采摘機器人智能化控制系統設計研究—基于嵌入式系統和物聯網

唐靈飛,張戰杰, 任興濤

(洛陽職業技術學院,河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著計算機技術和微電子技術的迅速發展,嵌入式系統應用領域越來越廣泛。嵌入式系統具有體積小功能強的特點,可以將計算機很多功能集成在系統芯片上,將硬件和軟件集于一體,出色地完成各種控制任務。采摘機器人是當前農業生產過程中開始采用的一種新型的自動化農機設備,由于其定位和控制系統的精度還不高,因此在作業過程中難免會出現作業質量差、效率不高的情況。如果將嵌入式系統引入到采摘機器人的控制系統的設計上,不僅可以進一步減小采摘機器人的體積和提高控制的精度,對于提高其智能化控制水平也具有重要的現實意義。

1 采摘機器人智能化控制

在采摘機器人的設計時,由于其體積較小、質量較輕,不能攜帶太多硬件設備,因此可以引入嵌入式系統。嵌入式系統具備計算機的功能,可以集軟件和硬件于一體,獨立完成相關任務。ZigBee無線傳感網絡是物聯網最常使用的網絡之一,在果蔬采摘區域可以利用ZigBee網絡實現采摘機器人和遠程端的通信及采摘機器人的遠程控制。嵌入式系統及總體框架如圖1所示。

圖1 嵌入式系統框架結構

嵌入式系統包括嵌入式硬件平臺、嵌入式應用軟件及嵌入式操作系統,其中嵌入式硬件平臺又由嵌入式外圍設備和嵌入式處理器組成。嵌入式系統可以和無線傳感網絡一起使用,無線傳感網絡可以直接部署在果園或者大棚內的待采摘區域,通過多跳自組織網絡實現無線通信,其網絡模型示意圖如圖2所示。

圖2 無線傳感器網絡布置示意圖

通過無線傳感網絡的布置,可以實現待采摘區域內果實和果樹的信息感知、采集和處理。在與遠程端進行通信時,可以通過網關設備接入遠程監控網絡,對于傳統的Internet網,可以使用Http協議接入;接入網絡后,遠程端可以對采摘區域內的采摘機器人實時作業情況進行監測,還可以對采摘機器人發出控制指令,實現智能化控制。

2 采摘機器人定位和智能化控制系統設計

采摘機器人作業時,首先要對待采摘區域進行定位,特別是定位待采摘的植物,如果采用基于距離的定位方式,受到采摘環境復雜性的干擾,有可能造成定位誤差。利用物聯網技術的三邊測量方法,可以實現待采摘區域的準確定位,這種方法受環境的干擾較小,通過布置傳感器節點,可以使采摘機器人迅速地對采摘區域進行定位,其原理如圖3所示。

圖3 三邊測量定位原理

圖3中,根據三邊測量法的基本原理,傳感器節點A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)3個節點的位置已知,D(x,y)是未知節點,未知節點與參考節點之間的距離用d1、d2、d3來表示,則其距離公式為

(1)

用前兩個方程分別減第三個方程,將方程組線性化為

AX=b

(2)

其中

(3)

X=[x,y]T

根據公式采用最小二乘的方法,最終可以得到未知節點的位置,如果要確定多個未知節點,可以采用極大似然估計的方法。假設已知n個參考節點的坐標分別為(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn),它們到未知節點(x,y)的距離分別為d1,d2,…,dn,則有

(4)

用方程組中前n-1個方程減去第n個方程,將方程組線性化為

AX=b

(5)

其中

(6)

X=[x,y]T

用最小二乘法求解方程組,可以得到位置節點的坐標,定位到節點坐標即采摘區域后,便可以對果實進行采摘作業。在采摘作業的過程中,可以利用無線傳感網絡對實時作業情況進行監測,其原理如圖4所示。

圖4 遠程監測和智能化控制示意圖

在采摘機器人作業過程中,采摘機器人的作業狀態由傳感器采集信息后將信號通過無線傳感網傳送給處理器和遠程端,處理器根據采集信息發出反饋調節信號,遠程端根據采摘機器人的實時作業情況來發出控制指令,控制機器人的動作。根據采摘機器人監測和智能化控制的原理,設計了系統的硬件和軟件平臺,如圖5所示。

圖5 系統硬件和軟件平臺設計

為了實現無線傳感網絡和遠程端的通信需要使用網關,網關平臺在S3C2440A芯片及其擴展模塊上移植Linux操作系統,利用操作系統提供的TCP/IP協議棧,部署Http服務器,便可以在遠程端對無線傳感網絡的數據信息進行瀏覽,實際應用時還需要采用串口驅動與Sink節點通信。遠程端與無線傳感網絡建立通信后,可以發送指令控制采摘機器人的動作。

圖6為控制模塊的設計示意圖。

圖6 控制模塊示意圖

控制的過程可以采用遠程控制、反饋控制和按鍵控制3種形式。其中,遠程控制主要由遠程端發送指令通過無線傳感網絡傳送給PLC控制,PLC控制直流伺服電機運轉,反饋調節由處理器直接根據反饋信息對PLC發出指令;當需要現場對采摘機器人進行干預時,可以采用按鍵的形式,3種控制方式可以實現采摘機器人動作的智能化控制。

3 播種機自動監測系統性能測試

目前,由于采摘機器人的設計技術還尚未成熟,在采摘機器人作業過程中,經常會遇到定位不準、控制精度不高導致的漏采或過失破損等情況,特別是對于一些較難采摘的果實,如西紅柿。西紅柿采摘機器人作業示意圖如圖7所示。

圖7 番茄采摘機器人

圖7為日本研發的番茄采摘機器人。在采摘機器人作業過程中,經常會遇到漏采和破損的情況,仿照該機器人的控制系統,本研究主要對采摘機器人的定位和采摘控制過程進行改進,然后利用無線傳感網絡實現遠程通信功能。首先對遠程通信功能進行測試,測試對象主要是響應時間和丟包率的測試,其統計結果如表1所示。

表1 無線傳感網絡響應時間和丟包率測試

由表1可以看出:采用無線傳感網絡的節點響應時間較短,通信效率較高,通信的丟包率也較小,可以滿足較高質量的通信需求。對其定位精度進行了測試,得到了如表2所示的測試結果。

表2 定位誤差測試對比

由表2可以看出:采用基于物聯網的三邊定位方法和直線測距方法的定位誤差都在10%以內,基于物聯網的定位誤差要明顯比直線測距要小,從而驗證了該方法的可靠性。

如表3所示,對使用無線傳感網絡和不使用無線傳感網絡時果實的破損率進行了對比,結果表明:采用無線傳感網絡后破損率有了明顯的降低。這是由于采用無線傳感網絡可以對采摘機器人的作業情況進行實時監測,當發現在采摘機器人作業過程中有果實破損時,可以采用遠程控制的方式,對采摘機器人作業姿態進行調整,從而提高采摘機器人的作業質量。

表3 破損率對比結果

4 結論

為了提高采摘機器人控制系統的控制精度和效率,提升采摘機器人的智能化程度,將嵌入式系統和物聯網技術引入到了采摘機器人控制系統的設計上,利用三邊測量和無線傳感網絡控制分別提高了采摘機器人的定位精度和控制質量。為了驗證方案的可行性,以西紅柿的采摘作業環境為測試環境,對采摘機器人的定位精度以及作業效率和質量進行了測試。測試結果表明:采摘機器人的定位精度和作業效率較高,且果實的破損率較低,可以滿足高精度采摘的設計需求。