基于嵌入式监控的双差速驱动果蔬采摘机器人设计

杨小庆

(重庆工商职业学院，重庆　400052)



基于嵌入式监控的双差速驱动果蔬采摘机器人设计

杨小庆

(重庆工商职业学院，重庆400052)

摘要：为了提高采摘机器人的转弯性能和自动寻迹能力，利用双差速驱动系统建立了速度协同约束的非线性运动模型，并进行了线性优化，提出了一种基于嵌入式监控图像采集反馈信息的闭环控制模型，提高了采摘机器人移动和转弯寻迹的灵活性。针对采摘机器人双差速的路径寻迹问题，建立了机器人输入、输出的非线性运动模型，并分析了冗余运动约束和系统运动约束条件，通过控制姿态偏差和距离偏差，结合嵌入式监控系统的反馈信息，实现机器人移动和寻迹的反馈调节。对采摘机器人的采摘性能进行了测试，测试项目主要包括寻迹能力和路径规划的耗时。通过测试发现，机器人可以实现较高精度的路径寻迹功能，路径规划耗时短，系统稳定性好。

关键词：双差速驱动；嵌入式系统；图像采集；路径规划；闭环控制；采摘机器人

0引言

在果蔬采摘机器人的驱动系统设计过程中，机器人的转弯性能和寻迹能力是设计的核心问题，采用双差速驱动来控制采摘机器人的移动是一种典型的非完整系统，该控制系统具有强耦合性和非线性等特点，其控制问题受到了国内外专家和学者的广泛关注。四轮驱动采摘机器人和两轮驱动相比，控制模型更加复杂，耦合也更加严重。四轮驱动主要采用双差速驱动系统实现机器人的全向运动，其运动灵活，不受非完整约束；但其摩擦因数小、承载能力有限，因此其设计较为困难。本研究针对双差速驱动系统的非线性和冗余运动约束问题，首先建立了速度协同运动的非线性运动模型，并进行了线性优化，提出了一种基于嵌入式监控图像采集反馈信息的控制系统，对采摘机器人移动性能的改进具有重要的意义。

1驱动系统总体设计

采摘机器人的双差速驱动部分主要由4个三相步进电机和驱动结构组成，步进电机驱动前后轮，推动机器人前进和后退，驱动左右轮的速比，实现机器人的转弯。为了提高采摘机器人转弯的灵活性，将传统的双轮结构改为平面轴承，从而降低了采摘机器人结构的复杂度，驱动电机通过齿轮和轴带动轮旋转，其结构如图1所示。

图1　双差速驱动结构示意图

步进电机的转速可利用脉冲信号的频来改变，实现较高精度的调速。利用对电机施加不同的脉冲信号，可以实现采集机器人的前进、后退、左转、右转和调头功能。双差速驱动系统可实现机器人在任意半径下的转弯，也可以实现原地旋转，转弯的速度可利用单片机程序进行控制，方便简单。采摘机器人服务器系统结构如图2所示。

采摘机器人的Internet 服务器主要由服务程序、服务数据库和通讯模块组成；机器人控制服务器主要由主控模块、图像采集模块和通信模块组成，其核心是一台Windows XP系统的计算机。计算机装有通信控制卡、图像采集卡等硬件，利用这两层服务器可以非常好地分离网络信息处理模块和机器人硬件控制模块，提高了控制系统的灵活性和可靠性。

图3为采摘机器人的控制系统框架结构图。控制系统采用C/S和B/S混合模式，提高了系统的灵活性，图像监控采集系统和远程网络系统利用嵌入式控制板来实现，集成在采摘机器人中，降低了系统的规模和系统成本。通过无线传感网络提高了机器人对环境的感知能力，利用标准化接口提高了系统的扩展能力，可以利用扩展卡和USB接口来实现外部设备的扩展，各功能单元可以独立运行，也可以并行工作。

图2　采摘机器人服务器系统结构

图3　采摘机器人控制系统结构框架

2双差速驱动系统设计

嵌入式监控系统控制的双差速采摘机器人主要利用采集图像信息对转速进行控制，当左右两轮的转速不同时，可以实现转弯功能；当两轮转速相同时，实现直线行驶功能。假设驱动模块两轮的速度差为Δvf和Δvr，则4个驱动轮的速度模型可以表示为

(1)

前后驱动的角速度可以写成

(2)

假设前后驱动模块的质心速度vf和vr在x轴和y轴上的投影分别为vfx、vrx、vfy、vry，其表达式为

(3)

则采摘机器人的姿态偏差导数可以表示为

(4)

