陳明霞,張 寒,王曉文,李徐勇

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院,廣西 桂林 541006)

0 引言

蘋果是我國生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)品之一,2017年我國蘋果種植面積為250.96萬hm2,年產(chǎn)量突破4 548萬t,規(guī)模居世界第一。我國蘋果產(chǎn)量約占世界蘋果總產(chǎn)量的56.13%,居三大果品(蘋果、柑橘、梨)之首。2017年,我國蘋果種植環(huán)節(jié)生產(chǎn)總成本平均每 667 m2為 5 013.33 元[1]。當(dāng)前,蘋果采摘機(jī)器人的發(fā)明與推廣在一定程度上提高了生產(chǎn)效率,降低了人力成本,同時(shí)也帶來了一些弊端。例如,低控制精度下的采摘機(jī)器人動(dòng)作會(huì)對采摘果實(shí)造成一定程度的機(jī)械損傷,使得病原微生物對果實(shí)有機(jī)可乘,病原微生物的入侵將會(huì)導(dǎo)致蘋果腐爛變質(zhì),給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失。采摘機(jī)器人在采摘過程中實(shí)際接觸果實(shí),所以保證機(jī)械采摘果實(shí)完整性顯得尤為重要。為此,立足于控制系統(tǒng)角度進(jìn)行機(jī)器人全局優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步提升采摘機(jī)器人控制的精準(zhǔn)性和移動(dòng)效率,具有較大的價(jià)值與意義。

基于參考文獻(xiàn)[2-5]中的果蔬采摘機(jī)器人,結(jié)合當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢,設(shè)計(jì)了一種基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的蘋果采摘機(jī)器人。采用迭代學(xué)習(xí)PID算法是為了克服蘋果采摘機(jī)器人在實(shí)際工作中系統(tǒng)未知參數(shù)和隨機(jī)擾動(dòng),可以提高果蔬采摘機(jī)器人工作精度和作業(yè)效率,一定程度上降低機(jī)器作業(yè)對蘋果果實(shí)的機(jī)械損傷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)包括移動(dòng)環(huán)節(jié)和采摘環(huán)節(jié)兩大部分。移動(dòng)環(huán)節(jié)采用履帶式結(jié)構(gòu),采摘環(huán)節(jié)由手臂與手腕部分輔助實(shí)施采摘過程。蘋果采摘機(jī)器人主要采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu),即每一個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)舵機(jī)組成。本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

該蘋果采摘機(jī)器人為6自由度機(jī)械手,由2個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)和4個(gè)移動(dòng)舵機(jī)組成。采用這種模式設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人有工作空間大、靈活度高等優(yōu)勢。蘋果采摘機(jī)器人具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作特性,控制系統(tǒng)較為復(fù)雜,造成采摘機(jī)器人成本過高及不夠便捷、靈活,影響了采摘機(jī)器人大面積普及與推廣。因此,基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

迭代學(xué)習(xí)PID控制算法具有很好的收斂性和魯棒性。因此,迭代學(xué)習(xí)PID控制算法在學(xué)習(xí)速度及工程應(yīng)用中具有巨大優(yōu)勢與前景。迭代學(xué)習(xí)控制算法是通過迭代修正來改善控制對象參數(shù)性能,與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相比,計(jì)算更為簡單,其對于給定期望軌跡具有很強(qiáng)的跟蹤性,可以有效提升機(jī)器人的工作效率[6]。迭代學(xué)習(xí)PID控制算法不依賴于系統(tǒng)精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型,適合應(yīng)用于具有重復(fù)運(yùn)動(dòng)特性的被控系統(tǒng),可以以較為簡單的方式應(yīng)用于不確定度非常高的非線性強(qiáng)耦合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)[7],適合蘋果采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

