxAyAz滾轉(zhuǎn)角/(°)俯仰角/(°)航向角/(°)下位機(jī)-040028209-004000-004上位機(jī)-040028209-004000-004-11.9810.600.85下位機(jī)024080225000-004005上位機(jī)024080225000-004005-12.102.6312.35下位機(jī)075011220-001000-004上位機(jī)075011220-001000-00410.22-5.00-16.94下位機(jī)-040100229-004-004-004上位機(jī)-040100229-004-004-004-4.983.4042.11下位機(jī)015002227002-004-004上位機(jī)015002227002-004-004-21.69-13.0180.21下位機(jī)025-010228002000-004上位機(jī)025-010228002000-004-26.99-3.7751.92下位機(jī)014165187-005000002上位機(jī)014165187-005000002-28.6517.0618.26下位機(jī)130027185005004-004上位機(jī)130027185005004-004-42.11-4.939.87下位機(jī)027-086210-004-004-004上位機(jī)027-086210-004-004-00421.863.40-47.41下位機(jī)010022223-004000000上位機(jī)010022223-004000000-32.08-0.3150.97下位機(jī)087001216000-004-004上位機(jī)086001216000-004-004-29.31-5.06-1.03

續(xù)表1

由圖3和表1的數(shù)據(jù)可知：測(cè)量所得的數(shù)據(jù)傳輸誤差率為零，即機(jī)器人在不動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下根據(jù)MPU6050所測(cè)得的數(shù)據(jù)能夠有效地反映出其當(dāng)前的姿態(tài)。

控制方面則是由基于Qt5.0的上位機(jī)界面的控制按鍵進(jìn)行人工控制。按鍵按下后，發(fā)送相應(yīng)的內(nèi)部控制指令，通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人及時(shí)作出相應(yīng)的動(dòng)作，以調(diào)節(jié)當(dāng)前姿態(tài)。由此可見：該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制機(jī)器人姿態(tài)是十分可靠的，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求，在無(wú)網(wǎng)絡(luò)條件下實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制機(jī)器人。

4結(jié)論

以STC12C5A60為主控制芯片，基于Qt5.0作為上位機(jī)系統(tǒng)，集遠(yuǎn)程無(wú)線控制、實(shí)時(shí)姿態(tài)檢測(cè)力和高速數(shù)據(jù)傳輸能力對(duì)旅行家IV號(hào)機(jī)器人進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足了機(jī)器人對(duì)實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求，為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采摘果蔬、噴灑農(nóng)藥及各種農(nóng)業(yè)用途打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡玉良.基于51單片機(jī)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010,21(5):98-101.

[2]龔軍.基于ZigBee的多智能小車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].南京:南京師范大學(xué)，2009.

[3]Deepak B L, Parhi DR, Kundu S. Innate immune based path planner of an autonomous mobile robot[J].Procedia Engineering, 2012,38:2663-2671.

[4]黎世文. 輪式越野機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[5]李彥明，徐軍. 基于無(wú)線通訊的承壓管道檢測(cè)機(jī)器人多級(jí)控制系統(tǒng)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,42(9):162-166.

[6]俊杰. 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)集成平臺(tái)研究[D].北京：北京交通大學(xué), 2012.

[7]劉金會(huì),郝靜如.QT5.0的界面設(shè)計(jì).QT開發(fā)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2011,23(4):1-4.

[8]Sebastia Galmes.Mobile Ad hoc and Sensor Systems(MASS).Lifetime Issues in Wireless Sensor Networks for Vineyard Monitoring [J].Computer Vision and Image Understanding, 2009, 90(2):190-216.

[9]趙海文.基于多傳感器的移動(dòng)機(jī)器人行為控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[10]趙勻,武傳宇,胡旭東,等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2003,19(1):20-24.

[11]Abiyev R, Ibrahim D, Erin B. Navigation of mobile robots in the presence of obstacles [J].Procedia Engineering,2011,15:2738-27418.

[12]Wang Z Q, Zhu X G, Han Q Y． Mobile robot path planning based on parameter optimization ant colony algorithm[J] . Bio systems Engineering, 2002,83(4): 405-412.

[13]何祥.隨動(dòng)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與開發(fā)[D]. 南京：南京航天航空大學(xué),2005.

[14]Rakuna J, Stajnnkoa D, Zazulab D. Detecting fruits in natural scenes by using spatial-frequency based texture analysis and multiview geometry[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2011,76(1):80-88.

[15]劉金會(huì),郝靜如.QT5.0的界面設(shè)計(jì).QT開發(fā)平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2011,23(4):1-4.

Abstract ID:1003-188X(2016)04-0090-EA

Robot’s Posture Inspect And Control System Design Based on Qt5.0

Xie Xuegang, Dong Guiju, Yu Meng, Guo Kaimin, Guo Zhiqiang, Zhu Tiexin

(Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：According to agricultural to reduce the harm of production safety and production cost,saving labor. Propose the refinement of requirements on the remote control of the robot like rapidity and reliability. The design of principal computer is based on QT5.0 development platform,choose NRF905 as the wireless communication module and choose MPU6050 as the posture sensor to collect real-time posture data of the robot. After experimental verification, this control system have a fast reaction rate and is able to accurately back posture data, implement the aim of short distance wireless control and testing posture.

Key words：agricultural robot； remote control; wireless communication； principal computer

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0090-04

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：謝學(xué)剛(1990-)，男，黑龍江七臺(tái)河人，碩士研究生，(E-mail)499757429@qq.com。通訊作者：董桂菊(1967-)，女，哈爾濱人，副教授，碩士生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(810028)

收稿日期：2015-05-18