李 梅

(阜陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程科技學(xué)院，安徽 阜陽 236031)

在我國，農(nóng)業(yè)人工采摘作業(yè)一直都是整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系中制約其發(fā)展的主要因素。水果屬于季節(jié)性產(chǎn)品，通常需要在很短的時(shí)間內(nèi)，有時(shí)甚至是在一兩天內(nèi)就要完成熟果的采摘，這就需要大量的勞動(dòng)力來完成，完成這么大的勞動(dòng)力所需要的成本也是較高的。而我國的水果采摘作業(yè)絕大部分都是通過人工來完成的，這就會(huì)造成極低的采摘效率，且采摘成本也占據(jù)了水果成本的60%以上。而隨著我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，因此對(duì)于采摘機(jī)器人研發(fā)具有實(shí)踐意義。

水果采摘包含了對(duì)成熟水果的采摘作業(yè)，水果原屬以及包裝等流程，水果采摘機(jī)器人都能夠完成上述流程，且機(jī)器人也具備非常敏捷的移動(dòng)能力，對(duì)周圍的環(huán)境以及相關(guān)信息具有較好的感知能力，是一個(gè)自動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)的新型自動(dòng)化采摘設(shè)備。水果采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合了計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域中先進(jìn)的各種技術(shù)，如圖像識(shí)別、人工智能、傳感器等，它的進(jìn)一步發(fā)展不僅能有效的提高采摘效率，還能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的水果采摘工作。水果采摘機(jī)器人的推進(jìn)發(fā)展，不僅能改善我國的水果領(lǐng)域中勞動(dòng)力缺乏的情況，還能提高生產(chǎn)力，降低企業(yè)成本。[1-2]

1 水果機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文中的機(jī)械結(jié)構(gòu)包含了兩個(gè)部分，主要是移動(dòng)載體和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。移動(dòng)載體包含了履帶式采摘裝置、機(jī)械臂、采摘輔助裝置、末端執(zhí)行器等；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)則包含了視覺模型、運(yùn)動(dòng)控制模型。

1.1 移動(dòng)載體

果樹采摘機(jī)器的機(jī)械臂應(yīng)用的是PRRRP結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具備五個(gè)自由度，在不同的自由度中實(shí)現(xiàn)的功能作用為：提升機(jī)械臂、機(jī)械臂的中軸繞腰部旋轉(zhuǎn)、軸的旋轉(zhuǎn)、伸縮自由度，這些旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的組合能夠使得末端執(zhí)行器能夠朝向任何的方向，而在機(jī)器人控制指令下，末端執(zhí)行器能夠精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)水果的采摘。機(jī)械臂的升降主要是通過升降臺(tái)來完成的，這就能夠適應(yīng)不同的果樹的高度，具有較大的通用性。[3-4]

在采摘行業(yè)中末端執(zhí)行器的主要功能是實(shí)現(xiàn)水果的采摘功能，這就要求末端執(zhí)行器具備較好的靈活性以及便利性，當(dāng)前市場(chǎng)上已經(jīng)開發(fā)出了多種樣式的末端執(zhí)行器：手指類型、剪刀、吸引器等。本文針對(duì)的是圓狀的水果采摘，如蘋果、梨子等，采用的是一種勺狀末端樣式的。末端執(zhí)行器中的夾子被設(shè)計(jì)為勺子樣式，應(yīng)用氣缸來控制夾子的閉合，并在兩端配置了一把刀，通過設(shè)計(jì)在后方的電機(jī)旋轉(zhuǎn)來將果柄切斷。[5-8]在具體的果實(shí)采摘時(shí)，首先用夾子將水果夾住，接下來則用刀具將樹枝剪斷，以此來實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘。

1.2 采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制

采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制分為兩個(gè)部分：采摘部分和行走移動(dòng)部分。

由于不同品種果樹的高度以及果樹樹冠等都不一樣，覆蓋樹的果實(shí)感應(yīng)也是不一樣的，同時(shí)需要將機(jī)械臂讀取到每個(gè)姿勢(shì)下關(guān)節(jié)脈沖位置參數(shù)，接下來則需要通過設(shè)置相關(guān)傳感器采集到的果實(shí)位置信息，最后以此來完成對(duì)果實(shí)的采集。