采用公式(1)對于蘋果采摘機(jī)器人的動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行描述[8]。蘋果采摘機(jī)器人執(zhí)行采摘?jiǎng)幼鞯倪^程中,存在期望控制ud(t),給定出采摘機(jī)器人期望的位移或者是速度輸出yd(t),以及每次運(yùn)行的初始狀態(tài)xk(0)。在一定時(shí)間內(nèi),采取的控制策略使得控制輸入uk(t)→ud(t),系統(tǒng)輸出yk(t) →yd(t)。系統(tǒng)誤差可由公式(2)進(jìn)行描述,即

(1)

ek(t)=yk(t)-yd(t)

(2)

其中,x、y、u分別為蘋果采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的狀態(tài)、輸出和輸入變量,f(·)、g(·)為適當(dāng)維數(shù)的向量函數(shù)。蘋果采摘機(jī)器人的基本控制流程如圖2所示。

圖2 蘋果采摘機(jī)器人基本控制流程圖

2 硬件部分設(shè)計(jì)

蘋果采摘機(jī)器人硬件部分設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路兩部分。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分中,底盤采用履帶式結(jié)構(gòu),保證采摘機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)不受采摘場地的限制。硬件電路部分主要由STM32主控制核心、圖像采集識(shí)別、舵機(jī)控制電路、XEEB通信、超聲波及紅外等傳感器組成,如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人采摘機(jī)械臂為6自由度機(jī)械手,動(dòng)力結(jié)構(gòu)由2個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)和4個(gè)移動(dòng)舵機(jī)組成。該結(jié)構(gòu)靈活性大、采摘范圍廣、運(yùn)行速度快且旋轉(zhuǎn)角度大,最大限度地保證采摘蘋果的質(zhì)量。

采摘機(jī)器人控制流程:首先,通過圖像采集模塊捕捉到蘋果的實(shí)際位置,并將蘋果所在位置信息發(fā)送給主控制器,迭代學(xué)習(xí)PID算法開始響應(yīng),控制器進(jìn)行計(jì)算并規(guī)劃出期望運(yùn)動(dòng)路徑;然后,設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速,硬件電路通過采樣得到電機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)計(jì)算系統(tǒng)誤差值e,通過迭代學(xué)習(xí)PID算法改變PWM占空比,進(jìn)一步消除偏差量,直到轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)到期望值;主控制器根據(jù)迭代學(xué)習(xí)PID控制算法保證機(jī)器人,以最佳期望方案進(jìn)行動(dòng)作,通過準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)舵機(jī)與夾角舵機(jī)的動(dòng)作配合,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速采摘。期望方案以最佳采摘角度來保證采摘果實(shí)的完整性。主控制器利用控制算法保證采摘機(jī)器人以最佳移動(dòng)方式切合期望路徑,超聲波及紅外模塊則配合該算法保證采摘機(jī)器人有較強(qiáng)的避障性能。XBEE通信模塊則實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的一系列通信功能。

圖3 蘋果采摘機(jī)器人硬件原理圖

3 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人為多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),為了保障控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境具有良好性能,設(shè)計(jì)時(shí)需要引入?yún)?shù)不確定的隨機(jī)干擾因素,動(dòng)力學(xué)方程為

G(qk(t))=τk(t)+dk(t)

(3)

控制系統(tǒng)所要跟蹤的期望軌跡為qd(t),t∈[0,T]。系統(tǒng)第i次輸出為qk(t),根據(jù)公式(2)可知,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差為ek=qk(t)-qd(t)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路是通過學(xué)習(xí)控制律設(shè)計(jì)uk+1(t),使得第k+1的控制誤差ek+1(t)減少。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]可知,在迭代學(xué)習(xí)控制(ILC)中,PID 型學(xué)習(xí)律為

uk+1(t)=uk(t)+kp(qk(t)-qd(t))+

(4)

