楊小慶

(重慶工商職業(yè)學院，重慶　400052)

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基于嵌入式監(jiān)控的雙差速驅(qū)動果蔬采摘機器人設(shè)計

楊小慶

(重慶工商職業(yè)學院，重慶400052)

摘要：為了提高采摘機器人的轉(zhuǎn)彎性能和自動尋跡能力，利用雙差速驅(qū)動系統(tǒng)建立了速度協(xié)同約束的非線性運動模型，并進行了線性優(yōu)化，提出了一種基于嵌入式監(jiān)控圖像采集反饋信息的閉環(huán)控制模型，提高了采摘機器人移動和轉(zhuǎn)彎尋跡的靈活性。針對采摘機器人雙差速的路徑尋跡問題，建立了機器人輸入、輸出的非線性運動模型，并分析了冗余運動約束和系統(tǒng)運動約束條件，通過控制姿態(tài)偏差和距離偏差，結(jié)合嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的反饋信息，實現(xiàn)機器人移動和尋跡的反饋調(diào)節(jié)。對采摘機器人的采摘性能進行了測試，測試項目主要包括尋跡能力和路徑規(guī)劃的耗時。通過測試發(fā)現(xiàn)，機器人可以實現(xiàn)較高精度的路徑尋跡功能，路徑規(guī)劃耗時短，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。

關(guān)鍵詞：雙差速驅(qū)動；嵌入式系統(tǒng)；圖像采集；路徑規(guī)劃；閉環(huán)控制；采摘機器人

0引言

在果蔬采摘機器人的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計過程中，機器人的轉(zhuǎn)彎性能和尋跡能力是設(shè)計的核心問題，采用雙差速驅(qū)動來控制采摘機器人的移動是一種典型的非完整系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有強耦合性和非線性等特點，其控制問題受到了國內(nèi)外專家和學者的廣泛關(guān)注。四輪驅(qū)動采摘機器人和兩輪驅(qū)動相比，控制模型更加復雜，耦合也更加嚴重。四輪驅(qū)動主要采用雙差速驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)機器人的全向運動，其運動靈活，不受非完整約束；但其摩擦因數(shù)小、承載能力有限，因此其設(shè)計較為困難。本研究針對雙差速驅(qū)動系統(tǒng)的非線性和冗余運動約束問題，首先建立了速度協(xié)同運動的非線性運動模型，并進行了線性優(yōu)化，提出了一種基于嵌入式監(jiān)控圖像采集反饋信息的控制系統(tǒng)，對采摘機器人移動性能的改進具有重要的意義。

1驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計

采摘機器人的雙差速驅(qū)動部分主要由4個三相步進電機和驅(qū)動結(jié)構(gòu)組成，步進電機驅(qū)動前后輪，推動機器人前進和后退，驅(qū)動左右輪的速比，實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)彎。為了提高采摘機器人轉(zhuǎn)彎的靈活性，將傳統(tǒng)的雙輪結(jié)構(gòu)改為平面軸承，從而降低了采摘機器人結(jié)構(gòu)的復雜度，驅(qū)動電機通過齒輪和軸帶動輪旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙差速驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

步進電機的轉(zhuǎn)速可利用脈沖信號的頻來改變，實現(xiàn)較高精度的調(diào)速。利用對電機施加不同的脈沖信號，可以實現(xiàn)采集機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和調(diào)頭功能。雙差速驅(qū)動系統(tǒng)可實現(xiàn)機器人在任意半徑下的轉(zhuǎn)彎，也可以實現(xiàn)原地旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)彎的速度可利用單片機程序進行控制，方便簡單。采摘機器人服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

采摘機器人的Internet 服務(wù)器主要由服務(wù)程序、服務(wù)數(shù)據(jù)庫和通訊模塊組成；機器人控制服務(wù)器主要由主控模塊、圖像采集模塊和通信模塊組成，其核心是一臺Windows XP系統(tǒng)的計算機。計算機裝有通信控制卡、圖像采集卡等硬件，利用這兩層服務(wù)器可以非常好地分離網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊和機器人硬件控制模塊，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

圖3為采摘機器人的控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖?？刂葡到y(tǒng)采用C/S和B/S混合模式，提高了系統(tǒng)的靈活性，圖像監(jiān)控采集系統(tǒng)和遠程網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)利用嵌入式控制板來實現(xiàn)，集成在采摘機器人中，降低了系統(tǒng)的規(guī)模和系統(tǒng)成本。通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)提高了機器人對環(huán)境的感知能力，利用標準化接口提高了系統(tǒng)的擴展能力，可以利用擴展卡和USB接口來實現(xiàn)外部設(shè)備的擴展，各功能單元可以獨立運行，也可以并行工作。

圖2　采摘機器人服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3　采摘機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2雙差速驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)控制的雙差速采摘機器人主要利用采集圖像信息對轉(zhuǎn)速進行控制，當左右兩輪的轉(zhuǎn)速不同時，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能；當兩輪轉(zhuǎn)速相同時，實現(xiàn)直線行駛功能。假設(shè)驅(qū)動模塊兩輪的速度差為Δvf和Δvr，則4個驅(qū)動輪的速度模型可以表示為

(1)