采摘機(jī)器人在路徑發(fā)生轉(zhuǎn)換后，這就需要對(duì)采摘機(jī)器人移動(dòng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。采摘機(jī)器人采用四輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，因此在移動(dòng)過程中需要對(duì)移動(dòng)中心進(jìn)行設(shè)置。首先將將四個(gè)輪子設(shè)定為A、B、C、D，并以此來構(gòu)建一個(gè)矩形，矩形的對(duì)角線交叉點(diǎn)設(shè)置為O，并將該O點(diǎn)定義為原點(diǎn)，以橫向?yàn)閄軸，縱向?yàn)閅軸，得到直角坐標(biāo)系，由此就可以得到四個(gè)輪子的坐標(biāo)分別為：A=(l2/2，l1/2)，B=(-l2/2，l1/2)，C=(-l2/2，-l1/2)，D=(l2/2，-l1/2)，由此就可以得到轉(zhuǎn)彎半徑的中心點(diǎn)P的坐標(biāo)為：P=(R，d)，其中R表示其到Y(jié)軸的距離，d表示其到X軸的距離，如圖1所示。

圖1 采摘機(jī)器人移動(dòng)半徑圖

首先，在采摘機(jī)器人輪子上均安裝了位置傳感器以及0點(diǎn)開關(guān)，它可以朝向任何的角度進(jìn)行移動(dòng)。但機(jī)器人的輪子為0°時(shí)輪子停止運(yùn)動(dòng)；當(dāng)輪子為±90°，輪子會(huì)發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)處于[-90°,0°]或[0°,90°]時(shí)，輪子發(fā)生旋轉(zhuǎn)作用。

1.3 水果采摘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

水果采摘機(jī)器人一般為無人自動(dòng)化操作，這就需要多種傳感器來實(shí)現(xiàn)。而當(dāng)機(jī)器人在采摘完畢水果后，還能遵循規(guī)劃路線將水果運(yùn)輸?shù)街付ǖ拇鎯?chǔ)位置，這就要求在一定程度上要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。首先需要對(duì)主控機(jī)進(jìn)行初始化，并將裝置在自動(dòng)化控制機(jī)上的軟件連接無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)任務(wù)的執(zhí)行。水果采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)中主要包含了多個(gè)子功能模塊，各個(gè)子功能之間相互聯(lián)系實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送以及處理。[9]

功能主要包含了位置的GPS定位、距離的超聲波測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、電源管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視覺系統(tǒng)等。如圖2所示。

圖2 水果采摘控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 GPS位置定位功能

GPS位置定位功能主要時(shí)為了能夠?qū)崟r(shí)的獲取得到機(jī)器人的具體位置，而在數(shù)的傳輸過程中，需要對(duì)相對(duì)應(yīng)的GPS信息的格式定義，數(shù)據(jù)采集和處理操作。

GPS定位模塊中要根據(jù)系統(tǒng)中的需求輸出各種信息，因此這就要對(duì)數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行輸出，根據(jù)具體格式類型分析數(shù)據(jù)中是否包含了位置定位信息。GPS模塊則會(huì)朝著系統(tǒng)接口發(fā)送數(shù)據(jù)信息，以便進(jìn)行下一步的處理。[10]

GPS定位模塊中的數(shù)據(jù)流協(xié)議具有四個(gè)部分：幀頭($GPS)、數(shù)據(jù)、位置檢驗(yàn)、幀尾。這些數(shù)據(jù)都需要在系統(tǒng)中進(jìn)行智能化的傳輸，以此來提高數(shù)據(jù)的傳輸效率和質(zhì)量。在數(shù)據(jù)采集過程中，首先則需要判定串口數(shù)據(jù)是否已經(jīng)傳輸成功：失敗則直接退出程序，傳輸成功則會(huì)數(shù)據(jù)幀頭處檢測(cè)到$GPS標(biāo)識(shí)符。接下來則循環(huán)接收字符，并根據(jù)數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符內(nèi)包含了位置定位信息：位置定位信息有效則會(huì)等待下一幀的到來，無效則會(huì)中止數(shù)據(jù)的接收。最后當(dāng)檢測(cè)到接收的數(shù)據(jù)為幀尾位，返回?cái)?shù)據(jù)已經(jīng)全部接受完畢，當(dāng)為非幀尾位，則表示仍需要繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，并將接收到數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)內(nèi)。GPS模塊中需要對(duì)數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行校驗(yàn)和驗(yàn)證，當(dāng)數(shù)據(jù)總體和低于字節(jié)標(biāo)準(zhǔn)，則將其舍棄。

