果树采摘机器人控制系统研究与设计

摘要

果树采摘机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能于一体的综合系统。研究果树采摘机器人关键技术，不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效益有着一定的实用价值，而且对于追踪世界农业新技术，加快我国农业现代化进程有着重要的现实意义。本课题在国家“863”高新技术发展计划基金(2006AA10Z254)的支持下，以果树采摘机器人为研究对象，对采摘机器人建模、控制方法与实时避障算法以及控制系统软、硬件设计等方面进行了研究。主要工作包括：
　　 1、果树采摘机器人运动学建模。通过对该机器人机械结构的分析，建立了摄像机模型和移动平台模型，采用几何结构算法，建立了果树采摘机器人正、逆运动学方程，为机器人控制奠定理论基础。
　　 2、基于果树采摘机器人机械结构的特点，对采摘机器人控制方法进行了研究，设计了基于图像的视觉伺服控制器，采用小步长逼近的控制算法引导机器人末端执行器实现对目标果实的准确定位。根据伺服控制系统非线性和强耦合的特点，设计了模糊PID控制器并将其应用在果树机器人机械臂关节的伺服运动控制中。
　　 3、采摘机器人控制系统设计实现。根据开放性和实时性的设计原则，构建了开放式果树采摘机器人控制系统的软、硬件平台。硬件方面主要对组成控制系统的工控机、串行通信接口转换器、关节驱动电机等关键模块进行了选型，为机器人选取了符合其工作特性的传感器并设计了相应的信号采集电路，这使机器人具备了图像获取、目标定位、对障碍物感知及限位保护的能力，提高了果树采摘机器人的智能水平和对外界环境信息的感知能力；软件方面主要从实时性角度考虑，应用VFW技术实现对目标图像的实时采集，给出了实时避障搜索算法，以VC++语言为开发平台，采用多线程技术实现了具有串行通信、图像采集与目标识别、实时避障控制、限位保护等功能的果树采摘机器人控制系统软件。
　　 4、对构建的果树采摘机器人样机实验平台进行了实验室环境和果园环境下的采摘作业试验。采摘机器人在实验室环境下能完成自动连续采摘，采摘成功率较高，试验效果良好；在环境复杂的果园里能完成采摘作业，试验效果一般，离预期目标有一定差距。这表明本课题所研制的果树采摘机器人控制系统具有良好的可靠性和一定的适应性，如果要实现机器人在果园环境下进行连续采摘作业，还需要进一步地优化果树采摘机器人控制系统。

目录

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声明

第一章 绪 论

1.1课题研究的意义及来源

1.2果树采摘机器人发展概况及特点

1.2.1国外研究成果及现状

1.2.2国内研究成果及现状

1.2.3果树采摘机器人的特点

1.3研究的方法与内容

第二章 果树采摘机器人建模与控制方法研究

2.1果树采摘机器人机械结构简介

2.2视觉系统模型研究

2.2.1针孔成像原理

2.2.2图像平面坐标系的建立

2.2.3摄像机模型

2.3履带式移动平台模型研究

2.4果树采摘机器人运动学问题研究

2.4.1果树采摘机器人正运动学问题研究

2.4.2果树采摘机器人逆运动学问题研究

2.5果树采摘机器人控制方法研究

2.5.1采摘机器人控制方法

2.5.2采摘机器人视觉伺服控制结构设计

2.5.3 Fuzzy-PID控制器设计

2.6本章小结

第三章 果树采摘机器人控制系统硬件设计

3.1主控计算机

3.2交流伺服控制系统

3.3串行通信接口转换器

3.4机器视觉系统

3.5数据采集卡

3.6采摘机器人传感器及信号转换模块设计

3.6.1位置传感器设计

3.6.2压力传感器设计

3.6.3碰撞传感器设计

3.6.5限位保护模块

3.6.6传感器信号转换模块的设计

3.7本章小结

第四章 果树采摘机器人控制系统软件设计

4.1多线程技术简介

4.1.1多线程函数简介

4.1.2线程间的通讯

4.1.3线程间的同步

4.2用MSComm控件实现串行通信模块

4.2.1对MSComm控件初始化并打开端口子程序

4.2.2发送数据程序的实现

4.2.3.接收数据程序的实现

4.3采摘机器人运动控制模块

4.3.1机械臂各关节驱动电机控制模式

4.3.2伺服驱动器串行通信接口简介

4.3.3对伺服驱动器寄存器读写程序的实现

4.3.4伺服电机初始化函数的实现

4.4视频捕获模块

4.5实时避障算法设计及软件实现

4.5.1目标搜索算法设计及应用

4.5.2实时避障策略设计

4.6限位保护模块

4.7手爪传感器定位模块

4.8采摘机器人控制系统软件

4.9本章小结

第五章 果树采摘机器人采摘作业试验及结论

5.1实验室试验平台简介

5.2目标识别定位试验

5.3果树采摘机器人-机械臂实验室环境下采摘作业试验

5.4采摘机器人整机在果园环境下采摘作业试验

5.5结论

第六章 总结与展望

6.1研究工作总结

6.2工作展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目与已录用的学术论文