基于遺傳算法和EDA技術(shù)的果蔬采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

熊　瓊，葛　蓁，劉志剛

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢　430200；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108)

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基于遺傳算法和EDA技術(shù)的果蔬采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

熊瓊1，葛蓁1，劉志剛2

(1.武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢430200；2.南昌工學(xué)院，南昌330108)

摘要：為了提高果蔬采摘機(jī)器人的避障和路徑規(guī)劃能力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化和輕量化的設(shè)計(jì)，將嵌入式系統(tǒng)引入到果蔬采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，并利用EDA技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了封裝，植入了機(jī)器人路徑規(guī)劃的遺傳算法。對(duì)果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械手進(jìn)行了改進(jìn)，通過機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的避障功能，利用遺傳算法智能控制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境中的路徑搜索功能。對(duì)果蔬采摘機(jī)器人的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：障礙物識(shí)別率高達(dá)99%以上，路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確率也在95%以上，滿足智能化采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)需求，為現(xiàn)代化采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；遺傳算法；嵌入式系統(tǒng)；執(zhí)行末端

0引言

隨著嵌入式控制系統(tǒng)的輕量化和智能化水平的提高，微型機(jī)器人和特種機(jī)器人也得到了大力的發(fā)展，使得機(jī)器人的智能化和結(jié)構(gòu)都有了大幅度的提升。例如，索尼的機(jī)器狗是典型的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)，除了能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)之外，還具有語音和圖像的識(shí)別能力，可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的智能化功能。火星探測(cè)車也是個(gè)很好的典型嵌入式控制系統(tǒng)機(jī)器人例子，利用VxWorks操作系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自主的工作。將嵌入式系統(tǒng)引入到果蔬采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，可以大大提高機(jī)器人的智能化和輕量化水平，對(duì)于果蔬機(jī)器人的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1果蔬采摘機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)的機(jī)器人來說，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制部分一般采用ARM 7來完成。這主要是由于整個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，利用ARM 7來專門控制伺服能更好的滿足要求。果蔬采摘機(jī)器人電機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

ARM7利用串口通信功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，并利用通信串口協(xié)議來解析數(shù)據(jù)，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速等信息，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的優(yōu)化控制。在電機(jī)的控制過程中，可以利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障和路徑規(guī)劃功能。

圖1　果蔬采摘機(jī)器人電機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

圖2為果蔬機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框架圖。在嵌入式系統(tǒng)中引入遺傳算法，在遇到障礙物時(shí)，使用攝像頭拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像，利用OPENGL仿真將預(yù)演用戶所輸入的機(jī)器人控制命令后機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡及動(dòng)作反解功能，將數(shù)據(jù)傳送到實(shí)時(shí)控制板ARM7；使用伺服電機(jī)控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)路徑規(guī)劃功能。

圖2　果蔬采摘機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖

2果蔬采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足果蔬采摘機(jī)器人自動(dòng)避障設(shè)計(jì)需要，需要對(duì)果蔬采摘機(jī)器人的末段臂進(jìn)行改造。其中，末端臂主要由4部分組成，包括關(guān)節(jié)的法蘭、絲杠和螺母機(jī)構(gòu)、碰撞感知傳感器、伸縮管組。

圖3為果蔬采摘機(jī)器人執(zhí)行末端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。其中，末端臂利用法蘭與機(jī)器人大臂相連接，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成俯仰動(dòng)作；伸縮桿利用絲杠和螺母結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)伸縮功能；末端臂裝有3組碰撞傳感器，可以預(yù)測(cè)危險(xiǎn)碰撞，從而達(dá)到躲避障礙物的功能。

1.關(guān)節(jié)法蘭件　2.絲杠和螺母機(jī)構(gòu)　3.碰撞感知傳感器　4.伸縮稈

圖4為執(zhí)行末端伸縮動(dòng)作的過程設(shè)計(jì)圖。其伸縮功能主要是利用伺服電機(jī)的輸出，將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為位移，從而帶動(dòng)伸縮桿實(shí)現(xiàn)執(zhí)行末端的伸縮功能。碰撞傳感器的設(shè)計(jì)如圖5所示。