其中,期望軌跡為qd(t);第k次輸出為qk(t);期望控制為uk(t)、kp、ki、kd為迭代學(xué)習(xí)PID控制的增益矩陣。

4 仿真與分析

在MatLab軟件的Simulink中,根據(jù)參考文獻(xiàn)[10]中機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)步驟,搭建系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。其中,線速度輸入采用vd=1.0,角度輸入信號(hào)采用sin(t)正弦信號(hào)?？刂埔?guī)律采用公式(4)閉環(huán)PD型,總的迭代次數(shù)為10次,系統(tǒng)仿真時(shí)間為20s。在實(shí)驗(yàn)室對蘋果采摘系統(tǒng)進(jìn)行了大量的仿真,在迭代學(xué)習(xí)PID控制算法下,y軸方向上速度跟蹤如圖5所示,y軸方向上角度跟蹤如圖6所示,角度及速度跟蹤下降曲線如圖7所示。

圖4 迭代學(xué)習(xí)PID算法y軸方向上速度跟蹤

圖6 角度及速度跟蹤誤差下降曲線

圖7 蘋果采摘機(jī)器人采摘?jiǎng)幼?/p>

5 采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與測試

采摘系統(tǒng)測試從機(jī)器人移動(dòng)路徑測試及采摘效果測試兩個(gè)方面進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)的控制對象是2個(gè)直流電機(jī)及6個(gè)控制舵機(jī),電機(jī)同時(shí)匹配光電編碼器,實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速波形,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N模塊。采摘機(jī)器人主控制器芯片采用STM32F103ZET6型號(hào)32位ARM微控制器,上電后采摘機(jī)器人采摘?jiǎng)幼魅鐖D8所示。

圖8 蘋果采摘機(jī)器人采摘實(shí)現(xiàn)

采摘機(jī)器人的移動(dòng)效率測試中考慮到采摘環(huán)境的復(fù)雜多變性,在實(shí)驗(yàn)室場地針對采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)了躲避障礙實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)1放置蘋果,模擬果樹所在位置。圖9淺灰色路線為采摘機(jī)器人在無障礙時(shí)運(yùn)動(dòng)路徑,圖10淺灰色路線為采摘機(jī)器人有障礙狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)路徑。測試結(jié)果表明:采摘機(jī)器人能夠完美躲避障礙,并規(guī)劃出最佳路徑完成采摘任務(wù)。

圖9 無障礙下采摘機(jī)器人路徑

圖10 有障礙時(shí)采摘機(jī)器人路徑

機(jī)器人采摘機(jī)械手動(dòng)作精準(zhǔn)性測試中分別采用傳統(tǒng)增量式PID算法、迭代學(xué)習(xí)PID算法控制對于機(jī)器人采摘?jiǎng)幼鬟M(jìn)行測試。圖11為蘋果破損率統(tǒng)計(jì)圖表。統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果表明:迭代學(xué)習(xí)PID算法控制下蘋果采摘機(jī)器人采摘破損率小于0.17%,增量式PID算法控制下蘋果采摘機(jī)器人采摘破損率小于0.28%。采用迭代學(xué)習(xí)PID控制算法蘋果采摘機(jī)器人采摘效果更加良好。

圖11 破損率測試統(tǒng)計(jì)分析圖

6 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的蘋果采摘機(jī)器人,采用迭代PID算法契合控制期望目標(biāo),實(shí)現(xiàn)了對于蘋果采摘機(jī)器人的實(shí)際動(dòng)作軌跡的高效跟蹤與在線調(diào)整,迭代學(xué)習(xí)過程中進(jìn)一步消除了系統(tǒng)誤差,提升控制系統(tǒng)精度和采摘機(jī)器人的工作效率。

2)基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的蘋果采摘機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了對于采摘目標(biāo)的快速鎖定、有效避障規(guī)劃路徑與穩(wěn)定完整采摘果實(shí),工作效率高,果實(shí)破損率低。

3)蘋果采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中可以克服未知參數(shù)和隨機(jī)擾動(dòng)的不確定性,控制機(jī)械手臂精準(zhǔn)到達(dá)蘋果果實(shí)所在位置進(jìn)行采摘,并以最佳采摘角度和最大程度保證采摘果實(shí)的完整性。其成功率較高、硬件集成簡單,易于學(xué)習(xí)接受,可在未來農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械領(lǐng)域上有效推廣,具有一定的應(yīng)用前景。