張 磊

(河南財政金融學(xué)院，鄭州 450046)

0 引言

隨著控制技術(shù)的快速發(fā)展，智能機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，而采摘機(jī)器人是機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用和創(chuàng)新，集成了機(jī)械、電子、信息、傳感器技術(shù)和人工智能等技術(shù)。本文研究的采摘機(jī)器人主要用于現(xiàn)代化果樹種植基地的果實采摘，可減少勞動力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。本文將足球機(jī)器人比賽動態(tài)路徑規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)用于采摘機(jī)器人，結(jié)合采摘機(jī)器人應(yīng)用特性，設(shè)計了采摘機(jī)器人智能智能定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，并驗證了該系統(tǒng)的有效性和可行性。

1 足球比賽行為的路徑規(guī)劃

足球比賽行為的路徑規(guī)劃是指機(jī)器人在不碰撞障礙物的情況下成功完成任務(wù)的功能模塊，其一般遵循“信息采集→命令決策→智能控制”模式。首先，利用多種傳感器采集數(shù)據(jù)信息，判斷行為是否觸發(fā)；然后，結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)任務(wù)決策規(guī)劃實時運動控制；最后，控制機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)動作。一般而言，機(jī)器人的行為設(shè)計依賴于需要處理的任務(wù)及作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜程度。

1.1 足球比賽行為分析

行為是形容高等動物生活形式的名詞，是指在獨有的外圍環(huán)境中，在腦電波自主控制的情況下，習(xí)慣性地去處理特定功能任務(wù)的一種活動。其產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 行為產(chǎn)生機(jī)理

人的行為產(chǎn)生過程如下：當(dāng)一個人的某種需要對于當(dāng)前目標(biāo)而言沒有得到滿足時，就是想著是否需要改變，當(dāng)此時收到外部條件刺激時，就根據(jù)大腦內(nèi)部形成的習(xí)慣去處理動機(jī)；有了動機(jī)的驅(qū)使，就會根據(jù)行為策略進(jìn)行一系列的行為去到達(dá)目的；當(dāng)實現(xiàn)目標(biāo)時，原先產(chǎn)生的需求就會暫時得到滿足，然后在一定時間內(nèi)繼續(xù)當(dāng)前行為。一段時間之后，新的需求和刺激又會來臨，然后進(jìn)行新一輪的動機(jī)到實現(xiàn)目標(biāo)等一系列的行為，并不斷循環(huán)往復(fù)下去。

足球機(jī)器人會和人一樣按照一定策略執(zhí)行動作，是因為其被內(nèi)置程序固化，在復(fù)雜環(huán)境下根據(jù)內(nèi)部指令執(zhí)行相應(yīng)策略。其主要由三要素構(gòu)成：

1)機(jī)器人內(nèi)部固化程序，即設(shè)定好的目標(biāo)任務(wù)；

2)機(jī)器人硬件平臺；

3)復(fù)雜環(huán)境因素。

也就是說，行為是足球機(jī)器人在“自身一目標(biāo)任務(wù)一復(fù)雜環(huán)境”三方面進(jìn)行的一系列交互作用。

1.2 足球比賽行為的導(dǎo)航控制

足球機(jī)器人比賽行為導(dǎo)航是將導(dǎo)航功能進(jìn)行細(xì)分為多個簡單模塊，然后各模塊根據(jù)特定傳感器和執(zhí)行器進(jìn)行操作，在不同環(huán)境下，聯(lián)合執(zhí)行各項復(fù)雜任務(wù)。足球機(jī)器人比賽行為導(dǎo)航框架如圖2所示。

圖2 行為導(dǎo)航框架圖

足球機(jī)器人比賽行為導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括信息采集、智能控制和驅(qū)動3個單元。信息采集單元由碰撞傳感器、光電傳感器、紅外傳感器和加速度傳感器組成，主要負(fù)責(zé)采集周邊環(huán)境信息，為后級智能單元提供信息輸入；智能單元由躲避、暗中據(jù)推、反向飛蛾、避障、導(dǎo)航、定位等6個行為及智能決策系統(tǒng)組成，主要負(fù)責(zé)根據(jù)前端采集到的信息進(jìn)行仲裁，給后級驅(qū)動單元輸出命令；驅(qū)動單元由電機(jī)執(zhí)行器1和電機(jī)執(zhí)行器2組成，負(fù)責(zé)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向驅(qū)動。