综合式(3)、式(4)可得

(5)

因为前后驱动模块在y轴方向的速度相同，于是可以得到

vfy=vry

(6)

将式(3)带入式(6)可得

vfcosθf=vrcosθr

(7)

(8)

利用嵌入式监控系统的反馈信息可以对采摘机器人驱动模块进行控制，系统的硬件系统主要由5个组成部分，包括USB无线卡模块、USB摄像头模块、内部控制和传感器模块、运动控制模块和主控模块，其框架结构如图4所示。

图4　系统硬件结构框图

嵌入式监控系统的控制核心为S3C2410微处理器，操作系统采用Linux系统，主控板上连接USB无线网卡，利用无线路由将机器人键入Internet；图像采集由USB摄像头来完成，获取采摘环境信息，机器人内部和运动信息由传感器采集提供给机器人，其得到环境和自身内部反馈信息后，利用主控模块控制机器人的移动，其中运动模块的设计框架如图5所示。

图5　运动和内部传感模块控制框图

控制板的布线方式为双层布线，电机调速的接口为8个，传感器接口为6个，数字接口通道为2个，可以对监控系统采集图像进行传输；运动和内部传感模块利用数据串口与主控板连接，利用自定义的命令接口进行通讯服务，最终将硬件系统进行底层封装，完成采摘机器人控制系统的设计。

3双差速驱动果蔬采摘机器人性能测试

为了验证本次研究设计的双差速果蔬采摘机器人的性能，对其沿轨迹行驶的性能进行了测试，测试项目主要包括直线行驶和转弯行驶性能。测试过程的场景如图6所示。

测试对象为草莓采摘，给定机器人预设轨迹路线，利用嵌入式监控系统对路线进行轨迹跟踪，通过测试得了双差速采摘机器人的轨迹跟踪结果如图7所示。

图7中，实线部分表示果蔬采摘机器人的实际移动路径，虚线表示机器人双轮的运动轨迹。由图7可看出：利用嵌入式监控系统对双差速机器人进行控制后，机器人双轮可以严格地按照跟踪轨迹行走，其轨迹和预定跟踪轨迹平行，在转弯处行走精度也很高，从而验证了本次研究设计的采摘机器人的可靠性。

图6　双差速果蔬采摘机器人测试场景

图7　轨迹跟踪测试结果

表1为传统机器人和嵌入式监控系统机器人路径跟踪耗时的测试结果对比表。由表1可以看出：利用嵌入式监控系统可以大大提高双差速机器人路径跟踪的速度，缩短了路径跟踪的耗时，从而提高了果蔬菜采摘的效率。

表1机器人路径跟踪耗时测试结果表

Table 1Time-consuming test result table of robot path tracking

min

4结论

1)利用嵌入式监控系统集成化模式，采用双差速驱动控制系统设计了一种具有自主寻迹能力的移动式采摘机器人，并建立了控制姿态偏差和距离偏差的协同运动模型，从而大大提高了采摘机器人移动和转弯的灵活性。

2)对设计的采摘机器人的性能进行了测试，测试项目包括自主寻迹能力和路径规划耗时。通过测试发现：利用嵌入式监控系统对双差速机器人进行控制后，机器人双轮可以严格地按照跟踪轨迹行走，寻迹精度高，大大提高了双差速机器人路径跟踪的速度，缩短了路径跟踪的耗时，从而提高了采摘机器人的工作效率。

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Design of Double Differential Drive for Fruit Picking Robot Based on Embedded Monitoring

Yang Xiaoqing

(Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 400052， China)

Abstract：In order to improve the performance and the ability of automatic tracing of the picking robot, a new nonlinear motion model is established by using the double differential drive system. For this problem, the nonlinear motion model of the robot's input and output is established, and the redundant motion constraints and system constraints are analyzed.And the feedback information of the embedded monitoring system is realized by controlling the attitude error and distance deviation. Finally, the performance of the picking robot is tested. The test items include the searching ability and the path planning. Through the test, it is found that the robot can achieve higher precision of the path function, the path planning is short, and the system stability is good.

Key words：double differential drive; embedded system; image acquisition; path planning; closed-loop control；picking robot

中图分类号：S225；TP242

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0117-04

作者简介：杨小庆(1984-)，女，湖北宜昌人，讲师，硕士，(E-mail)yangxiaoqing1984@qq.com。

基金项目：重庆市教委自然科学基金项目(KJ131416；2.江苏省企业研究开发项目(CW2013-RD04，CW2014-RD06)

收稿日期：2015-08-23