果实采摘机器人运动控制系统设计

学校代码： 11059 学 号：0805070014Hefei University 毕业设计（论文）BACHELOR DISSERTATION论文题目： 番茄采摘机器人运动控制系统的设计与实现 学位类别： 工 学 学 士年级专业（班级）：08级 自动化 （1）班作者姓名： 导师姓名： 完成时间： 2012年 5 月 15 日48番茄采摘机器人运动控制系统的设计与实现中文摘要本文从机器人机械结构入手，对番茄采摘机器入的运动控制系统进行了研究。首先，参照国内外的采摘机器人的研究现状，分析了番茄采摘机器人机械结构并完成运动控制系统的机械结构设计。其次，对运动控制系统进行了分析和设计。运动控制系统的分析与设计部分立足于采摘机器人的工作环境，并结合采摘机器人自身运动方面的需求和其它机械部分的需求来设计。主要包括：电源模块、电机控制模块、电机驱动模块、显示模块等。第三，对采摘机器人的传感器部分进行了分析并对运动控制系统的避障部分进行了设计。采摘机器人的传感器选择依据的是番茄采摘机器人的工作环境以及目前市场上所具有的几种常见传感器的性能、价格和能完成的功能进行比较选择，最终设计出避障系统。最后，通过仿真验证了运动控制系统设计的准确性，实现了避障功能。关键词：机械结构；避障；传感器；运动控制TomatoHarvesting RobotMotion Control SystemDesign AndImplementationABSTRACTThis paper starts from the mechanical structure of robot to analyse and design the motion control system of Tomato Picking Robot .Firstly, with reference to the new research of the domestic and foreign picking robot, it analyses the tomato picking robot mechanical structure and design mechanical structure of the motion control system . Secondly, analysis and designs the motion control system. It is also based on the picking robot working environment, and combined the damand of picking robot self motion and the coordination of other mechanical to design. Mainly it comprises a power supply module, motor control module and display module and so on.Thirdly, The sensor of the picking robot is analyzed and designing the obstacle avoidance of the motion control system , mainly including: the selection of sensor, obstacle avoidance module, alarm module designing. Picking robot sensor selection is based on the tomato picking robot working environment as well as the current market, which has several common sensor performance, price and can complete the function chosen for comparison. At last, it designs the obstacle avoidance system.Finally, the accuracy of the motion control system in this design is verified correctly by simulation. The obstacle avoidance function can realizing in the simulation .KEY WORD: mechanical structure; obstacle avoidance; sensors; motion control目 录中文摘要IABSTRACTII第一章 前言11.1研究背景与意义11.2果实采摘机器人研究现状11.2.1果实采摘机器人国内外发展现状11.2.2果实采摘机器人关键技术及其发展现状31.3研究内容与结果4第二章 