农业采摘机器人控制系统的设计研究

马鹏博，张帅亮，张向磊

(河南科技学院，河南新乡，453003）

农业采摘机器人控制系统的设计研究

马鹏博，张帅亮，张向磊

(河南科技学院，河南新乡，453003）

随着信息化和工业自动化水平的不断提升，很多企业纷纷设计与制造各种类型的机器人，农业采摘机器人的出现让人们惊叹不已，获得了广泛的关注。笔者重点分析了农业采摘机器人控制系统的设计问题，希望能够起到抛砖引玉的效果。

农业采摘机器人；控制系统设计

0 前言

我国农业耕地面积非常广泛，采摘各种农业果实的劳动过程纷繁复杂。假如全部采取人工采摘，需要较高的劳动强度，且工作效率比较低、容易损坏果蔬。所以，为了更好地解决农业采取过程中缺乏劳动力，提升农业采摘的质量和效率，开发和设计农业采摘机器人具有重大意义。机器人的系统控制技术可以在很大程度上破解劳动力资源的缺乏问题、提升采摘活动的质量和效率，减少人工成本等。

1 农业采摘机器人机械手整体控制方案的设计

本文立足于当前机器人控制系统的相关研究成果，密切结合黄瓜采摘的相关需求，合理地设计采摘机械手的整体性控制系统，实现了其软硬件设计的目的。

既可以采用PC机+PC机的实际控制设计模式，也可以运用PC机+运动控制卡的复杂设计模式，或者采用PC机+分布式控制卡的复杂控制模式。这也是设计机器人过程中常见的控制系统的结构。在探讨上述多种类型的控制方案过程中，它们的优缺点也非常显著，必须按照数字信号处理器（DSP）中的上位机运动控制器及下位机的分布式控制结构与多CPU要求，合理地采用有效支持实时控制与分布式控制的CAN总线通讯，从而更好地驱动相关关节的配合与协调。要分析农业采摘机器人的开发成本与周期，全面把握DSP的相关性能，四个关节控制器与运动控制器都选择了Microchip企业制造的安装了标准CAN控制器的相关dsPIC30F4012部件，当成它的核心处理器。在设计上位机运动控制系统，要设计其轨迹规划、逆运动学计算、视觉系统、插补运算、末端执行器控制和下位机关节控制器方面的诸多通信任务等。从它的下位关节控制器来看，重点关注的是节电机的反馈信号处理与位置控制，能够接收来自上位机的相关控制命令，向后者发送诸多关节的相关位置信息。

2 设计运动控制系统的硬件

从此处来看，硬件电路重点涵盖了系统最小电路dsPIC30F4012、电源模块、串口模块CAN总线通信模块与固态继电器的相关控制模块等多个诸多部分。其中，最小系统dsPIC30F4012是相关处理器提出的最低硬件要求，以确保设备能够正常工作，它涵盖了时钟电路、复位电路、ICD2下载仿真电路、测试电路LED。此处的CAN模块主要是完成机械手的诸多关节之间的相互通信，对此处的黄瓜采摘机器人的机械手而言，运用的是一点对多点的科学通信方式，四个关节控制器与上位机运动的相关控制器中的CAN模块，都采取了CAN收发器MCP2551与dsPIC30F4012的相关内嵌标准。

3 关节控制器硬件设计

从此处来看，关节控制器重点是控制电机驱动与相关电机的具体位置。笔者设计的这个机器人以AS5045与dsPIC30F4012的磁旋转的相关绝对值编码器作为控制器的核心部分。因为相关关节存在着基本上相同的控制器电路，整体来看，关节控制器的相关硬件涵盖了H桥驱动电路、最小系统dsPIC30F4012、信号反馈电路、保护与故障处理模块、CAN总线通信模块、AS5045转角反馈等多个模块。从它的电流反馈来看，是该机器人驱动装置中必不可少的组成部分，它的电流检测电路涵盖了电压比较器、运算放大器与AD模块等内容。在电机电流通过了相应取样电阻之后，其中一路变成了电流反馈值，被输入到其中的dsPIC30F4012内的AD模块；另外一路被输入到其中的电压比较器中，万一电枢电流大于事先设定的数值，比较器就会中断信号，输出相应的低电平，通知使用者发生了系统故障。这个电路能够发挥限流、电流检测与过流保护等多个功能。

4 设计关节控制器软件

首先是设计其总体软件。笔者设计的关节控制器中，重点涵盖看系统与诸多功能模块的初始化子程序、CAN控制通信总线、电流环调节、A/D采样中断、位置环调节、AS5045电机转角采集等在内的多个子程序等。再就是设计它的相关核心子程序。比如采集关节电机位置的相关子程序。从此处来看，将AS5045当成了反馈关节角具体位置的合适元件，它和主控芯片间借助同步串行接口，有效地传输相关数据。再就是设计位置环调节的相关子程序。从它的位置环的职能来看，重点是增加力矩电机自身的定位精度，确保电机达到相应的期望位置。在机器人开展工作的过程数据总线接口和数据存储接口的低八位，P2接口的作用就是提供数据存储的高八位，P2.7接口的作用就是控制随机存储器的片选信号，P3.6接口的作用就是控制随机存储器的写入信息,P3.7接口的作用就是控制随机存储器的读入信息，PSEN接口的作用就是控制只读存储器的输出信息，同时确保只读存储器选通状态常开。

