果蔬采摘机器人行走运动控制系统设计_基于磁导引

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1、2015年6月农机化研究第6期果蔬采摘机器人行走运动控制系统设计—基于磁导引陈姗姗，尹建军，陈树人(江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏镇江212013)摘要:为实现果蔬采摘机器人作业时自主行走，研究采用磁导引技术和PID算法等实现对预定路径的跟踪。以磁导引传感器作为导航传感器，在果蔬采摘机器人平台上搭建转向控制机构，依据磁导引传感器工作特性，提出PID算法作为导引算法。根据导引传感器得到机器人当前位置相对于导引磁条的距离偏差，作为PID控制器的输入，将机器人前轮期望转角和车体期望速度作为输出，在MatLab中对算法进行圆曲线跟踪仿真。仿真结果表明:机器人可快速跟踪

2、到预定路线，跟踪误差在±30mm以内，直线段稳定状态误差在±5mm以内。关键词:果蔬采摘机器人;电磁导引;PID算法;行走系统;路径跟踪中图分类号:TP24文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)06－0081－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.06.0200引言1果蔬采摘机器人平台设计果蔬采摘是农业生产重要环节，是整个果蔬生产1．1平台结构过程中消耗精力与时间最多的一环，需投入的劳动力果蔬采摘机器人平台由抓取装置、控制系统、视［1］占全部生产流程40%以上。目前，关于机器人行觉定位和导航系统，行走系统等构成，如图1所示。走自主导引系

3、统虽然有了一定的研究，但还远不能应用于实际工作环境中。1950年，由美国首次研制出来电磁导航技术，因为其控制简单、抗干扰能力强和应［2］用年限长，得到了广泛的发展。日本研制的磁导引式果蔬自主植保机，在工作环境中安设磁条，实现机［3］器人在果园内沿磁条自主行走。中国农业大学的宋健基于电磁导引方式，开发了多种磁导引式农业喷药机器人。实验表明，该导引方式下的机器人在直线跟踪和地头转向时实验效果良好，但还不能在实际中［4］运用。开展基于磁导引的果蔬采摘机器人运动控制研究对于农业设备智能化研究以及精细农业的发展都具有重要意义。为此，综合自动控制、传感器技术、智能控制算图1果蔬采摘机器人平

4、台法，设计开发了一套基于磁导引的果蔬采摘机器人行Fig．1Fruit－pickingrobotplatform走运动控制系统，实现果蔬采摘机器人对预定路径的1．2行走系统硬件平台设计跟踪。磁导引行走系统模块分布图如图2所示，硬件设计如图3所示。系统采用的PLC模块是松下的FPG－PN4AN模块，配备扩展单元FP0－E32T和FPG－收稿日期:2014－06－22基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2010AA101402);江苏高校C24Ｒ;外围电路包括传感器检测模块、电机驱动模块、优势学科建设项目(苏财教(2011)8号)转向控制模块和电动推杆控制模块。作者简介:陈珊珊(1

5、989－)，女，安徽安庆人，硕士研究生，(E－mail)工作时，主控器PLC实时采集磁导引传感器信chenshanshan504@126．com。通讯作者:陈树人(1965－)，男，湖南攸县人，教授，(E－mail)srchen@息，并将导航信息发送给上位机。上位机通过Lab-mail．ujs．edu．cn。VIEW软件对采集到的信息进行分析处理，然后将控·81·2015年6月农机化研究第6期制指令传送给PLC控制器。由PLC系统根据控制指cosα0éùéù令对执行机构(即转向和左右驱动电机)进行控制，结·êsinαúê0úT=êúvb+êúωm(1)合电动推杆的控制，实现机器

6、人基于电磁导航的前轮êtanδ/Lúê0úëûëû自动纠偏转向和后轮差速转动。01其中，vb为车体中心线速度，ωm为中心线处的角速度。1．超声波传感器2．磁导引传感器3．随动轮4．转向连杆机构5．右后轮驱动电机6．右驱动轮图4简化车辆模型7．减速器18．左后轮驱动电机9．减速器210．左驱动轮Fig．4Simplifiedvehiclemodel11．转向轮驱动电机12．减速器313．转向轮图2磁导引行走系统模块分布图2导引控制系统设计Fig．2Magneticnavigationrunningsystemmodeldistributiondiagram2．1系统原理机器人电磁

7、导航的控制结构是以PLC和上位机为主控中心，由左前轮转角、左右后轮转速和路径检测组成的一个闭环系统。该系统的输入是车体运动轨迹与导线比较后确定的车体姿态偏差，通过控制算法确定中心线期望转角和后轮转速，并转化为左前轮电机、电动推杆和左右后轮电机控制量，输出控制前轮转角、电动推杆行程和后轮转速。导引控制系统原理图如图5所示。图3行走控制系统硬件设计图5控制系统原理图Fig．3DesignofwalkingcontrolsystemhardwareFig．5Controlsystemblockdi