机械结构的分析与设计52.1果实采摘机器人整体机械结构的分析52.2运动控制系统机械结构的设计62.2.1运动控制系统的机械结构分析62.2.2运动控制系统机械结构的设计62.3运动控制系统车体载荷分析与执行器的选择72.3.1 执行器选择依据72.3.2 执行机构电机的介绍10第三章 运动控制系统硬件部分设计123.1总体方案设计思路123.1.1主控制器模块123.1.2电源模块123.1.3电机控制模块133.1.4电机驱动模块133.1.5显示模块143.1.6报警模块153.1.7传感器选择与避障系统设计153.2运动控制系统硬件设计173.2.1主控器模块设计173.2.2电机控制模块电路设计183.2.3 报警模块电路设计203.2.4显示模块电路设计213.2.5超声波模块电路设计21第四章 运动控制系统软件设计244.1运动控制系统总程序流程图244.2超声波测距模块254.3避障模块254.4电机控制模块264.5显示模块27第五章 系统仿真28结束语30参考文献31致谢33附件34第一章 前言1.1研究背景与意义随着电子技术和计算机技术的发展,智能机器人已在许多领域得到日益广泛的应用。在农业生产中,由于作业对象的复杂、多样,以及当前我国正面临人口老年化的趋势1，使得新型农业机械农业机器人的开发具有巨大经济效益和广阔的市场前景,符合社会发展的需求。番茄采摘机器人是基于人工采摘果实作业中耗时、费力等因素而应运而生的智能农业装备。运动控制系统作为采摘机器人控制系统中不可或缺的部分为机器人实现连续、稳定的采摘工作提供了必要的保证。国际上，日本、美国等发达国家，已经从20世纪80年代开始研究采摘机器人，并取得很多成果。从1983年的第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和发展已经经历了近30年2，但我国在该领域中的研究还处于起步阶段，因此我们必须加快对采摘机器人的研究脚步以早日赶超国际水平，使其为我国农业的生产和发展做出重大。1.2果实采摘机器人研究现状1.2.1果实采摘机器人国内外发展现状采摘机器人是针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学3。近30年来，采摘机器人的发展可谓是日新月异，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。和国内相比国外一直处于技术前沿。（1）经典的番茄采摘机器人是日本Kondo N等人研制的番茄采摘机器人。其结构由机械手臂、末端执行机构、运动行走机构、视觉识别装置、控制模块、能源组块组成。图1.1、图1.2是其发明的7自由度采摘机器人的机械结构和实物图。采用具有冗余度的7自由度机械手是为了能够灵活避开障碍物。此款机器人的采摘准确率为70%，速度为15s/个果实4。（2）美国研究人员在美国航空航天局资助下研制成番茄采摘机器人能在草和叶子之间确定西红柿的位置，挑选出已成熟的西红柿并进行采摘，其采摘准确度可达到85%95%5。（3）日本一家机器人公司研制出草莓采摘机器人，如图1.1所示。其内置有能够感应色彩的摄像头，可以准确分辨出草莓和绿叶，利用事先设定的色彩值，再配合独特的机械结构，它就可以判断出草莓的成熟度，并将符合要求的草莓采摘下来，速度达到10s/个6。（4）韩国的苹果收获机器人：韩国庆北大学的科研人员研制出苹果果采摘机器人，它具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器，其手心装有压力传感器，可以起到避免苹果损伤的作用。它利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果的识别率达85，速度达5 s/个。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋，缩短了从采摘到放置的时问，提高了采摘速度7。我国机器人技术虽然起步较晚，但在改革开放的推动下发展迅速。尤其在不少大专院校、研究所都在迸行采摘机器人和智能农业机械方面的研究，已有很多研究成果披露，比较有代表性的有：东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人8；吉林工大学的周云山等人研究了蘑菇采摘机器人9；中国农业大学的张铁中等人针对我国常见的温室罩垄作栽培的草莓设计了3种采摘机器人10；南京农业大学的张瑞合、姬长英等人研制了番茄采摘机器人11。近期中国农业大学发明的黄瓜采摘机器人,如图1.2所示。经教育部认定，是国内第一台黄瓜采摘机器人，获得多项国家专利。其利用机器人的多传感器融合功能，对采摘对象进行信息获取、成熟度判别，并确定采摘对象的空间位置，实现机器人末端执行器的控制与操作的智能化系统，能够实现在非结构环境下的自主导航运动、区域视野快速搜索、局部视野内果实成熟度特征识别及果实空间定位、末端执行器控制与操作，最终实现黄瓜果实的采摘收获12。图1.1日本研制的草莓采摘机器人图1.2中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人从国内外果实采摘机器人的研究现状来看，目前果实采摘机器人的研究正处于由试验阶段向实用推广阶段的过渡时期，我国在这方面的研究只处于起步阶段。