基于移動(dòng)通信終端控制的采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

基于移動(dòng)通信終端控制的采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 李 萍 鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院信息工程學(xué)院 鄭州 摘 要 以采摘機(jī)器人系統(tǒng)為研究對(duì)象 基于移動(dòng)通信技術(shù)設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)控制終端與采 摘機(jī)器人之間的網(wǎng)絡(luò)通信 并進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果表明 利用移動(dòng)通信終端進(jìn)行遠(yuǎn)程系統(tǒng)控 制時(shí) 當(dāng)信號(hào)傳輸強(qiáng)度等級(jí)大于 級(jí)時(shí) 通信過(guò)程數(shù)據(jù)無(wú)丟失 數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中延遲時(shí)間平均小于 滿(mǎn)足采 摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制性能需求 關(guān)鍵詞 采摘機(jī)器人 移動(dòng)通信終端 數(shù)據(jù)丟失率 延遲性 中圖分類(lèi)號(hào) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 文章編號(hào) 引言 采摘機(jī)器人可有效進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的采摘 并可完成 采摘后的運(yùn)輸和包裝等任務(wù) 采摘機(jī)器人的發(fā)展水 平 是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物種植水平的體現(xiàn) 采摘機(jī)器 人要求具有較強(qiáng)的移動(dòng)能力 能夠?qū)Σ烧鳂I(yè)周?chē)h(huán) 境信息進(jìn)行感知 形成自適應(yīng)調(diào)整的自動(dòng)化采摘 采 摘機(jī)器人系統(tǒng)主要涉及領(lǐng)域包含通訊 圖像采集識(shí) 別 人工智能及系統(tǒng)集成等 筆者根據(jù)采摘作業(yè)需求 設(shè)計(jì)了一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程 終端控制的采摘機(jī)器人 采用不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)采 摘過(guò)程自動(dòng)行走和采摘環(huán)境感知 同時(shí)利用移動(dòng)通信 遠(yuǎn)程控制終端對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行指令控制 實(shí)現(xiàn)智能 化采摘作業(yè) 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)需求 采摘機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行自動(dòng)移動(dòng)的無(wú)人操作 設(shè)備 自身集成多種傳感器 能夠在不同的環(huán)境內(nèi)進(jìn) 行自由運(yùn)動(dòng) 同時(shí)可根據(jù)搭載作業(yè)裝置的不同而完成 不同的采摘任務(wù) 采摘完成后 要求能夠按照規(guī)劃路 徑進(jìn)行運(yùn)輸 采摘過(guò)程中 需要采摘機(jī)器人根據(jù)設(shè) 定路線進(jìn)行準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng) 進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品采摘 因此要求采 摘機(jī)器人控制系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)進(jìn)行移動(dòng)控制 并將位置 狀態(tài)信息和采摘過(guò)程參數(shù)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳輸 方 便使用者對(duì)采摘機(jī)器人的作業(yè)狀態(tài)信息進(jìn)行掌控 根據(jù)以上分析 采摘機(jī)器人首先要求能夠自動(dòng)開(kāi) 收稿日期 基金項(xiàng)目 河南省科技廳項(xiàng)目 作者簡(jiǎn)介 李 萍 女 河南周口人 講師 碩士 啟控制系統(tǒng) 建立有效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò) 并對(duì)控制系 統(tǒng)中裝載的控制軟件程序進(jìn)行運(yùn)行 接收控制過(guò)程相 關(guān)指令 控制系統(tǒng)接收到移動(dòng)終端發(fā)送來(lái)的動(dòng)作指 令后 對(duì)相關(guān)傳感器進(jìn)行初始化設(shè)置 按照設(shè)定程序 開(kāi)始程序運(yùn)行狀態(tài) 實(shí)時(shí)進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)控制和 狀態(tài)監(jiān)測(cè) 將反饋信息數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)主機(jī) 并 通過(guò)移動(dòng)通信傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至移動(dòng)終端 當(dāng) 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)初始化完成后 控制系統(tǒng)主機(jī)接 收移動(dòng)終端指令 對(duì)指令數(shù)據(jù)進(jìn)行解析 生成系統(tǒng)可 執(zhí)行數(shù)據(jù) 通過(guò)總線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng) 完成相關(guān)作業(yè)動(dòng)作 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 根據(jù)采摘機(jī)器人系統(tǒng)功能需求 設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器 人系統(tǒng)各模塊之間能夠?qū)崿F(xiàn)相互通信和數(shù)據(jù)傳輸 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 所示 工作時(shí) 采用 進(jìn)行采摘機(jī)器人坐標(biāo)定位 利用超聲波進(jìn)行 作業(yè)過(guò)程距離測(cè)量 