1.3 足球比賽避障行為原理

足球比賽機(jī)器人在行進(jìn)過程中由于處于動態(tài)環(huán)境下，往往會有友方機(jī)器人或者對方機(jī)器人擋在前方，因此對障礙物的運動預(yù)測很重要，其必須具備避障功能。當(dāng)人看見障礙物，若是人時，可以說聲“麻煩讓一下，謝謝！”；若是其他不可移動的障礙物，可以自己主動繞開。人可以主動識別障礙物，但是足球比賽機(jī)器人只能依靠傳感器進(jìn)行識別。足球比賽機(jī)器人避障數(shù)學(xué)建模示意如圖3所示。

圖3 避障數(shù)學(xué)建模示意圖

假設(shè)A(x1,y1)為機(jī)器人當(dāng)前位置，B(x2,y2)為目的地，C(x3,y3)和D(x4,y4)避開障礙物圓心O需要經(jīng)過的圓弧路徑，若要使得路徑最優(yōu)，則∠DOC值應(yīng)該最小，則

(1)

在△AOB中，有

(2)

在△AOC中，有

(3)

在△BOD中，有

(4)

由θ=2π-α-β-γ，求解∠DEC，即可得到足球機(jī)器人避障障礙物的最佳路徑。足球比賽機(jī)器人避障流程包含以下6個步驟：

1)對環(huán)境及足球機(jī)器人信息進(jìn)行初始化操作；

2)進(jìn)行空間障礙物數(shù)學(xué)建模；

3)傳感單元采集周邊環(huán)境信息；

4)發(fā)現(xiàn)障礙物，搜索最優(yōu)避障路徑；

5)細(xì)化和光滑避障路徑；

6)驅(qū)動單元驅(qū)動電機(jī)躲避障礙物。

2 采摘機(jī)器人智能控制系統(tǒng)

采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器視覺、決策、無線通信和多智能體構(gòu)成，在整個作業(yè)過程中，視覺控制系統(tǒng)通過攝像頭對果園環(huán)境信息進(jìn)行采集，由決策進(jìn)行判斷，然后通過無線通信系統(tǒng)給車體系統(tǒng)發(fā)出指令，機(jī)器人接收信息，并進(jìn)行操作。

2.1 智能控制系統(tǒng)整體設(shè)計

本文所研究的采摘機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，需要對前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)向和右轉(zhuǎn)向多個電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，還需對多路傳器進(jìn)行信息采集，外圍接口比較多，電路設(shè)計復(fù)雜，因此采用SAMSUNG公司的嵌入式芯片Exynos4412作為核心處理器。該芯片支持片上系統(tǒng)，可以根據(jù)需求對源代碼進(jìn)行裁剪，具有操作簡單、系統(tǒng)靈活和開發(fā)容易等優(yōu)勢。智能控制系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 智能控制系統(tǒng)框架圖

2.2 智能控制系統(tǒng)視覺子系統(tǒng)

機(jī)器視覺作為整個系統(tǒng)最為核心的傳感檢測設(shè)備，其作用與動物眼睛一樣，是不具備視覺的采摘機(jī)器人根據(jù)CCD攝像圖對環(huán)境和果實做出準(zhǔn)確采集，然后發(fā)送給決策系統(tǒng)，為其分析處理提供原始數(shù)據(jù)。視覺子系統(tǒng)處理流程如圖5所示。

圖5 視覺子系統(tǒng)處理流程圖

2.3 智能控制系統(tǒng)決策子系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)決策子系統(tǒng)根據(jù)前級采集到的信息，利用多智能協(xié)作和決策原理，對采摘機(jī)器人行動進(jìn)行判斷和決策，精確控制機(jī)器人的行為，保證避障順利和無損害摘取果實。決策子系統(tǒng)是采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，是多智能協(xié)作理論研究的基礎(chǔ)。決策子系統(tǒng)控制示意如圖6所示。

決策子系統(tǒng)根據(jù)前級系統(tǒng)采集到的全方位視覺信息，對果實信息、周邊環(huán)境及障礙物位置進(jìn)行計算，然后根據(jù)決策模型對采摘路徑進(jìn)行合理的規(guī)劃，并通過通訊子系統(tǒng)將信息發(fā)送給驅(qū)動單元。

圖6 決策子系統(tǒng)控制示意圖

2.4 智能控制系統(tǒng)通訊子系統(tǒng)

通訊子系統(tǒng)完成后臺服務(wù)器和機(jī)器人以及機(jī)器人控制系統(tǒng)與決策子系統(tǒng)、視覺子系統(tǒng)之間的信息交換，主要包括數(shù)據(jù)信息和通信方式。通訊子系統(tǒng)處理框架如圖7所示。

