基于單片機和GPS定位的自主導航采摘機器人設計

葛君山

(江蘇海事職業技術學院 電氣與自動化工程學院，南京　211170)

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基于單片機和GPS定位的自主導航采摘機器人設計

葛君山

(江蘇海事職業技術學院 電氣與自動化工程學院，南京211170)

摘要：為了提高采摘機器人的智能化控制水平和自主導航能力，改善機器人的應用限制和使用性能，提出了一種基于單片機和GPS的采摘機器人自主導航方法，克服了采摘機器人導航方式的缺點，顯著提高了導航定位的效率和精度。該方法利用GPS實時接收衛星發射的時間、經緯度和高度等信息，通過RS232發送給單片機；單片機對GPS發送數據進行處理，得到控制所需的時間和位置等信息，通過與機器人所處的位置進行比較，調整機器人的姿態，實現路徑的智能化追蹤和規劃。在實驗日光溫室內對采摘機器人的自主導航性能進行了測試，結果表明：利用單片機和GPS定位可以較為精確地對采摘目標路徑進行跟蹤，可以使機器人沿著既定路徑移動，控制的精度較高，誤差較小。

關鍵詞：采摘機器人；GPS定位；自主導航；路徑規劃；單片機

0引言

隨著現代化農業科技水平的高速發展，市場對采摘機器人的需求越來越大，各種農業作業機器人也越來越受到關注。現在大部分的采摘機器人的導航方式采用電纜圍出工作區域，使用渦流傳感得到工作的路徑和范圍，在使用上受到了限制。GPS定位可靠性和精度較高，如果將其應用到采摘機器人導航系統的設計上，可以大大提高機器人導航的效率和精度，提高機器人的智能化控制水平，改善機器人的應用限制，對現代化農業機器人的研究具有重要的意義。

1自主導航采摘機器人結構設計

自主導航GPS定位系統主要由空間部分、地面部分和用戶設備3部分組成。其中，空間部分主要是衛星星座，包括24顆衛星；地面部分主要是監控系統，包括主控站、注入站和監測站；用戶設備為GPS信號接收機，可以接收計算出來的三維位置和速度，其原理如圖1所示。衛星時鐘和接收設備時鐘之間存在鐘差，所以必須使用4顆以上衛星才能確定接收天線的位置。采摘機器人一點P的三維坐標公式可以表示為

Pj=[(Xj-Xn)2+(Yj-Yn)2+(Zj-Zn)2]1/2+c·t

(1)

其中,(Xj,Yj,Zj)為衛星地心的瞬時坐標；(Xn,Yn,Zn)為接收機的地心坐標；t表示鐘差；Pj(j=1,2,3,4)為偽距測量；c為光速。采摘機器人機械手的結構如圖2所示。

圖1　GPS定位原理原理圖

圖2　采摘機器人機械手結構

利用GPS定位系統設計了位置傳感器和避障礙傳感器。工作時，GPS定位系統可以使采摘機器人按照既定的路徑行駛，且可有效地躲避障礙物。控制系統的硬件組成如圖3所示。

圖3　采摘機器人定位硬件結構圖

GPS無線數據傳輸部分為通信主站和從站，主要利用單片機來完成，使用MSP430控制器和射頻芯片CC1101 組成的無線通信模塊。其中，控制末端設計為皮帶傳動，其機械結構如圖4所示。

1.電機　2.球籠式萬向聯軸器　3.軸承　4.直齒輪　5.皮帶　6.車輪

為了提高傳動的效率，降低結構的復雜程度，選用帶傳動作為執行末端的傳動方式。其中，轉向使用球籠式萬向聯軸器，可以執行單片機發出的轉向信號，實現GPS的自主導航功能。

2采摘機器人導航系統

對于采摘機器人導航系統的設計，主要以單片機為控制核心，利用GPS模型實現采摘機器人的精確導航。GPS可以實時接收衛星發射的時間、經緯度和高度等信息，通過RS232發送給單片機；單片機根據GPS協議對衛星信息進行提取，得到所需的時間和位置等信息，通過與機器人所處位置進行比較，實現機器人運動方向的控制，達到精確導航的目的。總體設計框架如圖5所示。

圖5　單片機和GPS定位系統框圖

由于衛星在使用過程中會實時地發送大量的數據，因此對其外部存儲空間使用擴展SRAM，機器人的下一位置可以通過編程預先設定，也可以通過預留的鍵盤接口輸入。由于GPS模塊不能直接接入單片機，因此需要RS232轉換電平后接入單片機，其通信原理如圖6所示。

圖6　串口通信原理圖

圖6中，接收機是整個系統的關鍵。目前，市場上的GPS接收模塊的型號很多，功能和價格也有較大差異，但其基本構成一般包括天線、前置放大器、信號通道和中央處理器等?；窘Y構原理如圖7所示。