同時(shí)可進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)時(shí)的 相關(guān)數(shù)據(jù)管理 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)主機(jī)可通過(guò)遠(yuǎn)程控制器接收 控制指令 也可以按照設(shè)定好的通信路徑接收控制指 令 其控制指令發(fā)送流程如圖 所示 當(dāng)采摘機(jī)器人 控制系統(tǒng)接收到運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行指令和故障指令時(shí) 主 機(jī)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)指令進(jìn)行中止 并按照設(shè)定緊急程序進(jìn) 行相關(guān)動(dòng)作 手動(dòng)遠(yuǎn)程控制指令通過(guò)移動(dòng)終端發(fā) 送 利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)主機(jī) 實(shí)現(xiàn)采摘機(jī) 器人的遠(yuǎn)程控制 路徑指定執(zhí)行指令是按照設(shè)定好 的通信路徑 將采摘目標(biāo)狀態(tài)信息發(fā)送至控制系統(tǒng)主 機(jī) 經(jīng)過(guò)接收和解析后 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 過(guò) 程中需要傳感器的輔助 年 月 農(nóng)機(jī)化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 07 032 采摘機(jī)器人系統(tǒng)在通信過(guò)程中 要求保證控制系 統(tǒng)主機(jī)和移動(dòng)終端能夠通信暢通 控制系統(tǒng)主機(jī)對(duì)采 摘機(jī)器人的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 并可將分析 處理后的參數(shù)信息發(fā)送至移動(dòng)終端 采摘機(jī)器人系 統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)主要包含控制系統(tǒng)主機(jī)發(fā)出的控制指令 和初始化命令 傳感器數(shù)據(jù)信息和故障參數(shù)及控制系 統(tǒng)主機(jī)與移動(dòng)終端之間的交互數(shù)據(jù) 圖 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 采摘機(jī)器人控制指令發(fā)送流程圖 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 按照采摘機(jī)器人的功能需求和作業(yè)控制過(guò)程 所 設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)程序執(zhí)行流程架構(gòu)如圖 所示 采摘機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程移動(dòng)終端控制時(shí) 要求具有 較高的定位準(zhǔn)確度 能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送 按照設(shè)定的數(shù)據(jù)交互協(xié)議對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處 理 定位模塊在執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序時(shí) 首先 根據(jù)數(shù)據(jù)格式特征進(jìn)行解析 將定位數(shù)據(jù)按照解析格 式進(jìn)行發(fā)送 保證數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的準(zhǔn)確性 采摘機(jī)器 人 定位模塊數(shù)據(jù)采集和分析處理流程圖 如圖 所示 圖 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)程序執(zhí)行流程圖 圖 定位模塊數(shù)據(jù)采集分析處理流程圖 采摘機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中 要求能夠?qū)Σ烧h(huán)境內(nèi) 的相關(guān)障礙進(jìn)行檢測(cè)和判斷 保證執(zhí)行采摘任務(wù)過(guò)程 中不出現(xiàn)碰撞 因此 采用超聲模塊 對(duì)相關(guān)障礙物與 年 月 農(nóng)機(jī)化研究 第 期 采摘機(jī)器人本體之間的距離進(jìn)行測(cè)量 當(dāng)超聲波測(cè) 距儀檢測(cè)到障礙物與采摘機(jī)器人本體之間的距離時(shí) 與設(shè)定好的避障比例進(jìn)行對(duì)比 并做出按照原路徑運(yùn) 動(dòng)或避障的控制指令 采摘機(jī)器人測(cè)距模塊數(shù)據(jù)采 集分析處理流程圖如圖 所示 圖 測(cè)距模塊數(shù)據(jù)采集分析處理流程圖 控制系統(tǒng)主機(jī)與移動(dòng)控制終端之間通過(guò)移動(dòng)無(wú)線 通信進(jìn)行連接 執(zhí)行 通信協(xié)議 確保數(shù)據(jù)傳輸過(guò) 程的安全性 使控制系統(tǒng)主機(jī)能夠準(zhǔn)確接收到移動(dòng)終 端指令 控制主機(jī)在進(jìn)行作業(yè)指令發(fā)送時(shí) 構(gòu)建采摘 機(jī)器人控制器與控制主機(jī)之間的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò) 相互 進(jìn)行指令數(shù)據(jù)交互 直至采摘機(jī)器人控制器能夠按照 設(shè)定控制指令執(zhí)行相關(guān)采摘作業(yè) 采摘機(jī)器人系統(tǒng) 主機(jī)應(yīng)用程序流程圖如圖 所示 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)中 移動(dòng)終端能夠保證使用 人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指令發(fā)送 同時(shí)進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)狀 態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 移動(dòng)終端應(yīng)用程序的主要任務(wù)是進(jìn)行 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的組件和采摘機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)與控制 指令數(shù)據(jù)的傳輸 采摘機(jī)器人控制主機(jī)與移動(dòng)終端 