1.大臂關(guān)節(jié)法蘭件　2.交流伺服電機(jī)　3.架體　4.導(dǎo)桿　5.絲杠

1 .彈簧組件　2.架體　3.碰撞片　4.支撐架　5.開關(guān)組件

工作時(shí)，在伸縮臂的面上裝有彈性碰撞片，當(dāng)彈性碰撞片接觸到障礙物后可以產(chǎn)生力信號(hào)；當(dāng)力信號(hào)達(dá)到一定大小時(shí)限位開關(guān)啟動(dòng)，向機(jī)器人發(fā)出信號(hào)，提示遇到障礙物，需要通過調(diào)整行駛路徑，躲避障礙物，繼續(xù)進(jìn)行果實(shí)采摘。彈簧組件，設(shè)計(jì)如圖6所示。

1.螺釘　2.圓柱卡片　3.彈簧支撐架

圖6中，導(dǎo)柱和壓縮彈簧直接進(jìn)行連接，頂端和碰撞彈性片相連，將壓縮彈簧固定；卡片和導(dǎo)柱相連接，卡片的孔需要大于光孔直徑，將碰撞片進(jìn)行限制，從而保證了其不會(huì)從架體內(nèi)部飛出。控制系統(tǒng)采用EDA嵌入式系統(tǒng)，利用FPGA來設(shè)計(jì)控制核心部件。控制電路由4部分組成，其中包括電路控制器、FPGA、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和數(shù)碼顯示管，如圖7所示。

FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件，是控制的核心部件，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人避障和路徑規(guī)劃的主要部件，可以將編寫好的verilog HDL程序燒制到現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件FPGA中，通過控制輸入電路把信號(hào)輸入到FPGA，通過相關(guān)算法進(jìn)行機(jī)器人的路徑規(guī)劃和避障。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將基于EDA的硬件進(jìn)行連接，連接完成后的硬件如圖8所示

圖7　嵌入式控制系統(tǒng)原理方框圖

圖8　控制系統(tǒng)硬件連線圖

將編寫好的程序代碼下載到實(shí)驗(yàn)箱的FPGA芯片中，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化控制，可以利用遺傳算法對(duì)機(jī)器人路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，遺傳算法起到搜索最優(yōu)路徑的功能，其設(shè)計(jì)核心是功能函數(shù)設(shè)計(jì)。為了使搜索路徑最小，需要求得最小值函數(shù)，可將最小值函數(shù)轉(zhuǎn)換為求最大值函數(shù)，其表達(dá)式為

minf(x)=max[-f(x)]

(1)

其中，f(x)表示路徑軌跡的目標(biāo)函數(shù)。如果所需求的目標(biāo)函數(shù)總為正值，可以直接設(shè)定個(gè)體的適應(yīng)度值F(x)就等于相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值f(x)，其表達(dá)式為

F(x)=f(x)

(2)

適應(yīng)度可以利用目標(biāo)函數(shù)的變化形式來定義，則

(3)

其中，Cmin為一個(gè)適當(dāng)?shù)南鄬?duì)較小的數(shù)，適應(yīng)度或可以寫成

(4)

則對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的最小值優(yōu)化問題可轉(zhuǎn)換為

(5)

或者

(6)

遺傳算法的基本步驟是首先隨機(jī)產(chǎn)生若干機(jī)器人軌跡目標(biāo)函數(shù)群體f(x)，每個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度可以利用適應(yīng)度函數(shù)來求取；適應(yīng)度低的染色體被抑制，適應(yīng)度高的染色體得到繼承，然后通過以下步驟完成遺傳算法。

1)選擇：按照一定的優(yōu)化原則，選擇t代的群體f(x)中的優(yōu)秀個(gè)體，將這些個(gè)體遺傳到下一代的群體f(x+1)中。

2)交叉：將群體中的個(gè)體進(jìn)行搭配，搭配的過程是隨機(jī)配對(duì)的過程，利用個(gè)體間的交叉概率來交換染色體。

3)變異：對(duì)群體f(x)中的每個(gè)個(gè)體，通過一定的變異概率，改變?nèi)旧w的基因，通過復(fù)制操作，將結(jié)果向這更優(yōu)化的方向迭代計(jì)算，從而適應(yīng)環(huán)境，得到最優(yōu)路徑規(guī)劃。