圖7 通訊子系統(tǒng)處理框架圖

3 采摘機(jī)器人定位和導(dǎo)航研究

3.1 建立WSN環(huán)境平臺

為了讓采摘機(jī)器人在定位和導(dǎo)航中行動更加敏捷，特建立無線無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)環(huán)境平臺。通過該平臺，可以實現(xiàn)機(jī)器人與周邊環(huán)境節(jié)點進(jìn)行信息交互，從而使自身的定位更加準(zhǔn)確。機(jī)器人機(jī)身安裝閱讀器，信標(biāo)節(jié)點分布在作業(yè)區(qū)域，機(jī)器人節(jié)點通過對環(huán)境的信標(biāo)節(jié)點進(jìn)行讀取，全方位了解全局環(huán)境信息。WSN平臺框架如圖8所示。

圖8 WSN平臺框架圖

3.2 控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.2.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計是采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，該部分能夠?qū)崿F(xiàn)信息采集、處理，以及控制機(jī)器人的移動和采摘狀態(tài)的實時顯示，主要包括RIFD閱讀器、GAINZ、JTAG、復(fù)位電路、時鐘電路、驅(qū)動電路、電子羅盤、運動控制、碰撞開關(guān)、人機(jī)界面、JTAG和各類傳感器等電路或模塊?？刂葡到y(tǒng)硬件框架如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)硬件框架圖

3.2.2 自主定位和導(dǎo)航程序設(shè)計

自主定位和導(dǎo)航控制軟件系統(tǒng)包括應(yīng)用軟件、內(nèi)核、系統(tǒng)服務(wù)、驅(qū)動及重力加速度程序。其中，重力加速度的程序如下

void MPU6050_Init (void)

{

#define SMPLRT_DIV 0x19 //陀螺儀采樣率，典型值：0x07(125Hz)

#define CONFIG 0x1A //低通濾波頻率，典型值：0x06(5Hz)

#define GYRO_CONFIG 0x1B //陀螺儀自檢及測量范圍，典型值：0x18#define ACCEL_CONFIG 0x1C //加速計自檢、測量，典型值：0x01

#define ACCEL_XOUT_H 0x3B

REG_WRITE(GPX1PUD,REG_READ(GPX1PUD) & (～(0x3 << 2)));

REG_WRITE(GPX1CON,REG_READ(GPX1CON) & ～(0xf << 4) | (0xf << 4));

REG_WRITE(EXT_INT41_CON,REG_READ(EXT_INT41_CON) & ～(0x7 << 4) | (0x2 << 4));

REG_WRITE(EXT_INT41_MASK,REG_READ(EXT_INT41_MASK) & (～(0x1 << 1)));

REG_WRITE(ICDDCR,1);

REG_WRITE(ICDISER1_CPU0,REG_READ(ICDISER1_CPU0) & (～(0x1 << 25)) | (1<<25));

REG_WRITE(ICDIPTR14_CPU0,REG_READ(ICDIPTR14_CPU0) & (～(0xff << 8)) | (1<<8));

i2c5_init();

uart2_init();

MPU6050_Init();

mydelay_ms(100);

return ;

}

4 試驗結(jié)果與分析

為了驗證該機(jī)器人定位和導(dǎo)航系統(tǒng)是否能夠滿足設(shè)計需要，本文對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB 5.0進(jìn)行仿真試驗，結(jié)果如圖10所示。

圖10 仿真結(jié)果圖

圖10中，區(qū)域1代表的是機(jī)器人運動軌跡；區(qū)域3為目標(biāo)終點；區(qū)域2代表障礙物?？梢钥闯觯合到y(tǒng)可以實現(xiàn)實時定位和導(dǎo)航，且路徑規(guī)劃路線最優(yōu)，在整個過程沒有發(fā)生碰撞行為，實現(xiàn)了成功達(dá)到終點的目的，證明了該定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性和可行性。

5 結(jié)論

針對采摘機(jī)器人在作業(yè)過程中行走路線過長、路徑規(guī)劃不適用等問題，本文將足球機(jī)器人比賽動態(tài)路徑規(guī)劃系統(tǒng)應(yīng)用于采摘機(jī)器人上，大大加強(qiáng)了其對環(huán)境的感知、決策和適應(yīng)能力，并利用MatLab 5.0進(jìn)行路徑優(yōu)化仿真驗證。試驗證明：系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時定位和導(dǎo)航，且路徑規(guī)劃路線最優(yōu)，在整個過程沒有發(fā)生碰撞行為，實現(xiàn)了成功達(dá)到終點的目的，證明了該定位和導(dǎo)航系統(tǒng)的有效性和可行性。

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