基于足球比賽命中率遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控設(shè)計(jì)

鄢先友

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院,鄭州 450011)

0 引言

源于多種控制算法與控制機(jī)理的融入,用數(shù)學(xué)準(zhǔn)確規(guī)劃與視覺(jué)識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器的無(wú)人化自動(dòng)采摘,是我國(guó)近年來(lái)的重要突破之一。翻閱大量資料可知,為有效控制采摘?jiǎng)幼?大多數(shù)專家學(xué)者采用機(jī)械自由度控制及傳感器感應(yīng)原理進(jìn)行展開(kāi)設(shè)計(jì)研究,但對(duì)于動(dòng)作的監(jiān)控與執(zhí)行準(zhǔn)確度方面研究較少。為此,利用足球比賽命中率的規(guī)律與方法,包含足球運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性的控制、迅速完成踢球動(dòng)作的技巧及足球比賽過(guò)程中突發(fā)性與隱蔽性發(fā)揮動(dòng)作等,對(duì)采摘的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控,以采摘?jiǎng)幼鲌?zhí)行過(guò)程中各部件的協(xié)調(diào)配合為設(shè)計(jì)手段,對(duì)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了探討。

1 遠(yuǎn)程采摘原理及結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人的采摘原理建立在人工采摘果蔬的基礎(chǔ)上,即通過(guò)多樣化的傳感采集功能,經(jīng)圖像處理與識(shí)別后轉(zhuǎn)換傳輸至采摘機(jī)器人的中心控制部位,驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械臂進(jìn)行采摘?jiǎng)幼?具有良好的通用性與可控性。圖1為某農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人作業(yè)場(chǎng)景。其主要結(jié)構(gòu)包含提供機(jī)器人行走與采摘作業(yè)的動(dòng)力源裝置、可編程調(diào)節(jié)的控制器系統(tǒng)、由視覺(jué)和觸覺(jué)得到準(zhǔn)確識(shí)別的傳感器控制系統(tǒng)及采摘驅(qū)動(dòng)裝置(執(zhí)行動(dòng)作的機(jī)械臂)等。

圖1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人作業(yè)場(chǎng)景圖

一次完成的采摘?jiǎng)幼髁鞒炭杀硎鰹?首先,采摘機(jī)械臂進(jìn)行位姿調(diào)整至初始位置,當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到果實(shí)的實(shí)際位置信息時(shí),采摘機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)與夾持機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)始動(dòng)作;待傳感控制系統(tǒng)的壓力傳感器達(dá)到一定的閾值,便傳遞信號(hào)至采摘機(jī)械臂進(jìn)行果實(shí)的切斷;隨后進(jìn)行果實(shí)安放流程與夾持機(jī)構(gòu)復(fù)位等環(huán)節(jié)。采摘機(jī)器人動(dòng)作流程如圖2所示。

2 足球命中率機(jī)理下的采摘監(jiān)控設(shè)計(jì)

2.1 采摘理論模型建立

為充分實(shí)現(xiàn)足球比賽命中率與遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控的有效融合,首先明確足球命中機(jī)理的核心控制概念。在足球比賽中,足球命中率高的區(qū)域被稱之為危險(xiǎn)區(qū)域。考慮足球比賽球員射門角度的多樣性不可預(yù)見(jiàn)性,足球的命中率簡(jiǎn)要定義為:足球射門的角度與足球場(chǎng)地的最大射門角度的比值。依據(jù)足球比賽射門命中機(jī)理建立如圖3所示的足球比賽運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)平面直角坐標(biāo)系。

圖2 采摘機(jī)器動(dòng)作流程簡(jiǎn)圖

圖3 足球比賽運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)學(xué)平面建模

由圖3可知,選取地面為xOy面,平面π為球門所在平面,表示為yOz面,t為射門足球經(jīng)歷時(shí)間,則對(duì)于足球場(chǎng)任意一點(diǎn)A(x0,y0,0)射球入門的命中率為

(1)

其中,對(duì)于足球場(chǎng)任意一點(diǎn)A(x0,y0,0),球門的威脅度為

(2)

進(jìn)一步將足球比賽的關(guān)鍵動(dòng)作分解,得到如表1所示的足球比賽命中目標(biāo)下的關(guān)鍵動(dòng)作與功能,主要包括助跑、支撐腳站位、踢球腳擺動(dòng)、腳觸球及踢球后隨前動(dòng)作等。

表1 足球比賽命中目標(biāo)下的關(guān)鍵動(dòng)作表

根據(jù)智能采摘?jiǎng)幼魈攸c(diǎn)與足球關(guān)鍵動(dòng)作的相似相控關(guān)系,利用圖像與動(dòng)作的處理與銜接,設(shè)定x(n,p)為采摘機(jī)器人控制變換尺度單元,S(n,p)為采摘機(jī)器人控制變換相關(guān)性系數(shù),建立遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人的監(jiān)控理論模型為

(3)

在足球比賽命中率理論控制下的采摘模型中,設(shè)計(jì)出遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)的核心框架,如圖4所示。工作中,通過(guò)視頻采集設(shè)備進(jìn)行信號(hào)識(shí)別與處理后送至由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器系統(tǒng)組成的數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng),再由嵌入式控制指揮動(dòng)作系統(tǒng)發(fā)送到遠(yuǎn)程采摘監(jiān)控的終端顯示控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)監(jiān)控作業(yè)全程視頻顯示、信息實(shí)時(shí)更新與音頻信號(hào)的準(zhǔn)確捕捉與調(diào)節(jié)。

