農業采摘機器人控制系統的構成和設計分析

王慰慰

【摘 ?要】在我國大力發展農業現代化的過程中，為有效提高農業采摘效率，減輕工作人員的勞動強度，可以選擇使用農業采摘機器人進行機械化操作。在這一背景下，本文將以農業采摘機器人作為主要研究對象，在闡明農業采摘機器人控制系統基本構成的基礎上，結合相關研究資料嘗試設計一種高效的農業采摘機器人控制系統。

【關鍵詞】農業采摘機器人;控制系統;系統設計

引言

在設計使用農業采摘機器人的過程中，需要重點對其控制系統進行優化設計，使得農業采摘機器人可以根據實際需要靈活控制采摘運動動作，高效、精準地完成農業采摘工作，避免在采摘過程中對果蔬造成損壞，以此有效提升農業采摘整體成效，將人工采摘成本降至最低。因此對農業采摘機器人控制系統及其設計進行研究，具有十分重要的現實意義。

一、農業采摘機器人控制系統組成

越來越多的農業采摘機器人運用到農業生產中，如圖1 所示，通過機器人實現對番茄的采摘。本文所設計的農業采摘機器人控制系統，主要通過對采摘機械手進行靈活、精準控制，用以快速完成果蔬采摘工作。因此在該農業采摘機器人控制系統當中，主要包括負責設置具體目標，對農業采摘機器人行走路線進行規劃，并負責對執行任務指令進行準確下達，動態顯示數據采集圖像的主控制模塊，負責對農業采摘機器人在運動過程中所產生的各項信息數據進行實時自動采集的數據采集模塊以及利用人體仿真學使得農業采摘機械手可以模仿人手操作完成果蔬采摘動作的關節控制器。與此同時，在該農業采摘機器人控制系統當中，同時還包括數字信號處理器。

二、農業采摘機器人控制系統主要組成部分設計

（一）主要硬件設計

本文在設計農業采摘機器人控制系統的硬件部分中，選擇使用系統最小電路dsPIC30F4012，用以保障設備可正常運行。其主要組成構件包括時鐘與復位電路、測試電路LED等。除此之外，該農業采摘機器人控制系統的硬件電路中還包括電源模塊、串口模塊CAN總線通信模塊等，其中機器人的機械手各關節主要通過CAN模塊實現互聯互通。在本文設計的農業采摘機器人系統的硬件中，關節控制器作為其中極為重要的一項硬件，負責對機器人的采摘動作進行實時控制，以此有效保障機器人可以按要求完成果蔬采摘工作。因此在實際設計這一關節控制器時，除同樣使用系統最小電路外，還需設計專門的保護模塊、信號反饋電路等其他功能模塊。通過運用集成化技術將電壓比較器與運算放大器以及AD模塊組合在一起，構成一個完整的電流檢測電路，使得經由取樣電阻后的一路電機電流

可以轉換成電流反饋至被直接輸入至系統最小電路中的AD模塊中[1]。而另一路則可以直接輸入至電壓比較器中。一旦電樞電流超過規定電流值，電壓比較器將會立即中斷信號，此時所輸出的電平則相對較低，控制系統將自動向操作人員發送故障警報信號提醒其注意。

（二）通信傳輸設計

數據在進行傳輸過程中需要嚴格遵循通信協議規定，在本文設計的農業采摘機器人的上位機運動相關控制器中，設計通過運用插值運算以及軌跡規劃，對機器人各關節位置實際控制量進行統一明確。利用與之相對應的CAN總線，將計算得到的控制量依次傳輸至各對應關節控制器中。在農業采摘機器人傳感器當中所使用的關節電機，選用十二位磁感應方式。而農業采摘機器人控制系統中，主控機在與機械手、操作平臺等之間進行數據交互傳輸中，設計采用建立在TCP基礎上的無線網通信協議方式。通過對無線網物理層進行調用，并運用USB接口與RS-232串口等通信接口，在遵循該通信協議下使得農業采摘機器人控制系統可以自由進行數據的接收與發送。

（三）關鍵程序設計

1.傳感器數據采集程序設計

圖2展示的就是本文所設計的農業采摘機器人的傳感器構成，而在農業采摘機器人GPS定位模塊中，設計數據采集程序時，所有數據均需要利用串口傳輸至CAN智能節點中。

當程序開始運行時，首先需要判斷隊列是否為空，如果隊列為空則可以直接退出程序。否則需要從隊列中提取相應數據，當確定其接收到的數據幀頭為$GPRMC且數據真實有效后，便可以循環接收字符數據。此時如果數據為幀，則需要對數據長度進行檢驗。一般情況下要求傳感器接收得到的數據長度為81，在數據無任何異常情況下即可直接退出程序。反之該GPS模塊還需要對異常數據進行進一步處理，確保數據真實、完整[2]。而在設計INS測量模塊數據采集程序時，同樣需在隊列不為空的情況下，對其中的相關數據進行精準提取。在確認數據幀頭為0xAA后即可進入到接收數據的環節中。一般情況下，INS測量模塊采集得到的數據長度為21，但如果數據長度不為21，則系統需要重新進入數據接收循環，直至確定數據長度為21后再繼續下一步。

2.主控機應用程序設計

在農業采摘機器人控制系統的主控機應用程序中，設計建立以Socket為基礎的網絡連接，在將獲取的命令指令成功發送后，當下位機返回命令接收成功標識，即可從主控機應用程序中退出。但如果下位機并未有任何標識反饋，系統需對指令發送次數進行準確記錄，以此為基礎判斷是否需要重新發送命令指令。通常情況下，在命令指令發送次數不超過5次時，可以再次重新發送命令指令，并重新等待下位機返回命令接收成功標識，一旦系統發送命令指令的次數在5次以上，則需直接退出該程序。

結束語

在本文所設計的農業采摘機器人控制系統中，通過運用規范標準的CAN總線通信，可以有效提高數據傳輸安全可靠性，并科學配置各控制單元。而在標準C語言控制下，系統軟件結構層次得以更加清晰明確，有利于保障農業采摘機器人控制系統充分發揮自身控制性能，使得采摘機械手可以精準、快速完成果蔬采摘操作，進一步提高采摘成效。

參考文獻：

[1]馬鵬博.基于SLAM的農業采摘機器人運動控制系統設計[D].河南科技學院，2018.

[2]張文棟.釆摘機器人控制系統研究[D].北京林業大學，2015.

（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心）