農業采摘機器人控制系統的設計研究

馬鵬博，張帥亮，張向磊

(河南科技學院，河南新鄉，453003）

農業采摘機器人控制系統的設計研究

馬鵬博，張帥亮，張向磊

(河南科技學院，河南新鄉，453003）

隨著信息化和工業自動化水平的不斷提升，很多企業紛紛設計與制造各種類型的機器人，農業采摘機器人的出現讓人們驚嘆不已，獲得了廣泛的關注。筆者重點分析了農業采摘機器人控制系統的設計問題，希望能夠起到拋磚引玉的效果。

農業采摘機器人；控制系統設計

0 前言

我國農業耕地面積非常廣泛，采摘各種農業果實的勞動過程紛繁復雜。假如全部采取人工采摘，需要較高的勞動強度，且工作效率比較低、容易損壞果蔬。所以，為了更好地解決農業采取過程中缺乏勞動力，提升農業采摘的質量和效率，開發和設計農業采摘機器人具有重大意義。機器人的系統控制技術可以在很大程度上破解勞動力資源的缺乏問題、提升采摘活動的質量和效率，減少人工成本等。

1 農業采摘機器人機械手整體控制方案的設計

本文立足于當前機器人控制系統的相關研究成果，密切結合黃瓜采摘的相關需求，合理地設計采摘機械手的整體性控制系統，實現了其軟硬件設計的目的。

既可以采用PC機+PC機的實際控制設計模式，也可以運用PC機+運動控制卡的復雜設計模式，或者采用PC機+分布式控制卡的復雜控制模式。這也是設計機器人過程中常見的控制系統的結構。在探討上述多種類型的控制方案過程中，它們的優缺點也非常顯著，必須按照數字信號處理器（DSP）中的上位機運動控制器及下位機的分布式控制結構與多CPU要求，合理地采用有效支持實時控制與分布式控制的CAN總線通訊，從而更好地驅動相關關節的配合與協調。要分析農業采摘機器人的開發成本與周期，全面把握DSP的相關性能，四個關節控制器與運動控制器都選擇了Microchip企業制造的安裝了標準CAN控制器的相關dsPIC30F4012部件，當成它的核心處理器。在設計上位機運動控制系統，要設計其軌跡規劃、逆運動學計算、視覺系統、插補運算、末端執行器控制和下位機關節控制器方面的諸多通信任務等。從它的下位關節控制器來看，重點關注的是節電機的反饋信號處理與位置控制，能夠接收來自上位機的相關控制命令，向后者發送諸多關節的相關位置信息。

2 設計運動控制系統的硬件

從此處來看，硬件電路重點涵蓋了系統最小電路dsPIC30F4012、電源模塊、串口模塊CAN總線通信模塊與固態繼電器的相關控制模塊等多個諸多部分。其中，最小系統dsPIC30F4012是相關處理器提出的最低硬件要求，以確保設備能夠正常工作，它涵蓋了時鐘電路、復位電路、ICD2下載仿真電路、測試電路LED。此處的CAN模塊主要是完成機械手的諸多關節之間的相互通信，對此處的黃瓜采摘機器人的機械手而言，運用的是一點對多點的科學通信方式，四個關節控制器與上位機運動的相關控制器中的CAN模塊，都采取了CAN收發器MCP2551與dsPIC30F4012的相關內嵌標準。

3 關節控制器硬件設計

從此處來看，關節控制器重點是控制電機驅動與相關電機的具體位置。筆者設計的這個機器人以AS5045與dsPIC30F4012的磁旋轉的相關絕對值編碼器作為控制器的核心部分。因為相關關節存在著基本上相同的控制器電路，整體來看，關節控制器的相關硬件涵蓋了H橋驅動電路、最小系統dsPIC30F4012、信號反饋電路、保護與故障處理模塊、CAN總線通信模塊、AS5045轉角反饋等多個模塊。從它的電流反饋來看，是該機器人驅動裝置中必不可少的組成部分，它的電流檢測電路涵蓋了電壓比較器、運算放大器與AD模塊等內容。在電機電流通過了相應取樣電阻之后，其中一路變成了電流反饋值，被輸入到其中的dsPIC30F4012內的AD模塊；另外一路被輸入到其中的電壓比較器中，萬一電樞電流大于事先設定的數值，比較器就會中斷信號，輸出相應的低電平，通知使用者發生了系統故障。這個電路能夠發揮限流、電流檢測與過流保護等多個功能。

4 設計關節控制器軟件

首先是設計其總體軟件。筆者設計的關節控制器中，重點涵蓋看系統與諸多功能模塊的初始化子程序、CAN控制通信總線、電流環調節、A/D采樣中斷、位置環調節、AS5045電機轉角采集等在內的多個子程序等。再就是設計它的相關核心子程序。比如采集關節電機位置的相關子程序。從此處來看，將AS5045當成了反饋關節角具體位置的合適元件，它和主控芯片間借助同步串行接口，有效地傳輸相關數據。再就是設計位置環調節的相關子程序。從它的位置環的職能來看，重點是增加力矩電機自身的定位精度，確保電機達到相應的期望位置。在機器人開展工作的過程數據總線接口和數據存儲接口的低八位，P2接口的作用就是提供數據存儲的高八位，P2.7接口的作用就是控制隨機存儲器的片選信號，P3.6接口的作用就是控制隨機存儲器的寫入信息,P3.7接口的作用就是控制隨機存儲器的讀入信息，PSEN接口的作用就是控制只讀存儲器的輸出信息，同時確保只讀存儲器選通狀態常開。