要想让采摘机器人真正造福于人，必须进行更深入广泛的研究，改进目前采摘机器人存在的问题与不足，完善采摘机器人的新功能、新特点，确保机器人运行稳定、可靠。未来的采摘机器人将真正做到一机多用，不仅可以采摘多种果实还可以实现多种用途13。随着研究中遇到的问题和难题一一解决和攻破，果实采摘机器人将不断完善。相信在广大工程技术人员的不断探索和努力下，在不久的将来，采摘机器人技术会越来越成熟，采摘机器人会越来越多地应用于农业生产中并最终实现14。1.2.2果实采摘机器人关键技术及其发展现状果实采摘机器人的关键技术应该包括以下几个方面：（1）要具有精确度高的视觉识别系统，能够区分出果实和植物的枝蔓，准确识别出成熟果实和非成熟果实，提高准确率和成功率。（2）具有灵活的机械臂和较为轻便柔软的机械末端，且能够在工作时避开枝蔓的阻挠。即自由度个数适中，同时能够保证采摘的效率。（3）具有较为稳定的运动控制系统，能够及时配合机械臂、机械末端的工作，确保采摘工作的顺利完成。（4）考虑到使用机器人采摘的果实的初衷是用机械代替人工从而提高工作效率。所以要求系统的实时性要好。果实采摘机器人在技术层面的发展，就视觉识别系统、机械臂、机械末端、运动控制系统方面都有了丰硕的成果。运动控制系统方面，技术已经相对来讲比较成熟，其技术关键之处是能够控制电机的起转停，并且具有适当的避障功能和报警功能。视觉识别方面，得益于数学模型及图像处理技术的发展，果实采摘机器人已经能够完成果实识别、果实成熟度识别以及精确快速处理等功能15。比如，最初的日本研制的番茄采摘机器人采用传统视觉处理技术由彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统来寻找和识别成熟果实16，而现在番茄采摘机器人，南京农业大学的张瑞合、姬长英等人在番茄采摘中运用双目立体视觉技术对红色番茄进行定位，将图像进行灰度变换，而后对图像的二维直方图进行腐蚀、膨胀以去除小团块，提取背景区边缘，然后用拟合曲线实现彩色图像的分割，将番茄从背景中分离出来17。对目标进行标定后，用面积匹配实现共轭图像中目标的配准。运用体视成像原理，从两幅二维图像中恢复目标的三维坐标。机械臂机、械末端方面，由于自由度选择和传感器技术的进步、以及机械结构的不断改进。机器人已由一开始的无法准确判断和避开枝蔓18，发展到快速而准确的避开枝蔓采摘果实。1.3研究内容与结果研究内容：结合实际的果实采摘工作，研究番茄采摘机器人整体的机械结构；研究传感器应用及避障系统的功能要求；研究运动控制系统的功能需求和电机控制策略。研究结果：(1)设计了运动控制系统机械结构；(2)设计了避障模块并选择出相应的传感器；(3)设计了运动控制系统的硬件模块和软件模块，硬件部分主要包括：主控制器模块、电源模块、电机控制模块、电机驱动模块、声光报警模块、超声波检测模块。 第二章 机械结构的分析与设计根据番茄采摘机器人的运动控制系统的要求，设计出番茄采摘机器人运动控制系统结构并完成了车体载荷的估算和执行机构的选择。2.1果实采摘机器人整体机械结构的分析机器人整体的机械结构应具备以下能力：（1）要具备可靠性，稳定性，结构紧凑并且要有适当的工作范围。（2）要具备柔性和灵活性都比较好的机械手及末端执行器，即机械手具有一定的冗余度。通常果实采摘机器人的结构是由机械手臂、末端执行机构、运动行走机构、视觉识别装置、控制模块、能源组块组成。以日本Kondo N等人研制的番茄采摘机器人为例，如图2.1、图2.2所示。其自由度为7，由下到上，第一个自由度为水平移动，第二个自由度是升降自由度，第三个为旋转自由度，后面三个为机械臂的轨迹规划自由度，最后一个是机械末端的自动调整自由度。图2.1 Kondo N等研制的番茄采摘机器人图2.2 番茄采摘机器人机械结构示意图图 2.3 是番茄采摘机器人的整体结构示意图。图中采摘机器人为四轮式的采摘机器人，其由机械手臂、末端执行机构、运动行走机构、视觉识别装置、控制模块、电源模块组成。采用5个电机控制，使机器人能够多自由度工作。图2.3 四轮式果实采摘机器人整体结构示意图2.2运动控制系统机械结构的设计2.2.1运动控制系统的机械结构分析我们首先假想，番茄采摘机器人的环境是地面整体平坦，具有摩擦系数适中，地面结实。事实证明，一般的智能番茄生产大棚都是一个场地规划相对整齐干净的环境。此假设符合实际生产的背景环境。2.2.2运动控制系统机械结构的设计为此本设计的番茄采摘机器人采用的是四轮式底盘结构。前轮是控制车体转向，后轮是控制车体前后运动。前后轮各用一个电机进行控制，前轮用步进电机控制方向；后轮采用的是直流电机控制车体的前进后退暂停。前者只需根据指令进行左右转向，而后者是承担整个车体的动力工具，对其选择尤为重要。图2.4是俯视的布局图。图2.5是其从后面角度看的机械结构示意图，图2.4 车体布局示意图图2.5 从车体后方角度观察2.3运动控制系统车体载荷分析与执行器的选择2.3.1 执行器选择依据作为番茄采摘机器人中承担机器人的移动任务，车体载荷决定驱动电机的选择。在运动控制系统设计中必须考虑车体载荷。