前后驅(qū)動的角速度可以寫成

(2)

假設(shè)前后驅(qū)動模塊的質(zhì)心速度vf和vr在x軸和y軸上的投影分別為vfx、vrx、vfy、vry，其表達式為

(3)

則采摘機器人的姿態(tài)偏差導數(shù)可以表示為

(4)

綜合式(3)、式(4)可得

(5)

因為前后驅(qū)動模塊在y軸方向的速度相同，于是可以得到

vfy=vry

(6)

將式(3)帶入式(6)可得

vfcosθf=vrcosθr

(7)

(8)

利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的反饋信息可以對采摘機器人驅(qū)動模塊進行控制，系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由5個組成部分，包括USB無線卡模塊、USB攝像頭模塊、內(nèi)部控制和傳感器模塊、運動控制模塊和主控模塊，其框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)的控制核心為S3C2410微處理器，操作系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)，主控板上連接USB無線網(wǎng)卡，利用無線路由將機器人鍵入Internet；圖像采集由USB攝像頭來完成，獲取采摘環(huán)境信息，機器人內(nèi)部和運動信息由傳感器采集提供給機器人，其得到環(huán)境和自身內(nèi)部反饋信息后，利用主控模塊控制機器人的移動，其中運動模塊的設(shè)計框架如圖5所示。

圖5　運動和內(nèi)部傳感模塊控制框圖

控制板的布線方式為雙層布線，電機調(diào)速的接口為8個，傳感器接口為6個，數(shù)字接口通道為2個，可以對監(jiān)控系統(tǒng)采集圖像進行傳輸；運動和內(nèi)部傳感模塊利用數(shù)據(jù)串口與主控板連接，利用自定義的命令接口進行通訊服務(wù)，最終將硬件系統(tǒng)進行底層封裝，完成采摘機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計。

3雙差速驅(qū)動果蔬采摘機器人性能測試

為了驗證本次研究設(shè)計的雙差速果蔬采摘機器人的性能，對其沿軌跡行駛的性能進行了測試，測試項目主要包括直線行駛和轉(zhuǎn)彎行駛性能。測試過程的場景如圖6所示。

測試對象為草莓采摘，給定機器人預設(shè)軌跡路線，利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)對路線進行軌跡跟蹤，通過測試得了雙差速采摘機器人的軌跡跟蹤結(jié)果如圖7所示。

圖7中，實線部分表示果蔬采摘機器人的實際移動路徑，虛線表示機器人雙輪的運動軌跡。由圖7可看出：利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)對雙差速機器人進行控制后，機器人雙輪可以嚴格地按照跟蹤軌跡行走，其軌跡和預定跟蹤軌跡平行，在轉(zhuǎn)彎處行走精度也很高，從而驗證了本次研究設(shè)計的采摘機器人的可靠性。

圖6　雙差速果蔬采摘機器人測試場景

圖7　軌跡跟蹤測試結(jié)果

表1為傳統(tǒng)機器人和嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)機器人路徑跟蹤耗時的測試結(jié)果對比表。由表1可以看出：利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)可以大大提高雙差速機器人路徑跟蹤的速度，縮短了路徑跟蹤的耗時，從而提高了果蔬菜采摘的效率。

表1機器人路徑跟蹤耗時測試結(jié)果表

Table 1Time-consuming test result table of robot path tracking

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4結(jié)論

1)利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)集成化模式，采用雙差速驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計了一種具有自主尋跡能力的移動式采摘機器人，并建立了控制姿態(tài)偏差和距離偏差的協(xié)同運動模型，從而大大提高了采摘機器人移動和轉(zhuǎn)彎的靈活性。

2)對設(shè)計的采摘機器人的性能進行了測試，測試項目包括自主尋跡能力和路徑規(guī)劃耗時。通過測試發(fā)現(xiàn)：利用嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)對雙差速機器人進行控制后，機器人雙輪可以嚴格地按照跟蹤軌跡行走，尋跡精度高，大大提高了雙差速機器人路徑跟蹤的速度，縮短了路徑跟蹤的耗時，從而提高了采摘機器人的工作效率。

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Design of Double Differential Drive for Fruit Picking Robot Based on Embedded Monitoring

Yang Xiaoqing

(Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 400052， China)

Abstract：In order to improve the performance and the ability of automatic tracing of the picking robot, a new nonlinear motion model is established by using the double differential drive system. For this problem, the nonlinear motion model of the robot's input and output is established, and the redundant motion constraints and system constraints are analyzed.And the feedback information of the embedded monitoring system is realized by controlling the attitude error and distance deviation. Finally, the performance of the picking robot is tested. The test items include the searching ability and the path planning. Through the test, it is found that the robot can achieve higher precision of the path function, the path planning is short, and the system stability is good.

Key words：double differential drive; embedded system; image acquisition; path planning; closed-loop control；picking robot

中圖分類號：S225；TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0117-04

作者簡介：楊小慶(1984-)，女，湖北宜昌人，講師，碩士，(E-mail)yangxiaoqing1984@qq.com。

基金項目：重慶市教委自然科學基金項目(KJ131416；2.江蘇省企業(yè)研究開發(fā)項目(CW2013-RD04，CW2014-RD06)

收稿日期：2015-08-23