陳俊超

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，東莞 523808）

果蔬采摘是相關(guān)生產(chǎn)活動(dòng)中最耗費(fèi)時(shí)間及人工成本的步驟，并且原本該項(xiàng)作業(yè)大多是憑借人工處理，實(shí)際采摘效率不高，造價(jià)成本投入占整體的50%～70%。因此，研究果蔬采摘機(jī)器人具有重要的意義。

1 果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的此類機(jī)器人一般采用履帶式結(jié)構(gòu)。由于和地面接觸多，該類機(jī)器人擁有較強(qiáng)的附著力，能降低對(duì)農(nóng)田的碾壓程度，因此對(duì)田地適應(yīng)性較佳，但由于其履帶式的動(dòng)作機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致其轉(zhuǎn)向半徑范圍大。相較而言，輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人更加靈活，承載力較強(qiáng)，且行進(jìn)效率高，控制難度低。如今，全方位的輪式結(jié)構(gòu)借助車輪本身裝載定位及定向系統(tǒng)將會(huì)成為采摘機(jī)器人主要的研究方向。本文以該類機(jī)器人為例，分析其自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）控制系統(tǒng)[1]。

2 果蔬采摘機(jī)器人的AGV控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)硬件

如圖1所示，機(jī)器人的AGV系統(tǒng)中包括兩個(gè)PC硬件，分別作為主控機(jī)及AGV控制機(jī)。此外，在電機(jī)及控制裝置中，電機(jī)分成專向與驅(qū)動(dòng)兩類，同時(shí)裝載有部分傳感裝置，如光電編碼器、智能安全模塊（Incident Notification System，INS）模塊等。車體配備控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）與電氣系統(tǒng)。紅外遙控裝置相當(dāng)于主控機(jī)AGV控制單元的按鈕；Android手機(jī)則負(fù)責(zé)獲取從主控機(jī)發(fā)出的信號(hào)，隨時(shí)掌握AGV的工作狀態(tài)。

2.1.1 GAN節(jié)點(diǎn)電路

本文討論的智能節(jié)點(diǎn)是單片機(jī)C8051F040，其中配備有CAN控制裝置，且配備相應(yīng)的收發(fā)器，可滿足控制系統(tǒng)的通信需要。其中，控制單元基于單片機(jī)硬件，用于獲取從串口而來(lái)的信息，同時(shí)完成相應(yīng)處理分析。電源單元由控制平臺(tái)電源分出，滿足AGV控制機(jī)及搭載傳感裝置的電能所需后，此單元會(huì)向CAN供電。CAN來(lái)自單片機(jī)本身帶有的控制器及收發(fā)器，可支持控制平臺(tái)的CAN網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。

2.1.2 電機(jī)及控制器

本文所用的轉(zhuǎn)向電機(jī)基于稀土永磁體，能夠形成直流力矩結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)速小、反應(yīng)效率高、力矩變化小、扭矩大的特點(diǎn)，且整體構(gòu)成較為緊湊，能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)負(fù)載。該轉(zhuǎn)向電機(jī)的峰值堵轉(zhuǎn)扭矩是0.84 N·m，此時(shí)電流及電壓分別是5.6 A、27V，功率是151.2 W；連續(xù)堵轉(zhuǎn)扭矩是0.28 N·m，此時(shí)電流及電壓分別為1.87 A、9 V，功率是16.83 W，空載轉(zhuǎn)速能達(dá)到1 500 r·min-1。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇無(wú)刷的直流電機(jī)，方便后續(xù)維護(hù)[2]。機(jī)器人車輪半徑是380 cm，額定電壓是36 V，額定功率為180～125 W，額定效率大于等于81%，額定轉(zhuǎn)速為200～500 r·min-1。

電機(jī)控制裝置依托于數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Process，DSP）技術(shù)，能夠滿足CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。此外，本文所用的控制裝置設(shè)置有多個(gè)信號(hào)輸出端及輸入端。基于前后裝置確定零度位置，并在對(duì)應(yīng)點(diǎn)位設(shè)置霍爾開關(guān)。

光電編碼器選擇旋轉(zhuǎn)增量式結(jié)構(gòu)，其整體徑長(zhǎng)為38 mm，軸孔為8 mm，深度為11 mm，轉(zhuǎn)速能達(dá)到6 000 r·min-1，能夠滿足電機(jī)轉(zhuǎn)速需求。在運(yùn)行過程中，其耗用電流不會(huì)超過150 mA，直流電壓為5 V，輸出脈沖數(shù)為360 P·r-1，精度能滿足0.1°。