由于只读存储器和随机存储器有着不同的控制指令和传输信息，所以这两种元件可以使用同一根纵向。只读存储器中数据储存地址空间为0000H-1FFFH，而随机存储器数据存储地址空间为0000H-7FFFH。

RF418元件共有八个引脚，其中第四个引脚控制线路电源的开断，如果其接地，那么元件则没有电源供应，如果空开或者是和其他电源提供装置相接，则元件通电。本文设计的无线传输系统中RF418元件第四个引脚为空开状态。单片机的P1.O接口产生的控制指令控制RTS接口动作，P1.1接口发出的指令可控制CTS模块动作，动作触发的条件为低电平。单片机RXD引脚和模块RX引脚相对应，单片机TXD引脚和模块TXD引脚相对应。

3 软件设计

3.1 PC机程序设计方法

本文设计的无线通信系统通信方式为双向一对多，也就是一台个人电脑可以和多台单片机进行通信，一台单片机也可以和多台个人电脑进行通信。个人电脑将通信信息传递给单片机，单片机接受这些信息，并且对这些信息进行处理。个人电脑所传递的通信信息的大小为五字节，其中第一字节开始地址为FEH；第二个字节开始地址为EFH；第三个字节开始地址为00H，其作用就是进行信息传递单片机的标示；第四个字节开始地址为00H，其作用就是进行传输命令的接受和传递；第五个字节开始地址为FFH。当该指令传输给单片机后，单片机首先会提取第四个字节中所含信息，判断其和自身地址是否相匹配，如果匹配成果则将SM2中的信息清除，如果匹配不成功，则将接受到的信息重新传输给个人电脑。之后在进行指令命令符的判断和处理，若指令命令传输给从机，单片机就要利用从机进行指令程序的接受。如果指令命令符是由从机发出，那么单片机就要利用从机进行指令程序的发出。由于本文设计的无线传输系统没有考虑信息传输的真实性，从机传输给上位机中的信息也不会传递给下位机。由于系统子程序对握手信息进行判断，同时进行处理。通过触发Timer事件的方法对个人电脑主机接受的数据进行查询和判读，利用单片机Out普通功能进行数据的发送。

3.2 通信模块开发

本论文所设计的通信模块需要完成一台个人电脑向多台单片机进行数据的发送和接受。由个人电脑将握手信息主动传递给单片机，之后由单片机对个人电脑传递过来的信息进行处理。握手信息大小为五个字节，每一字节都有不同的功能。地址FEH为握手信息的起始符，表示握手信息的第一个字节；地址EFH同样也为握手信息的起始符，表示握手信息的第二个字节；地址OOH表示通信单片机地址，是握手信息第三个字节；地址OOH表示通信内容，是握手信息第四个字节；地址OOH表示个人电脑接受到的信息，是握手信息第四个字节；地址FFH表示握手信息的结束，是握手信息第四个字节。当握手信息由个人主机全部传递给单片机后，单片机就会提取第三个字节中信息，检查信息接收地址和自身地址是否相符，如果信息接收地址就是自身地址的话，就将SM2位中的信息清空，之后分析接收信息中命令信息。如果命令信息由从机接受，那么单片机就要利用从机进行命令子程序的接收；如果命令信息由从机发出，那么单片机就要利用从机进行命令子程序的传递，同时个人电脑也需要进行数据接受和传递。由于本部分中缺少信息传递校验模块，从机中信息接受和传递数量无法从上位机传输给下位机，单片机R6中存储了从机信息发出数量；单片机R7中存储了从机信息接受的数量。外部随机存储器既要存储从机数据发出数量，又要存储从机数据接收数量，前者地址为000H-5FFFH，后者地址为6000H-7FFH.：

4 结语

无线技术的不断进步，PC机与单片机的技术的发展促进了通讯事业的发展，而人们也对无线数据通讯提出了更高的需求，故而对PC机与单片机的无线通信技术进行持续不断地研究是十分重要的。

[1]孙瑞杰,吴晓宇,张瑜,马铁华.用VB实现PC机与MSP430单片机串行通信的研究[J]. 计量与测试技术.2009(11).

[2]博文.妙用手机短信遥控PC[J].电脑知识与技术.2005(13).

Design and research of agricultural picking robot control system

Ma Pengbo，Zhang Shuailiang，Zhang Xianglei
(Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan,453003)

with the development of information technology and the continuous improvement of the level of industrial automation, many companies have the design and manufacture of various types of robots, agricultural harvesting robot let people marvel, has gained extensive attention. The author analyses the design of the robot control system of agricultural picking, hope to be able to play good effect.

agricultural picking robot; control system design