（1）后轮的电机选择我们先假设车体重量是10千克，可以采摘的果实最大总重量是5千克。小车线速度为2/s(一般以最高速度加上一定的余量来以此我们通过计算力矩、输出功率方面来选择执行器即驱动电机) 轮半径为0.075。静态摩擦系数一般取0.2。减速比即为减速箱的齿轮比，通过查找减速箱datasheet查找一般的减速比和减速效率。我们选用14:1，其减速效率一般为80%。根据力矩方面进行选择1 计算力矩M M轴上的力矩/(减速比*减速箱效率) （1） 静态摩擦力*轮半径/(减速比*减速箱效率) 静态摩擦系数小车质量*g*轮半径/(减速比*减速箱效率)2 计算电机转速n =(线速度*60*减速比)/(2*pi*轴半径) （2）3 计算功率P0 （3）4 根据最选择功率合适的电机，要求电机的输出功率满足PmaxP0,一般选择2 P0Pmax1.5 P05 进一步验证电机选择是否合适，验证方法： （4）从力矩的角度来为机器人选择驱动电机：M15*9.8*0.075/(14*80)= 0.2Nmn=(2*60*14)/(2*pi*0.075)=3600rpmP0=0.2*3600*2pi/60=73W因此，所选择的电机输出功率最好应在109.5146之间。通过查找电机的参数指标, ，可以选择FAULHBER3863型号，当工作电压为24时，其输出功率为130W。且进入符合条件。根据输出功率方面进行选择 （5）式中，工作机阻力，N;工作机的线速度，ms;工作机的效率。一般取; 其中=主动轮与场地之间的摩擦在机器人行走时，主动轮是采用橡胶材料，与地面的静摩擦系数约为,在计算中选择02；作用在主动轮上的支持力 （6），则工作机的最大线速度取为由以上推断，可以得 （7）式中，为电动机到主动轮的传动总效率而 （8）滚动轴承效率:轮箱效率:齿轮效率则。电动机的输出功率按下式计算： （9）故 因载荷平稳，电动机的额定功率只需要略大于即可。根据最选择功率合适的电机，要求电机的输出功率满足PmaxP0,一般选择2 P0Pmax1.5 P0。通过查找电机的参数指标，可以选择FAULHBER 3863型号，当工作电压为24V时，其输出功率为130W。总结：由上述两种方法进行选择，可以看出FAULHABER公司生产的直流电机FAULHBER3863型号符合条件。（2）前轮的电机选择前轮的电机采用步进电机，可以使小车转向更加灵活，本设计中前后轮的电机功率及力矩应该相当。我们采用35BY48HJ120减速步进电动机。2.3.2 执行机构电机的介绍（1）FAULHBER3863型号电机有如下特点：1 转动惯量小、启动电压低、空载电流小；2 最高转速达20200rpm，适当提高电压可获更高的速度并对电机寿命无影响；3 名义电压从1.548VDC，功率最大226W，直径范围638mm，长度1263mm；4 最大输出扭矩1290N，配减速箱后，最大输出扭矩高达20Nm；表2.1为其性能参数。表2.1 FAULHBER3863型号电机性能参数正常电压24V极限电阻0.62 最大输出功率220W效率85%空载转速6700rpm空载电流0.24A静止转矩1250mNm摩擦转矩8.0mNm速度常数287rpm反电动势常数3.49mv/rpm转矩常数33.3mNm/A电流常数0.030A/mNmn-M曲线斜率5.4rpm/mNm转子电感130H机械时间常数6ms转子惯量110gcm最大转速8000rpm最大转矩110mNm（2）35BY48HJ120减速步进电动机特点，如表2.2所示表2.2 35BY48HJ120减速步进电动机特点型号相数步距角扭矩Nm电压V电流A电阻转速rpm驱动方式35BY48HJ1202/47.51.5120.44564-2第三章 运动控制系统硬件部分设计本章讲述了番茄采摘机器人运动控制系统的硬件设计。3.1总体方案设计思路鉴于番茄采摘机器人的本职工作是顺利完成采摘工作，运动控制系统处于辅助的地位而并不需要像抢险救灾机器人等机器人精于路况处理的智能机器人那样处理复杂的实时环境问题。同时为了提高运动系统的稳定性能，避免设备的不必要的效率消耗以及降低投入成本和达到灵活的避险要求。有以下的设计思路。3.1.1主控制器模块根据设计要求，控制器主要用于各种信号的处理、控制算法实现、底盘电动机的控制和声光报警等，控制器选择ATMEL公司生产的AT89C52单片机作为系统控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。在本系统中控制量较多，单片机的优势得到很好的体现。3.1.2电源模块电源模块对于番茄采摘机器人的底盘控制系统来说极其重要，关系到整个底盘系统是否能够正常工作，因此在设计控制系统时应该选好合适的电源。机器人系统电机执行机构需要使用24V电压供电，单片机系统、超声波传感器避障系统等必须在5V电压下才能够正常工作。在设计中，我用一个直流电源（24V，10A）为机器人系统供电，其中，控制电路需要的5V电压也是由24V电源提供的。为了提供稳定的5V直流电源，需要将24V电源稳定5V。目前，提供稳压直流电压的方法主要有两种：集成线性稳压电路，开关型直流稳压电路。