2.1.3 傳感器模塊

傳感器模塊包括全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊、INS模塊、超聲波測(cè)距模塊以及紅外遙感器模塊4個(gè)部分。GPS模塊可確定機(jī)體經(jīng)緯度、行進(jìn)方向及速度。本文分析的GPS模塊屬于一種高精度及動(dòng)態(tài)的接收儀，支持二次開發(fā)，并有保護(hù)與屏蔽的效果。該模塊能夠連接RS232接口，由CAN節(jié)點(diǎn)下達(dá)指令，其發(fā)送端把采集到的信息傳送至AGV。INS模塊能夠通過慣性傳感裝置獲取機(jī)體當(dāng)前的加速度與姿態(tài)。超聲波測(cè)距模塊能使機(jī)器人能準(zhǔn)確避障。此模塊利用RS232把信息傳送至連接的裝置上，且攜帶有溫度補(bǔ)償電路，其允許測(cè)量的范圍是4～500 cm，分辨率能夠達(dá)到1 cm。AGV共裝配8處超聲波傳感裝置，用于感知周圍情況，同時(shí)通過RS232通信結(jié)構(gòu)與CAN連接。但是，因?yàn)槠錈o(wú)法自動(dòng)測(cè)量，需利用RS232下達(dá)指令。紅外遙感器由接收器和發(fā)射機(jī)構(gòu)成。其中：接收器通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）形式與AGV連接；發(fā)射機(jī)的有效距離能超過8 m[3]。

2.2 系統(tǒng)軟件

2.2.1 CAN通信程序

通信程序借助串口獲取傳感裝置信息，利用網(wǎng)絡(luò)傳送至控制機(jī)。第一，串口程序。直接在單片機(jī)上布設(shè)該程序，支持生成CAN節(jié)點(diǎn)傳感裝置信息采集函數(shù)。其配置函數(shù)UARTC fig()以及初始化函數(shù)UARTI nit()通常能被整個(gè)程序調(diào)用。第二，驅(qū)動(dòng)程序。按照信息傳送的要求，CAN網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中能夠利用多數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)幀傳送信息。

2.2.2 采集信息程序

GPS模塊借助芯片和CAN連接，能夠在串口處實(shí)現(xiàn)信息與指令交換，且該模塊可以向CAN節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。單就信息采集及處理而言，GPS模塊發(fā)出的信息包括有效數(shù)據(jù)區(qū)及異或校驗(yàn)位等。所需采集的信息主要利用串口向CAN提供，且GPS不選擇全部獲取信息后再啟動(dòng)處理動(dòng)作，而是根據(jù)信息自身格式情況，按照相應(yīng)提示生成采集程序，對(duì)應(yīng)函數(shù)名是GPS_Decode()，并且其參數(shù)是指向信息數(shù)組的首地址，沒有返回值[4]。

2.3 調(diào)試測(cè)試

機(jī)器人控制系統(tǒng)中，需根據(jù)各功能模塊進(jìn)行調(diào)試。首先，在主控機(jī)、控制機(jī)和手機(jī)終端組成的系統(tǒng)中，由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)信息傳輸。在此過程中，路由器負(fù)責(zé)控制機(jī)設(shè)置有無(wú)線網(wǎng)卡，手機(jī)終端則可連接Wi-Fi。成功連接網(wǎng)絡(luò)后，需要測(cè)試主控機(jī)、控制機(jī)以及其和手機(jī)的節(jié)點(diǎn)。

首先，設(shè)置100 Bytes的數(shù)據(jù)信息，然后讓PC定時(shí)向手機(jī)終端傳送各類數(shù)據(jù)。在實(shí)施發(fā)送動(dòng)作期間，PC會(huì)保留傳輸信息的數(shù)量，而手機(jī)則會(huì)不斷更新接收信息的數(shù)量。測(cè)試5 min左右時(shí)，比較二者記錄數(shù)據(jù)[5]。當(dāng)二者信息數(shù)量不同時(shí)，證明PC發(fā)出的部分?jǐn)?shù)據(jù)未被手機(jī)終端獲取，此時(shí)要延長(zhǎng)PC輸出信息的時(shí)間，直到二者的記錄信息相同。在這一過程中，延長(zhǎng)時(shí)間的間隔數(shù)值便是主控機(jī)和手機(jī)終端之間的數(shù)據(jù)傳送速度。本文所述的控制系統(tǒng)中，該環(huán)節(jié)的傳輸速度是500 ms。