由于只讀存儲器和隨機存儲器有著不同的控制指令和傳輸信息，所以這兩種元件可以使用同一根縱向。只讀存儲器中數據儲存地址空間為0000H-1FFFH，而隨機存儲器數據存儲地址空間為0000H-7FFFH。

RF418元件共有八個引腳，其中第四個引腳控制線路電源的開斷，如果其接地，那么元件則沒有電源供應，如果空開或者是和其他電源提供裝置相接，則元件通電。本文設計的無線傳輸系統中RF418元件第四個引腳為空開狀態。單片機的P1.O接口產生的控制指令控制RTS接口動作，P1.1接口發出的指令可控制CTS模塊動作，動作觸發的條件為低電平。單片機RXD引腳和模塊RX引腳相對應，單片機TXD引腳和模塊TXD引腳相對應。

3 軟件設計

3.1 PC機程序設計方法

本文設計的無線通信系統通信方式為雙向一對多，也就是一臺個人電腦可以和多臺單片機進行通信，一臺單片機也可以和多臺個人電腦進行通信。個人電腦將通信信息傳遞給單片機，單片機接受這些信息，并且對這些信息進行處理。個人電腦所傳遞的通信信息的大小為五字節，其中第一字節開始地址為FEH；第二個字節開始地址為EFH；第三個字節開始地址為00H，其作用就是進行信息傳遞單片機的標示；第四個字節開始地址為00H，其作用就是進行傳輸命令的接受和傳遞；第五個字節開始地址為FFH。當該指令傳輸給單片機后，單片機首先會提取第四個字節中所含信息，判斷其和自身地址是否相匹配，如果匹配成果則將SM2中的信息清除，如果匹配不成功，則將接受到的信息重新傳輸給個人電腦。之后在進行指令命令符的判斷和處理，若指令命令傳輸給從機，單片機就要利用從機進行指令程序的接受。如果指令命令符是由從機發出，那么單片機就要利用從機進行指令程序的發出。由于本文設計的無線傳輸系統沒有考慮信息傳輸的真實性，從機傳輸給上位機中的信息也不會傳遞給下位機。由于系統子程序對握手信息進行判斷，同時進行處理。通過觸發Timer事件的方法對個人電腦主機接受的數據進行查詢和判讀，利用單片機Out普通功能進行數據的發送。

3.2 通信模塊開發

本論文所設計的通信模塊需要完成一臺個人電腦向多臺單片機進行數據的發送和接受。由個人電腦將握手信息主動傳遞給單片機，之后由單片機對個人電腦傳遞過來的信息進行處理。握手信息大小為五個字節，每一字節都有不同的功能。地址FEH為握手信息的起始符，表示握手信息的第一個字節；地址EFH同樣也為握手信息的起始符，表示握手信息的第二個字節；地址OOH表示通信單片機地址，是握手信息第三個字節；地址OOH表示通信內容，是握手信息第四個字節；地址OOH表示個人電腦接受到的信息，是握手信息第四個字節；地址FFH表示握手信息的結束，是握手信息第四個字節。當握手信息由個人主機全部傳遞給單片機后，單片機就會提取第三個字節中信息，檢查信息接收地址和自身地址是否相符，如果信息接收地址就是自身地址的話，就將SM2位中的信息清空，之后分析接收信息中命令信息。如果命令信息由從機接受，那么單片機就要利用從機進行命令子程序的接收；如果命令信息由從機發出，那么單片機就要利用從機進行命令子程序的傳遞，同時個人電腦也需要進行數據接受和傳遞。由于本部分中缺少信息傳遞校驗模塊，從機中信息接受和傳遞數量無法從上位機傳輸給下位機，單片機R6中存儲了從機信息發出數量；單片機R7中存儲了從機信息接受的數量。外部隨機存儲器既要存儲從機數據發出數量，又要存儲從機數據接收數量，前者地址為000H-5FFFH，后者地址為6000H-7FFH.：

4 結語

無線技術的不斷進步，PC機與單片機的技術的發展促進了通訊事業的發展，而人們也對無線數據通訊提出了更高的需求，故而對PC機與單片機的無線通信技術進行持續不斷地研究是十分重要的。

[1]孫瑞杰,吳曉宇,張瑜,馬鐵華.用VB實現PC機與MSP430單片機串行通信的研究[J]. 計量與測試技術.2009(11).

[2]博文.妙用手機短信遙控PC[J].電腦知識與技術.2005(13).

Design and research of agricultural picking robot control system

Ma Pengbo，Zhang Shuailiang，Zhang Xianglei
(Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan,453003)

with the development of information technology and the continuous improvement of the level of industrial automation, many companies have the design and manufacture of various types of robots, agricultural harvesting robot let people marvel, has gained extensive attention. The author analyses the design of the robot control system of agricultural picking, hope to be able to play good effect.

agricultural picking robot; control system design