2.2 軟件監(jiān)控系統(tǒng)建立

足球命中率控制機(jī)理下的遠(yuǎn)程智能采摘監(jiān)控,需匹配完整合理的采摘信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理方法,故以監(jiān)控界面顯示、應(yīng)用邏輯控制和監(jiān)控服務(wù)信息訪問(wèn)3個(gè)層次進(jìn)行流程梳理,如圖5所示。

圖4 遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

圖5 足球比賽命中率機(jī)理下的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

其中,A.SP.NETC#與CSSJavaScript間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相調(diào)用與共享,經(jīng)監(jiān)控服務(wù)信息訪問(wèn)模塊的信息獲取與數(shù)據(jù)服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)采摘監(jiān)控信息引用目標(biāo)。

對(duì)智能采摘的各個(gè)控制動(dòng)作進(jìn)行軟件后臺(tái)編碼分配與程序指令給定,此處編制遠(yuǎn)程采摘監(jiān)控系統(tǒng)的多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵程序代碼為:

……

int sockfd;

struct sockaddr_in_addr;

sockfd=socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);

if(sockfd<0)

{

printf(“0-”);

printf(“Socket Error ”);

exit(1);

}

bzero(&addr,sizeof(struct sockaddr_in));

addr.sin_family=AF_INET;

addr.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);

addr.sin_port= htonl(SERVER_PORT);

int nCn=bind(sockfd,(struct sockaddr*)&

addr,sizeof(struct sockaddr_in));

if(nCn<0)

{

exit(1);

}

udps_respon(sockfd,m_param.width,

m_param.height);

……

進(jìn)一步對(duì)遠(yuǎn)程采摘的監(jiān)控軟件系統(tǒng)步驟進(jìn)行合理劃分(見(jiàn)表2),依據(jù)主要作用的實(shí)現(xiàn)可劃分為7個(gè)主要實(shí)施步驟。其中,加密模塊與安全模塊是在一站式信息監(jiān)控模型下的附屬,其存在可有效保證智能采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

表2 遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控軟件系統(tǒng)主要步驟設(shè)置

續(xù)表2

2.3 硬件配置控制設(shè)計(jì)

在采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件配置環(huán)節(jié),關(guān)鍵在于選型與組裝:CMOS攝像裝置作為主要的采摘果實(shí)圖像輸出裝置,RFID讀卡裝置、USB攝像裝置和TFTLCD共同組成DM3730型信息交換裝置,并在DM9000C網(wǎng)卡的連接下,應(yīng)用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC的終端準(zhǔn)確實(shí)時(shí)化顯示,其配置連接如圖6所示。

圖6 足球命中率機(jī)理下遠(yuǎn)程采摘監(jiān)控系統(tǒng)配置連接圖

3 采摘監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 條件設(shè)置

針對(duì)足球比賽命中率機(jī)理下的遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控試驗(yàn),數(shù)據(jù)交互與處理進(jìn)行如下設(shè)置:

1)采摘實(shí)時(shí)監(jiān)控界面與圖像服務(wù)功能交互;

2)采摘實(shí)時(shí)監(jiān)控界面與數(shù)據(jù)服務(wù)接口交互;

3)采摘監(jiān)控系統(tǒng)歷史服務(wù)器與數(shù)據(jù)服務(wù)接口交互;

4)采摘監(jiān)控系統(tǒng)歷史服務(wù)器與其他高級(jí)服務(wù)接口交互;

5)數(shù)據(jù)服務(wù)接口與數(shù)據(jù)指令解析服務(wù)交互等。

3.2 試驗(yàn)分析

以一組采摘?jiǎng)幼鳛樵囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn),基于足球比賽命中率的采摘機(jī)器人作業(yè)監(jiān)控試驗(yàn)主要過(guò)程圖像監(jiān)控抓拍。試驗(yàn)時(shí),從采摘機(jī)器人的初始定位入手,經(jīng)過(guò)路徑的找尋與規(guī)劃調(diào)整,達(dá)到果實(shí)的采摘?jiǎng)幼鲌?zhí)行,包括吸附與夾持及切斷,最終實(shí)現(xiàn)采摘果實(shí)的指定化安放與采摘機(jī)構(gòu)的卸果復(fù)位。

在選擇采摘機(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定范圍內(nèi)(250～300r/min)進(jìn)行采摘的遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗(yàn),得出如表3所示的關(guān)鍵采摘評(píng)價(jià)指標(biāo)。由表3可知:足球比賽命中率機(jī)理被應(yīng)用于采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),采摘時(shí)間可提升0.04s,與之前采摘速度保持一致;由于足球命中率技術(shù)的融入,采摘作業(yè)的采摘損傷率大幅度降低,由設(shè)計(jì)前的0.53%降至0.26%,采摘成功率由設(shè)計(jì)前的92.42%提高至94.29%,這說(shuō)明設(shè)計(jì)可行且改善效果明顯。

表3 基于足球命中率的遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1) 通過(guò)理解足球賽場(chǎng)上的射門命中率原理,依據(jù)采摘機(jī)器人采摘?jiǎng)幼骺刂平Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn),將兩者融合對(duì)遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2) 建立合理的足球比賽命中率控制方法下的采摘監(jiān)控理論模型,并進(jìn)行軟件系統(tǒng)后臺(tái)指令控制和硬件采摘控制設(shè)施匹配,實(shí)現(xiàn)了完整采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3)試驗(yàn)結(jié)果表明:結(jié)合足球命中率的采摘監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),采摘的綜合效率可提升1.69%,可為其他農(nóng)用智能設(shè)備的改善與優(yōu)化提供參考和借鑒。