其次，GPS模塊的作用是獲取機(jī)器人位置與行進(jìn)速度等數(shù)據(jù)。定位模塊利用串口給控制機(jī)傳輸信息。通電后，可將串口進(jìn)行初始化處理，并設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸?shù)扔嘘P(guān)指令參數(shù)，通過解讀信息完成模塊測(cè)試。

再次，INS測(cè)量模塊主要用來(lái)確定機(jī)器人加速度及角速率等數(shù)據(jù)。該模塊的測(cè)試要運(yùn)用慣性傳感裝置確定車體在不同方向上的姿態(tài)與加速度。本文所述的慣性傳感裝置自帶濾波算法、安裝誤差補(bǔ)償?shù)榷喾N算法，且主要借助串口輸出測(cè)試結(jié)果。由于INS模塊本身的波特率符合使用要求，其通電后不必特別調(diào)整波特率與串口號(hào)。

最后，超聲波測(cè)距主要通過測(cè)量車體和四周障礙物之間的相對(duì)間距來(lái)判斷間隔是否處于碰撞危險(xiǎn)中，其可用性關(guān)系到機(jī)器人安全。該模塊可測(cè)量的最遠(yuǎn)距離為5 m，最近距離為4 cm，分辨率能夠達(dá)到1 cm，支持運(yùn)行的溫度區(qū)間為-10～70 ℃，符合機(jī)器人的工作條件。此模塊不涉及奇偶校驗(yàn)。在測(cè)距工作中，通過PC機(jī)下達(dá)測(cè)距指令，然后由超聲波測(cè)距模塊反饋距離數(shù)值。

完成各模塊的測(cè)試工作后，要在確保機(jī)器人的可控制系統(tǒng)、連接電路、硬件裝置、傳感裝置等均能穩(wěn)定工作的前提下，對(duì)整機(jī)硬件、主控機(jī)、手機(jī)、控制機(jī)的軟件程序組織調(diào)試，從而在這一過程中找出系統(tǒng)應(yīng)用的缺陷，并進(jìn)行有效調(diào)整。本系統(tǒng)調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題主要有硬件與軟件兩類缺陷。硬件部分主要涉及以下問題：安設(shè)限位傳感裝置時(shí)，由于轉(zhuǎn)向軸所處空間限制，前期設(shè)計(jì)中未能注明具體位置，從而造成后期傳感裝置安設(shè)點(diǎn)位不準(zhǔn)確，可使用蝸輪蝸桿減速裝置的點(diǎn)位確定傳感器位置；測(cè)試超聲波模塊時(shí)，由于對(duì)應(yīng)電源有漏電的問題造成了結(jié)果失準(zhǔn)，對(duì)此應(yīng)選擇更換開關(guān)電源；對(duì)于轉(zhuǎn)向電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最初運(yùn)用的是普通車載雨刷電機(jī)，但由于該種電機(jī)蝸輪蝸桿的材質(zhì)為塑料，造成AGV工作一段時(shí)間后發(fā)生了明顯磨損，應(yīng)將電機(jī)更換成輪轂電機(jī)，并把轉(zhuǎn)子外形調(diào)整成車輪，從而減輕磨損。軟件方面主要涉及以下問題：手機(jī)終端啟動(dòng)該程序后，最初顯示的是一堆亂碼，對(duì)此可改用UTF-8的字符集進(jìn)行處理；主控機(jī)對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序中，最初選擇的是普通對(duì)話框程序，而后逐步調(diào)整成了手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入模式。該模式支持用戶使用多個(gè)模塊下達(dá)不同的操作指令，從而提升了機(jī)器人的應(yīng)用靈活度。

3 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)果蔬采摘機(jī)器人的AGV控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到了智能采摘果蔬的目的。專門負(fù)責(zé)果蔬采摘的機(jī)器人能夠提升現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的信息化程度，切實(shí)解放部分勞動(dòng)力。對(duì)于經(jīng)營(yíng)者而言，通過AGV的有效控制，不但能進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，而且能夠節(jié)省果蔬采摘成本。