GPS模塊的處理過程如圖3所示。

圖3 GPS模塊流程圖

1.3.2 距離超聲波測(cè)量

該功能主要應(yīng)用傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量，通過系統(tǒng)控制下，在電源打開后則將超聲波反射測(cè)量得到的距離發(fā)送給數(shù)據(jù)單元部分。測(cè)量數(shù)據(jù)的獲取包括了機(jī)器人本身的移動(dòng)數(shù)據(jù)，例加速度、速度、角速度、轉(zhuǎn)角的數(shù)據(jù)等，而這些數(shù)據(jù)都是通過幀在系統(tǒng)中傳輸。

數(shù)據(jù)幀的發(fā)送中首先需要對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送進(jìn)行判別：若沒有數(shù)據(jù)傳送，則表示當(dāng)前無須進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，繼續(xù)等到下一個(gè)數(shù)據(jù)到來；若已經(jīng)有數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳輸，首先需要對(duì)幀頭的數(shù)據(jù)讀取，判斷其是否為ox22。數(shù)據(jù)判斷為ox22，則會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)以及后續(xù)數(shù)據(jù)都會(huì)寫到緩沖區(qū)中，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行距離測(cè)試運(yùn)算，以此來確定這些數(shù)據(jù)是否正確，正確才能直接被系統(tǒng)進(jìn)行處理；若接收到的數(shù)據(jù)不是ox22，則表示接收到的數(shù)據(jù)并非是需求數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將會(huì)被丟棄，接下來則繼續(xù)等待下一個(gè)數(shù)據(jù)的到來。如圖4所示。

圖4 超聲波測(cè)距流程圖

1.3.3 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)是水果采摘的目標(biāo)圖像信息的采集以及處理，也是機(jī)器人采摘的重要組成部門。在視覺系統(tǒng)中，首先需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確、快速的處理，接下來則對(duì)超聲波測(cè)距，以此來提高機(jī)器人準(zhǔn)確獲取得到水果位置。其基本原理為：通過攝像頭采集到果實(shí)的圖像信息，獲取得到果實(shí)的具體方位，接下來則應(yīng)用超聲波測(cè)距出來的位置結(jié)果，獲取果實(shí)的采摘位置，并將其映射為機(jī)器人的機(jī)械臂的采摘角度、速度的控制等，然后應(yīng)用末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘。

視覺系統(tǒng)在實(shí)踐的過程中，首先需要對(duì)目標(biāo)的存在進(jìn)行探測(cè)，解析果實(shí)的具體位置來進(jìn)行空間坐標(biāo)的確定，并通過機(jī)器人和末端執(zhí)行器之間的相對(duì)距離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的視覺導(dǎo)航。

1.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中，主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分的連接以及任務(wù)的發(fā)送。首先是機(jī)器人的無線連接，采摘機(jī)器人的無線連接各個(gè)部分之間的關(guān)系，對(duì)保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及安全性具有十分關(guān)鍵的作用。

首先在電機(jī)驅(qū)動(dòng)要對(duì)IP的端口進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)聽，對(duì)后續(xù)的指令下達(dá)進(jìn)行檢測(cè)。接下來需要在電機(jī)的控制中，要對(duì)采摘機(jī)器人的各個(gè)不同移動(dòng)操作下發(fā)相對(duì)應(yīng)的指令，如前進(jìn)、后退、掉頭等，而機(jī)器人的其它部門在解析完成所要執(zhí)行的移動(dòng)命令后，要對(duì)執(zhí)行移動(dòng)控制指令，同時(shí)各類電機(jī)要驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成所對(duì)應(yīng)的移動(dòng)操作。具體的流程設(shè)置為：配置采摘機(jī)器人中功能電機(jī)中的PID參數(shù)，加強(qiáng)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，而在電源上電后，要初始化電機(jī)為歸0操作，促使所有的電機(jī)都維持在一個(gè)初始的狀態(tài)，而當(dāng)移動(dòng)指令到達(dá)后，在解析移動(dòng)指令后，根據(jù)不同的指令執(zhí)行移動(dòng)操作，若下發(fā)的指令并不包含移動(dòng)指令，則將其丟棄；當(dāng)所有的移動(dòng)指令都已經(jīng)執(zhí)行完畢后，會(huì)繼續(xù)進(jìn)入等待狀態(tài)直至下一個(gè)移動(dòng)指令的到來。

