胡國順，喬　琳，劉志剛

( 1.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 工程學(xué)院，昆明　650304；2.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明　650091)

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基于單片機(jī)和智能監(jiān)測的采摘機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

胡國順1，喬琳1，劉志剛2

( 1.云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 工程學(xué)院，昆明650304；2.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明650091)

摘要：由于采摘機(jī)器人的移動非常頻繁，因此其速度控制是影響工作效率的主要因素，在機(jī)器人的移動過程中會產(chǎn)生較大的慣性和時延，在控制信號的輸出和電機(jī)響應(yīng)過程中也會有一定的延遲，采摘機(jī)器人的慣性會使采摘機(jī)器人不能很好地在預(yù)定的果實(shí)采摘位置停下。為了解決這個問題，提高機(jī)器人的采摘效率，設(shè)計了一種新的機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)速度由傳感器進(jìn)行采集，通過電機(jī)的變頻調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)移動速度的控制。為了使機(jī)器人的控制平穩(wěn)，以STC89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計了采摘機(jī)器人的閉環(huán)控制系統(tǒng)。最后，對采摘機(jī)器人的性能進(jìn)行了測試，通過測試發(fā)現(xiàn)：采摘機(jī)器人可以準(zhǔn)確地識別成熟果實(shí)，控制算法運(yùn)行良好，可靠性高，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人的自動調(diào)速功能。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；調(diào)速系統(tǒng)；STC89C52單片機(jī)；傳感器；時延

0引言

果蔬采摘作業(yè)是果實(shí)種植過程的重要環(huán)節(jié)，其工作量大、采摘時間集中，因此采摘效率是一個亟待解決的問題。在日本、德國和荷蘭等發(fā)達(dá)國家引進(jìn)研發(fā)了大量的果實(shí)自動采摘機(jī)器人，如蘋果、黃瓜和櫻桃等自動收獲機(jī)器人；但這些機(jī)器人在設(shè)計過程中普遍存在果實(shí)識別率和采摘效率低的問題，其核心需要解決的是采摘機(jī)器人的移動速度控制問題。在采摘機(jī)器人速度控制設(shè)計過程中，如何獲取機(jī)器人的速度和控制機(jī)器人的速度是兩個關(guān)鍵的問題，解決了這兩個問題對于采摘機(jī)器人的設(shè)計具有重要的意義。

1基于智能監(jiān)測的采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的智能調(diào)速，以STC89C52單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的測速和調(diào)速，達(dá)到智能控制的目的。為了提高采摘機(jī)器人的性能，智能采摘機(jī)器人采用PWM脈寬調(diào)控技術(shù)。在確保采摘機(jī)器人能穩(wěn)定調(diào)速的前提下，需要將電路設(shè)計得盡量簡潔，以提高采摘機(jī)器人動作的靈活性。底盤上的監(jiān)測傳感器布置如圖1所示。

圖1中，A表示采摘機(jī)器人的尾部傳感器，負(fù)責(zé)倒退時的巡航功能；B為前端傳感器，負(fù)責(zé)前進(jìn)時的巡航功能；C傳感器和A傳感器進(jìn)行配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。

圖1　底盤傳感器分布圖示意圖

圖2為其他傳感器和圖像采集系統(tǒng)的分布示意圖。其中，B、C為光電傳感器，當(dāng)機(jī)器人靠近樹木的過程中，機(jī)器人停止；A表示攝像機(jī)，可以對果實(shí)圖像進(jìn)行采集，然后對成熟果實(shí)進(jìn)行識別。在果實(shí)識別時，大部分果實(shí)為球形果實(shí)，利用采集得到的圖像重新建立三維信息模型，然后利用最小二乘法求其質(zhì)心位置，便可以對果實(shí)的位置進(jìn)行準(zhǔn)確識別。球形果實(shí)的數(shù)學(xué)模型為

(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2=R2

(1)

其中，(a,b,c)表示球形在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；R表示球形果實(shí)的半徑，也可以將其寫成

2ax+2by+2cz+R2-(a2+b2+c2)=x2+y2+z2

(2)

將采集圖像的n個點(diǎn)用矩形表示為

(3)

對于式(3)可以簡單寫為

Am=B

(4)

通過最小二乘方法進(jìn)行求解可得

m=(ATA)-1ATB

(5)

為了實(shí)現(xiàn)果實(shí)的快速定位，利用目標(biāo)上的8個點(diǎn)來近似建立果實(shí)的形狀，利用Hough可以得到果實(shí)在圖像上的圓心坐標(biāo)為和半徑。其中，圓的外接矩陣的左上角坐標(biāo)為(xmin,ymin)，右下角坐標(biāo)為(xmax,ymax)，則矩形內(nèi)隨機(jī)一個點(diǎn)的坐標(biāo)為

(6)

圖2　其他傳感器和攝像機(jī)分布

利用8個點(diǎn)可以擬合出果實(shí)的球形形狀，果實(shí)位置的整個識別過程如圖3所示。

圖3　果實(shí)位置的整個識別過程流程圖

圖3中，主要包括圖像采集、圖像處理、果實(shí)形心位置坐標(biāo)計算及果實(shí)球心計算，通過計算可以得到果實(shí)的實(shí)際位置。

2采摘機(jī)器人調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)機(jī)器人對果實(shí)目標(biāo)進(jìn)行定位后，在到達(dá)指定位置過程中需要實(shí)現(xiàn)自動調(diào)速功能，采摘機(jī)器人的移動主要利用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)。對于電機(jī)來說，不管是同步還是異步電機(jī)，其驅(qū)動速度都是由同步轉(zhuǎn)速決定的，其表達(dá)式為

n=n0(1-s)

