果蔬采摘機(jī)器人行走運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_基于磁導(dǎo)引

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1、2015年6月農(nóng)機(jī)化研究第6期果蔬采摘機(jī)器人行走運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)—基于磁導(dǎo)引陳姍姍，尹建軍，陳樹人(江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江212013)摘要:為實(shí)現(xiàn)果蔬采摘機(jī)器人作業(yè)時(shí)自主行走，研究采用磁導(dǎo)引技術(shù)和PID算法等實(shí)現(xiàn)對預(yù)定路徑的跟蹤。以磁導(dǎo)引傳感器作為導(dǎo)航傳感器，在果蔬采摘機(jī)器人平臺上搭建轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)，依據(jù)磁導(dǎo)引傳感器工作特性，提出PID算法作為導(dǎo)引算法。根據(jù)導(dǎo)引傳感器得到機(jī)器人當(dāng)前位置相對于導(dǎo)引磁條的距離偏差，作為PID控制器的輸入，將機(jī)器人前輪期望轉(zhuǎn)角和車體期望速度作為輸出，在MatLab中對算法進(jìn)行圓曲線跟蹤仿真。仿真結(jié)果表明:機(jī)器人可快速跟蹤

2、到預(yù)定路線，跟蹤誤差在±30mm以內(nèi)，直線段穩(wěn)定狀態(tài)誤差在±5mm以內(nèi)。關(guān)鍵詞:果蔬采摘機(jī)器人;電磁導(dǎo)引;PID算法;行走系統(tǒng);路徑跟蹤中圖分類號:TP24文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1003－188X(2015)06－0081－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.06.0200引言1果蔬采摘機(jī)器人平臺設(shè)計(jì)果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重要環(huán)節(jié)，是整個(gè)果蔬生產(chǎn)1．1平臺結(jié)構(gòu)過程中消耗精力與時(shí)間最多的一環(huán)，需投入的勞動力果蔬采摘機(jī)器人平臺由抓取裝置、控制系統(tǒng)、視［1］占全部生產(chǎn)流程40%以上。目前，關(guān)于機(jī)器人行覺定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，行走系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。走自主導(dǎo)引系

3、統(tǒng)雖然有了一定的研究，但還遠(yuǎn)不能應(yīng)用于實(shí)際工作環(huán)境中。1950年，由美國首次研制出來電磁導(dǎo)航技術(shù)，因?yàn)槠淇刂坪唵?、抗干擾能力強(qiáng)和應(yīng)［2］用年限長，得到了廣泛的發(fā)展。日本研制的磁導(dǎo)引式果蔬自主植保機(jī)，在工作環(huán)境中安設(shè)磁條，實(shí)現(xiàn)機(jī)［3］器人在果園內(nèi)沿磁條自主行走。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的宋健基于電磁導(dǎo)引方式，開發(fā)了多種磁導(dǎo)引式農(nóng)業(yè)噴藥機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)表明，該導(dǎo)引方式下的機(jī)器人在直線跟蹤和地頭轉(zhuǎn)向時(shí)實(shí)驗(yàn)效果良好，但還不能在實(shí)際中［4］運(yùn)用。開展基于磁導(dǎo)引的果蔬采摘機(jī)器人運(yùn)動控制研究對于農(nóng)業(yè)設(shè)備智能化研究以及精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。為此，綜合自動控制、傳感器技術(shù)、智能控制算圖1果蔬采摘機(jī)器人平

4、臺法，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于磁導(dǎo)引的果蔬采摘機(jī)器人行Fig．1Fruit－pickingrobotplatform走運(yùn)動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)果蔬采摘機(jī)器人對預(yù)定路徑的1．2行走系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)跟蹤。磁導(dǎo)引行走系統(tǒng)模塊分布圖如圖2所示，硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。系統(tǒng)采用的PLC模塊是松下的FPG－PN4AN模塊，配備擴(kuò)展單元FP0－E32T和FPG－收稿日期:2014－06－22基金項(xiàng)目:國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2010AA101402);江蘇高校C24Ｒ;外圍電路包括傳感器檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目(蘇財(cái)教(2011)8號)轉(zhuǎn)向控制模塊和電動推桿控制模塊。作者簡介:陳珊珊(1

5、989－)，女，安徽安慶人，碩士研究生，(E－mail)工作時(shí)，主控器PLC實(shí)時(shí)采集磁導(dǎo)引傳感器信chenshanshan504@126．com。通訊作者:陳樹人(1965－)，男，湖南攸縣人，教授，(E－mail)srchen@息，并將導(dǎo)航信息發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)通過Lab-mail．ujs．edu．cn。VIEW軟件對采集到的信息進(jìn)行分析處理，然后將控·81·2015年6月農(nóng)機(jī)化研究第6期制指令傳送給PLC控制器。由PLC系統(tǒng)根據(jù)控制指cosα0éùéù令對執(zhí)行機(jī)構(gòu)(即轉(zhuǎn)向和左右驅(qū)動電機(jī))進(jìn)行控制，結(jié)·êsinαúê0úT=êúvb+êúωm(1)合電動推桿的控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)器

6、人基于電磁導(dǎo)航的前輪êtanδ/Lúê0ú????自動糾偏轉(zhuǎn)向和后輪差速轉(zhuǎn)動。01其中，vb為車體中心線速度，ωm為中心線處的角速度。1．超聲波傳感器2．磁導(dǎo)引傳感器3．隨動輪4．轉(zhuǎn)向連桿機(jī)構(gòu)5．右后輪驅(qū)動電機(jī)6．右驅(qū)動輪圖4簡化車輛模型7．減速器18．左后輪驅(qū)動電機(jī)9．減速器210．左驅(qū)動輪Fig．4Simplifiedvehiclemodel11．轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動電機(jī)12．減速器313．轉(zhuǎn)向輪圖2磁導(dǎo)引行走系統(tǒng)模塊分布圖2導(dǎo)引控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig．2Magneticnavigationrunningsystemmodeldistributiondiagram2．1系統(tǒng)原理機(jī)器人電磁

7、導(dǎo)航的控制結(jié)構(gòu)是以PLC和上位機(jī)為主控中心，由左前輪轉(zhuǎn)角、左右后輪轉(zhuǎn)速和路徑檢測組成的一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸入是車體運(yùn)動軌跡與導(dǎo)線比較后確定的車體姿態(tài)偏差，通過控制算法確定中心線期望轉(zhuǎn)角和后輪轉(zhuǎn)速，并轉(zhuǎn)化為左前輪電機(jī)、電動推桿和左右后輪電機(jī)控制量，輸出控制前輪轉(zhuǎn)角、電動推桿行程和后輪轉(zhuǎn)速。導(dǎo)引控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示。圖3行走控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖5控制系統(tǒng)原理圖Fig．3DesignofwalkingcontrolsystemhardwareFig．5Controlsystemblockdi