3果實(shí)采摘機(jī)器人性能測(cè)試

為了驗(yàn)證EDA嵌入式系統(tǒng)的果實(shí)采摘機(jī)器人采摘性能，對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)象為黃瓜采摘機(jī)器人。在機(jī)器人控制系統(tǒng)中引入了EDA嵌入式結(jié)構(gòu)和遺傳算法，其測(cè)試場(chǎng)景如圖9所示。

圖9　測(cè)試場(chǎng)景圖

圖9中，測(cè)試對(duì)象主要是機(jī)器人躲避障礙物的功能，包括使用遺傳算法和不使用遺傳算法兩種形式。在不使用遺傳算法對(duì)機(jī)器人避障功能進(jìn)行測(cè)試時(shí)，得到了如圖10所示的路徑規(guī)劃結(jié)果。

圖10　機(jī)器人路徑規(guī)劃結(jié)果圖

在黃瓜采摘的過程中，機(jī)器人可以在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境下成功地繞過障礙物，從而到達(dá)到終點(diǎn)。為了驗(yàn)證遺傳算法的優(yōu)越性，對(duì)遺傳算法的路徑規(guī)劃性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖11所示。

圖11　遺傳算法采摘機(jī)器人路徑規(guī)劃結(jié)果圖

與一般算法不同，遺傳算法可以將搜索區(qū)域形成柵格，然后再進(jìn)行路徑規(guī)劃，從而提高路徑規(guī)劃的精確性。在此，對(duì)遺傳算法的采摘機(jī)器人進(jìn)行了多次測(cè)試，最終得到了如表1所示的結(jié)果。

表1　障礙物識(shí)別和路徑規(guī)劃測(cè)試表

由表1可以看出：機(jī)器人成功識(shí)別障礙物的概率較高，成功率達(dá)到了99%以上、路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確率也達(dá)到了95%以上，滿足了采摘機(jī)器人的作業(yè)設(shè)計(jì)需求。

4結(jié)論

1)對(duì)果蔬采摘系統(tǒng)的執(zhí)行末端進(jìn)行了改進(jìn)，提高了其自動(dòng)避障的功能。在果蔬采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中引入了嵌入式系統(tǒng)，并結(jié)合EDA技術(shù)植入了遺傳算法，對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行封裝后，大大提高了提高果蔬采摘機(jī)器人輕量化和智能化水平。

2)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：機(jī)器人在果蔬采摘過程中可以成功規(guī)避障礙物，障礙物識(shí)別率高達(dá)99%以上，路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確率在95%以上，智能化水平和作業(yè)精度較高。

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Abstract ID:1003-188X(2016)08-0214-EA

Design of Fruit and Vegetable Picking Robot Based on Genetic Algorithm and EDA Technology

Xiong Qiong1, Ge Zhen1, Liu Zhigang2

(1.School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430200, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China)

Abstract：In order to improve the fruit picking robot obstacle avoidance and path planning capabilities, intelligent robot and lightweight design, the embedded system is introduced into the fruit and vegetable picking robot's control system, and the control system are encapsulated using EDA technology, embedded robot path planning genetic algorithm. The fruit and vegetable picking robot manipulator was improved and the manipulator structure design to realize picking robot end effect or obstacle avoidance function and using genetic algorithm intelligent control design and implementation of the complex environment in the path search function. For fruit picking robot performance were tested and found by testing, the obstacle recognition rate is as high as more than 99% and the accuracy of path planning is above 95%, which meet the intelligent picking robot design requirements, modern picking robot design provides a reference value.

Key words：picking robot; genetic algorithm; embedded system; execution end

中圖分類號(hào)：S225.93；TP24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0214-04

作者簡(jiǎn)介：熊瓊(1981-)，女，湖北鄂州人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFC1079);武漢工商學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目(A2015005)

收稿日期：2015-07-14