1.4 控制方案

控制指令對(duì)車體移動(dòng)命令下達(dá)包含了兩類：人工操作、指定路徑。兩者所代表的重要程度均不同，因此需要競爭控制來獲得指令的優(yōu)先權(quán)。如圖5所示。

圖5 控制方案設(shè)計(jì)圖

(1)緊急狀態(tài)以及故障控制命令是指在機(jī)器人發(fā)生了故障后，該控制命令會(huì)直接送達(dá)到主控機(jī)中，并停止其它所有的操作指令。

(2)手動(dòng)遠(yuǎn)程控制命令是指當(dāng)人工需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制時(shí)，可以通過給主控機(jī)發(fā)送遠(yuǎn)程指令操作，主控機(jī)則會(huì)按照指令執(zhí)行相關(guān)操作。

(3)指定路徑控制命令是指在機(jī)器運(yùn)行過程中，主控機(jī)會(huì)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)來完成當(dāng)前的指令操作，并通過接收和解析傳感器收集到的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)來執(zhí)行相關(guān)的移動(dòng)操作。

2 水果采摘機(jī)器人系統(tǒng)功能測(cè)試

2.1 GPS功能測(cè)試

GPS定位模塊中能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的接收位置信息，并能隨時(shí)對(duì)GPS定位模塊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，如圖6所示，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行位置的解析。

圖6 GPS模塊解析數(shù)據(jù)

2.2 超聲波測(cè)距功能測(cè)試

該功能主要為了實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的采摘，能夠測(cè)量果實(shí)的位置，對(duì)果實(shí)的測(cè)量范圍有一個(gè)較為精確的位置確定。如表1所示。

表1 超聲波測(cè)距測(cè)試結(jié)果

由表1可知，超聲波測(cè)距的精確性在各個(gè)范圍值內(nèi)的誤差值都不大，都在可接受的范圍內(nèi)，甚至有的可以達(dá)到精確值。

2.3 視圖系統(tǒng)測(cè)試

視圖系統(tǒng)的測(cè)試中，要對(duì)果實(shí)的采集進(jìn)行圖像的識(shí)別，在識(shí)別的過程中首先區(qū)分果實(shí)和果實(shí)旁邊

的樹葉、樹枝等，一般都是通過果實(shí)的大小以及形狀邊緣特性區(qū)分，如蘋果則是圓形的，一般較大個(gè)的圓就能夠?qū)⑵渥R(shí)別處理，而樹葉通常則是扁平的，兩者之間的區(qū)別就直接可以顯示出來。表2為圖像識(shí)別系統(tǒng)中對(duì)于各種水果的識(shí)別率，通過表2可知水果的識(shí)別還是挺高的，這就能進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)水果位置的精確判別。如只有在蘋果個(gè)頭很小的時(shí)候才不能識(shí)別出來，大部分的蘋果都可以直接識(shí)別出來。

表2 水果圖像識(shí)率

3 結(jié)論

我國的水果產(chǎn)業(yè)已經(jīng)呈現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展，但隨著人工成本的增長，則會(huì)增加水果采摘的成本。同時(shí)水果是季節(jié)性產(chǎn)物，在短時(shí)間內(nèi)完成大規(guī)模的采摘需要大量的勞動(dòng)力和高效的工作效率，傳統(tǒng)的人工水果采摘模式效率低下，無法滿足產(chǎn)業(yè)化的采摘，因此采摘機(jī)器人的開發(fā)則具備非常強(qiáng)的實(shí)踐意義。本文研究的是水果采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過對(duì)采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，分析了移動(dòng)載體以及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中包含了位置的GPS定位、距離的超聲波測(cè)量、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、電源管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視覺系統(tǒng)等功能，而在系統(tǒng)測(cè)試后機(jī)器人能夠?qū)ξ恢糜休^好的控制以及距離的測(cè)量，獲得了較好的結(jié)果。