(7)

其中，n表示電動機(jī)轉(zhuǎn)速，n0表示電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速，s表示電動機(jī)的轉(zhuǎn)速差率。同步轉(zhuǎn)速是由電機(jī)的頻率決定的，表達(dá)式為

n0=60f/p

(8)

其中，f表示電機(jī)的輸入頻率，p表示電動機(jī)的磁極對數(shù)，聯(lián)合式(7)、式(8)可得

n=60f(1-s)/p

(9)

由式(9)可知：當(dāng)電機(jī)的磁極的對數(shù)一定時，可以通過改變電機(jī)的頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。變頻調(diào)速的總體設(shè)計如圖4所示。

圖4　電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖

電動機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，控制核心為STC89C52單片機(jī)，利用轉(zhuǎn)速監(jiān)測反饋信息來對電機(jī)的速度進(jìn)行變頻控制，其速度可以在外圍設(shè)備中顯示。其主程序的控制流程如圖5所示。

圖5中，主要是對監(jiān)測速度的反饋信息處理，利用反饋信息更新控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的速度閉環(huán)控制。單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路如圖6所示。

圖6包括晶振電路、復(fù)位電路和RS232下載端口。晶振電路可以維持采摘機(jī)器人工作的穩(wěn)定性，復(fù)位電路可以實(shí)習(xí)單片機(jī)的復(fù)位功能， 采摘機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)時間控制過程中需要多次利用反饋信息修改數(shù)據(jù)，因此需要設(shè)計RS232下載端口。

圖5　主程序流程圖

圖6　單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計圖

圖7為STC89C52RC基本結(jié)構(gòu)圖。STC89C52是ST公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，通過改進(jìn)使其具有了51單片機(jī)很多不具有的功能，提高了其性能。

圖7　STC89C52RC基本結(jié)構(gòu)圖

3采摘機(jī)器人性能測試

為了測試本次研究設(shè)計的采摘機(jī)器人的可靠性，對其采摘性能進(jìn)行了測試，采用單片機(jī)、傳感器和圖像采集系統(tǒng)對機(jī)器人進(jìn)行智能控制，測試項(xiàng)目包括目標(biāo)識別率和速度調(diào)控精度測試，測試場景圖片如圖8所示。

圖8　機(jī)器人作業(yè)性能測試圖

機(jī)器人通過采摘作業(yè)，對目標(biāo)的準(zhǔn)確識別率進(jìn)行了測試，主要采用圖像采集系統(tǒng)和傳感器進(jìn)行控制，通過測試得到了如表1所示的測試結(jié)果。

表1　果實(shí)準(zhǔn)確識別率結(jié)果

由表1可以看出:通過8次測試，采摘機(jī)器人能夠成功地識別綠色成熟果實(shí)和黃色成熟果實(shí)，而且準(zhǔn)確識別率都超過了95%，準(zhǔn)確識別率較高。

表2表示機(jī)器人調(diào)速的測試結(jié)果。其中，測試使用的電機(jī)為5V的直流電機(jī)，傳感器使用U型光電測速傳感器。當(dāng)PWM=5V，占空比為100%時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速264r/s。通過測試發(fā)現(xiàn)：所設(shè)計的基于單片機(jī)和智能監(jiān)測的采摘機(jī)器人控制算法運(yùn)行良好，可靠性高，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人的自動調(diào)速功能。

表2　機(jī)器人調(diào)速測試結(jié)果

4結(jié)論

1)為了降低采摘機(jī)器人由于慣性和時延造成的移動誤差，并有效提高機(jī)器人的采摘效率，設(shè)計了一種新的采摘機(jī)器人調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了速度的采集和變頻控制，從而提高了機(jī)器人的智能控制水平。

2)對采摘機(jī)器人的性能進(jìn)行了測試，由測試結(jié)果可以看出：采摘機(jī)器人對成熟果實(shí)的識別率較高，達(dá)到了95%以上；其控制算法的運(yùn)行可靠性較高，提高了機(jī)器人的自動調(diào)速能力，為高效率采摘機(jī)器人的研發(fā)提供了技術(shù)參考。

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Design of Speed Control System for Picking Robot Based on Single Chip Microcomputer and Intelligent Monitoring

Hu Guoshun1, Qiao Lin1, Liu Zhigang2

(1.School of Engineering, Yunnan College of Business Management, Kunming 650304, China; 2.School of Software,Yunnan University, Kunming 650091,China)

Abstract：Because picking robot moves very frequently,the speed control is the main factors that affects the efficiency in the moving process of robot,which will be poor research with large inertia and delay.The control signal is output and the motor response to the process will also have a certain delay, picking machine inertia will make picking robots not be good in a predetermined fruit picking place to stop.In order to solve this problem and improve the picking efficiency, a new robot speed regulation system is designed.The speed of the system is collected by the sensor. The control of the robot is controlled by the frequency conversion.The closed-loop control system is designed. Finally, the performance of the picking robot is tested.The test shows that the picking robot can recognize the mature fruit accurately, and the control algorithm runs well and the reliability is high.

Key words：picking robot; speed control system; STC89C52 MCU; sensor; time delay

中圖分類號：S225.93；TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0083-05

作者簡介：胡國順 (1986-) ，女， 云南大理人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)zgliu@ynu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-08-19