比较而言，开关型直流稳压电路更能降低电源转换芯片的功耗，提高电源的利用效率。在本电路设计中，我选择开关型稳压电源LM2576-5作为电压转换模块：根据分析可以知道机器人底盘控制系统正常工作时，需要电源提供不同大小的稳压电压。电动机在24V电压情况下能够正常工作。优势：开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达7090%。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。3.1.3电机控制模块脉宽调制（PWM）原理： 小功率直流电机由定子和转子组成，对小功率直流电机调速系统，使用单片机是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值（即占空比）来控制电机速度。这种方法称为脉冲宽度调制，简称PWM。小功率直流电动机的转速控制方法是将电动机电源接通一段时间，然后切断电源，再次接通电源，改变电动机通断时间的比列，即可达到调速的目的。这种调速方法称为脉宽调速。设脉冲宽度为t，脉冲周期为T，电机的平均转速为；式中, 称为占空比，占空比越大，转速越高，反之就越低。对于特定的电机，其最大是确定的，因此控制平均转速就要控制占空比。用单片机实现脉冲宽度调制是很容易的，只要改变电机定子绕组电压的通、断电时间，即可达到调节电机转速的目的。3.1.4电机驱动模块（1）前轮电机的驱动模块由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上。设计中所控制的步进电机是四相单极式35BY48HJ120减速步进电机。由于机步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器。ULN2003A是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。ULN2003A的极限参数如表3.1所示。表3.1 ULN2003A的极限参数项目符号数值单位最大输入电压Vi(max)30V集电极-发射极电压Vo(max)50V最大基极输入电流IB(MAX)25mA输出电流Io500mA贮存温度Ts-65150结温Tj175引线耐焊接温度TD300（2）后轮电机的驱动模块所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注：图3.1图3.3都是示意图）。如图3.1所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。如所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图3.2 H桥电路驱动电机顺时针转动，图3.3所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图3.1 H桥驱动电路图3.2驱动电机顺时针转动图3.3驱动电机逆时针转动3.1.5显示模块本设计的显示模块目标是能够显示出电机的正反转停等信息。采用的是带中文字库的128X64LCD屏幕。128X64LCD是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。128X64LCD基本特性：（1）低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V）；（2）显示分辨率:12864点 ；（3）内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选)；（4）内置 128个168点阵字符 ；（5）2MHZ时钟频率； （6）显示方式：STN、半透、正显 ；（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS； （8）视角方向：6点； （9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 （10）通讯方式：串行、并口可选；（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压 ；（12）无需片选信号，简化软件设计。3.1.6报警模块采用单片机产生不同的信号来控制闪光LED灯和蜂鸣器完成声光报警提示， 其主要应用于番茄采摘机器人在遇到障碍物时的自动警报功能。3.1.7传感器选择与避障系统设计采摘机器人中传感器主要应用于果实的识别、系统的导航、以及避障。果实识别与采摘采用视觉传感器、位置传感器、力传感器，系统导航采用电磁传感器，运动系统避障采用超声波传感器。本设计中的传感器主要是应用于运动控制系统的避障设计，避障系统所要达到的要求是准确判断车体前后方有无障碍物。若有则执行避障任务，即急停、报警提示。识别障碍的首要问题是传感器的选择，下面对几种传感器的优缺点进行说明如表3.1所示。（1）常见传感器的比较传感器种类多，应用广泛，以下是几种常用传感器的比较。如表3.2所示表3.2 传感器性能比较传感器类型优 点缺 点红外传感器超声波视觉价格合理，使用方便价格合理，可以测死物，夜间不受影响。