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸交互時(shí) 可保證使用人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到采 摘機(jī)器人在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù) 系統(tǒng)性能試驗(yàn) 利用移動(dòng)通信終端進(jìn)行采摘機(jī)器人作業(yè)控制時(shí) 指令發(fā)送過(guò)程存在不同程度的通信延遲 造成控制指 令傳輸過(guò)程實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性波動(dòng) 采摘機(jī)器人控制 系統(tǒng)建立完成后 進(jìn)行通信模塊測(cè)試 利用移動(dòng)通信 終端向控制系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送指令 并在移動(dòng)通信終端查 看指令返回結(jié)果 指令發(fā)送過(guò)程中 采用 種不同強(qiáng) 度等級(jí)的通信信號(hào) 每種強(qiáng)度的通信信號(hào)進(jìn)行 次 試驗(yàn) 試驗(yàn)過(guò)程中記錄傳輸過(guò)程中的最大延遲時(shí)間和 平均延遲時(shí)間 試驗(yàn)完成后 統(tǒng)計(jì)指令發(fā)送接收過(guò)程 中的數(shù)據(jù)丟失率 結(jié)果如表 所示 圖 采摘機(jī)器人系統(tǒng)主機(jī)應(yīng)用程序運(yùn)行流程圖 表 采摘機(jī)器人系統(tǒng)移動(dòng)通信終端數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)結(jié)果 信號(hào)強(qiáng)度 等級(jí) 傳輸最大 延時(shí)時(shí)間 傳輸平均 延時(shí)時(shí)間 數(shù)據(jù)丟失率 未返回?cái)?shù)據(jù)未返回?cái)?shù)據(jù) 由表 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出 當(dāng)通信信號(hào)強(qiáng)度低于 級(jí)時(shí) 信息指令數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的丟失 并造成指令信息 傳遞過(guò)程有較大的延遲性 無(wú)法保證采摘機(jī)器人的實(shí) 時(shí)控制 信號(hào)強(qiáng)度高于 級(jí)時(shí) 指令數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中無(wú) 數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象 且數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的延遲現(xiàn)象不會(huì)對(duì) 年 月 農(nóng)機(jī)化研究 第 期 采摘機(jī)器人的控制過(guò)程產(chǎn)生影響 結(jié)論 移動(dòng)通信終端能夠?qū)Σ烧獧C(jī)器人作業(yè)過(guò)程進(jìn)行實(shí) 時(shí)控制 并保證控制過(guò)程信息傳遞的可靠性 能夠?qū)?現(xiàn)采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期效果 對(duì)同類(lèi)型遠(yuǎn)程控 制農(nóng)用自動(dòng)化智能設(shè)備的開(kāi)發(fā)有一定借鑒意義 參考文獻(xiàn) 雷旺雄 盧軍 基于全卷積網(wǎng)絡(luò)與凹點(diǎn)搜索的重疊葡萄分 割算法 光電子 激光 朱文琦 基于 和粒子群算法的采摘機(jī)械手電氣控制 系統(tǒng) 農(nóng)機(jī)化研究 崔翔宇 趙紅 朱智富 等 可訓(xùn)練變換器和 在果實(shí) 識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 青島大學(xué)學(xué)報(bào) 工程技術(shù)版 岳有軍 孫碧玉 王紅君 等 基于級(jí)聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的番 茄果實(shí)目標(biāo)檢測(cè) 科學(xué)技術(shù)與工程 吳劍橋 范圣哲 貢亮 等 果蔬采摘機(jī)器手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控 制技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 智慧農(nóng)業(yè) 中英文 李澤宇 解迎剛 曹滿(mǎn)鑫 等 基于物聯(lián)網(wǎng)感知的草莓采摘 機(jī)器人設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 肖楊 管秀君 林楠 等 基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的采摘機(jī)器人控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 農(nóng)機(jī)化研究 熊俊濤 李中行 陳淑綿 等 基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的虛擬機(jī) 器人采摘路徑避障規(guī)劃 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 葉振環(huán) 李永強(qiáng) 朱正龍 等 獼猴桃采摘機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 李梅 水果采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 貴陽(yáng)學(xué)院 學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 武星 齊澤宇 王龍軍 等 基于輕量化 卷積神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的蘋(píng)果檢測(cè)方法 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 蘇明 韓慧敏 機(jī)器人加人工輔助控制采摘果實(shí)新裝備 研究 電子制作 滕麗麗 陳博 基于 的水果采摘機(jī)器人控制系統(tǒng) 的研究 信息記錄材料 楊英華 基于大數(shù)據(jù)和 的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程操作系 統(tǒng)研究 農(nóng)機(jī)化研究 王亮 趙德安 劉曉洋 基于深度相機(jī)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人 路徑規(guī)劃研究 軟件導(dǎo)刊 年 月 農(nóng)機(jī)化研究 第 期