圖7　GPS接收模塊結構圖

當GPS接收器接收衛星信號后，對衛星信號進行追蹤，并實現一系列的連續測距；然后對信號進行解調，將信號轉為導航使用的電文。在整個過程中，需要保持數據信息獲取的實時性，因此需要設計液晶顯示電路，其位置結構如圖8所示。

圖8　液晶顯示電路位置結構圖

實時數據的顯示使用LCD液晶顯模塊，由電源直接供電，并使用STC89C52單片機進行控制。LCD數據顯示的流程如圖9所示。

圖9　實時顯示模塊流程圖

圖9中，通過對LCD的初始化，設置顯示地址，然后在相應地址內顯示發送的數據。本研究選擇東-北-天作為導航坐標系，記為n系，將載體坐標記為b系。在n系中，重力加速度和地球自轉角速度的矢量表達式為

gn=[00-g]T

(2)

(3)

其中，L表示地理緯度。在理想的條件下有

(4)

其中，Vi=[V1i,V2i,V3i]表示向量L在坐標系i中的投影，則

(5)

在定位時，利用坐標系中的速度和加速度數值進行組合，求解坐標系的轉換矩陣，構造矩陣V=[g wieg×wie]，于是可得

(6)

對于采摘機器人定位需要使用質心算法，其原理比較簡單，定位原理如圖10所示。

圖10　采摘機器人質心定位示意圖

圖10中，4個圓為GPS觀測信號，三角形為實際位置。根據質心定位算法，其質心的表達式可以寫成

(7)

(8)

觀測站位置(xi,yi)可以利用GPS測定，當觀測站位置為N個時，質心位置的表達式為

(9)

通過對質心的定位，可以使機器人沿著既定的路徑行駛，并且利用GPS定位可以有效地躲避障礙物，達到精確控制的目的，提高采摘作業的精確性。

3采摘機器人定位性能測試

為了驗證單片機和GPS定位功能的可靠性，將黃瓜采摘機器人上裝載了單片機和GPS定位系統，并將其在黃瓜采摘實驗日光溫室內進行性能測試。測試場地如圖11所示。

利用GPS定位系統和單片機可以對采摘機器人的移動路徑進行控制，使機器人沿著如圖11所示的標線行駛，達到精確定位的目的，其采摘過程如圖12所示。

圖11　采摘機器人測試場地

圖12　機器人自主導航測試

采摘對象為黃瓜采摘，為了使機器人能夠沿著標線路徑行駛，使用GPS對純目標方位進行軌跡跟蹤，通過軌跡跟蹤得到了如圖13所示的跟蹤曲線。

圖13　目標路徑跟蹤軌跡

由圖13可以看出：利用單片機和GPS定位可以較為精確地對采摘目標路徑進行跟蹤，其跟蹤誤差如圖14所示。由圖14可以看出：使用GPS定位后的誤差要明顯小于不使用GPS定位，使用GPS后的誤差分析圖例如圖15所示。

圖15中，包括X方向和Y方向的誤差。由圖15可以看出：其定位誤差都控制在100mm以內的范圍，控制精度較高，可以使機器人沿著既定路徑行駛，實現了采摘機器人的GPS定位功能。

圖14　誤差對比結果

圖15　跟蹤誤差分析圖例

4結論

本文提出了一種新的基于單片機和GPS定位方法的采摘機器人自主導航系統。該系統利用GPS實時的接收衛星發送信息，通過RS232傳送給單片機，對數據進行處理，調整機器人的移動路徑，從而實現了采摘機器人的自主導航能力。同時，該系統克服了導航定位的使用限制，顯著提高了采摘機器人自主導航的效率和精度，改善了機器人的使用性能。

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Design of Autonomous Navigation Picking Robot Based on MCU and GPS Positioning

Ge Junshan

(School of Electrical and Automation Engineering, Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

Abstract：In order to improve the level of intelligent control and autonomous navigation ability of picking robot, the application limits and performance of robot are improved, and a new method is proposed based on single chip microcomputer and GPS. In this method, the time, latitude and longitude, and the height of the received satellite launched by GPS are transmitted to the SCM. The time and position of the GPS are processed by RS232. In the experiment, the autonomous navigation performance of the robot was tested, and the results show that the precision of the target path can be tracked by the single chip microcomputer and GPS positioning.

Key words：picking robot; GPS location; autonomous navigation; path planning; single chip microcomputer

中圖分類號：S225；TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0237-05

作者簡介：葛君山(1965-)，男，江蘇如東人，副教授，(E-mail)1965gjs@sina.cn。

基金項目：江蘇省高校實驗室研究會研究課題(GS2015YB22)

收稿日期：2015-09-14