易于多目标测量和分类，分辨率好。不受温度、天气影响。测量范围小，对空气温度变化敏感。测量范围有限，对天气环境变化敏感。不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。（2）避障系统传感器的选择方案一：红外传感器广泛应用于门控系统，其优点是价格合理使用方便。其利用红外原理制成的，这也就决定其在对物体探测过程中对温度依赖过大，对温度相同的物体不能做出准确的判断。方案二：视觉传感器在物体识别系统中使用得非常广泛，比如本机器人视觉识别系统中的图像获取。视觉传感器优点是尺寸小，价格合理，在一定的宽度和视觉域内可以测量定多个目标，并且可以利用测量的图像根据外形和大小对目标进行分类。缺点是算法复杂，处理速度慢。方案三：探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人的研究上。其优点是价格便宜，易于使用，且在10m以内能给出精确的测量。相比较而言本系统选择方案三即用超声波传感器作为避障部分的传感器。图3.4为超声波避障模块框图。超声波避障模块躲避障碍物子模块测量距离子模块电机驱动子模块声光警示子模块图3.4 超声波避障模块框图（3）超声波障碍检测原理超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20KHz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。 总结：最后可以归纳运动控制系统的总框图如图3.5所示番茄采摘机械系统部分电路运动系统障碍物检测模块运动系统控制器电机驱动模块声光报警模块显示模块图3.5 运动控制系统的总框图3.2运动控制系统硬件设计3.2.1主控器模块设计本设计的主控制器是AT89C52单片机。它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。功能强大的微型计算机的AT89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。最小系统电路如图3.6所示，其由时钟电路和复位电路组成。时钟电路。MCS-51单片机芯片内部设有一个反向放大器构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入和输出端，时钟可以由内部或外部产生。时钟电路内部时钟的晶振频率可以在1.2MHz到12MHz之间选择，C1、C2电容值取5-30pF，电容的大小可以起频率微调作用，外部时钟电路的XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器，一般频率低于12MHz的方波信号。复位电路。通过某种方式，使单片机内的寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。在时钟电路工作后，在RESET端持续给出2个机器周期的高电平就可以完成复位操作。图3.6 最小系统电路原理图 3.2.2电机控制模块电路设计本设计中电机的控制方式是PWM波控制方式。控制两个电机：前轮控制车体转向的步进电机；后轮控制电机前进后退的直流电机。图3.7是前轮步进电机的电路图，图3.8为直流电机用H桥驱动的电路图。（1） 前轮控制电机转向的步进电机的电路设计前轮电机用ULN2003A作为电机驱动器，用于完成电机的正反转。图3.7 前轮步进电机的电路图（2）后轮控制车体的前进后退的电机的电路设计图3.8 直流电机用桥驱动的电路图3.2.3 报警模块电路设计本模块硬件分为两个部分：光报警如图3.9所示，声报警如图3.10所示。LED灯与电阻组成光报警；蜂鸣器与驱动电路组成的声报警。声报警部分的驱动是由8050构成的放大电路。报警模块是依据避障部分提供的信号而动作的。当机器人正常运行时，报警模块不产生动作；当检测系统检测到障碍物时，报警模块动作，LED等闪光，同时蜂鸣器发出报警，起到提示作用。图3.9 LED灯光报警图3.10 声报警3.2.4显示模块电路设计显示模块如图3.11所示，是将番茄采摘机器人的运动状态用直观的方法显示出来。图3.11 显示模块3.2.5超声波模块电路设计本设计采用T/R-40-12小型超声波传感器作为探测前方障碍物体的检测元件，其中心频率为40Hz，由80C52发出的40KHz脉冲信号驱动超声波传感器发送器发出40KHz的脉冲超声波，如机器人运动时前方遇到有障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，由接收器接收，经LM318两级放大，再经带有锁相环的音频解码芯片LM567解码，当LM567的输入信号大于25mV时，输出端由高电平变为低电平，送80C52单片机处理。（1）超声波发射电路超声波换能器两端的震荡脉冲是由单片机 I/O口产生的 40kHz 方波提供的。为了增加超声波的探测距离，就需要增加超声波换能器的功率。为此设计中采用了 CD4069 六非门反相器来增强超声波的发射功率，由于非门实质上是放大倍数很大的反相放大器，如果给非门加上合适的负反馈电阻，就能够使它从饱和区进入线性放大区。单片机I/O产生的 40KHz 方波信号一路经以及反向器反相后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器反向后送入超声波换能器。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高的另一个电极。超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联用以提高驱动能力。其电路原理图如图3.12所示。上拉电阻 R23,R24 一方面可以提高反相器的高电平驱动能力，另一方面可以增强超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由震荡的时间。Q10 的作用是提高单片机 I/O 口的输出电压，目的也是提高超声波发射的功率。图3.12 超声波发射驱动电路（2）超声波接收电路集成芯片 CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片，常用电视机遥控器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz与本设计中超声波频率 40KHz较为接近，所以利用它来制作超声波检测接收电路。实验证明 CX20106A 接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。如图3.13所示为CX20106A 内部结构及电路连接图。图3.13 CX20106A内部结构及电路连接图使用CX20106A 集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k 。2脚：该脚与地之间连接RC 串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1 或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1 的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，典型参数R1=4.7 ，C1=1F。3脚：该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，经试验测试取3.3F为宜。5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率F0，阻值越大，中心频率越低。取F例如， R=200k 时， 042kHz，若取 R=220k ，则中心频率 F0 38kHz。6脚：该脚与地之间接一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8脚：电源正极，4.55V。第四章 运动控制系统软件设计番茄采摘机器人运动控制系统的软件主要由等五大部分组成，每一部分都针对相应的硬件路。4.1运动控制系统总程序流程图首先小车进行上电初始化程序，屏幕显示小车初始状态，后小车开始前进，前进过程中单片机通过超声波模块不断检测距前方障碍物。当检测距离小于程序设定的避障安全距离时判定前方有障碍物，此时小车停止前进，与此同时声光报警器动作，发光 LED不断闪烁与此同时单片机控制电机驱动模块驱动电机完成避障操作完，避障动作完成后小车继续前进并检测前方障碍物。图4.1为系统总程序流程图。是否有采摘任务开始初始化信息显示调用采摘程序N小车前进小车停止前进Y图4.1 运动控制系统总程序流程图4.2超声波测距模块开始比较避障并处理计算距离发射超声波脉冲接受超声波脉冲图4.2 超声波测距模块流程图主程序对系统进行初始化之后，超声波测距程序设置定时器 T0 为 16位定时器，开中断允许位 EA，清零显示端口 P0 和 P2。之后调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲，为了避免信号直接耦合干扰需要延时 0.1ms在开外部中断接收返回的超声波信号（这也就是超声波测距会有一个最小可测距离的原因）。由于系统采用的是 12M 晶振，计数器每计一个数就是一微秒，当主程序检测到接收成功标志位后，将计数器 T0 中的数按公式d=(c*t)/2=172*T0/10000计算。在室温下测试声速为 344m/s，超声波每发射，接收一次所走距离为被测距离 L 的 2 倍，L便是被测物体和超声波传感器之间的距离，L式中t为计数器 T0 中的计数值。测出距离后结果将以十进制 BCD 码方式送入累加器 A 与安全距离进行比较，若判定前方有障碍物则执行避障操作，等待上述过程结束，然后再发射超声波脉冲重复测量过程。4.3避障模块避障模块程序流程图如图4.3所示。避障系统的程序思路是：发现障碍物后，番茄采摘机器人停止动作，等待排除障碍再运动。是否有障碍物入口停止前进声光报警等候返回YN图4.3 避障系统程序流程图4.4电机控制模块本设计用了两个电机：前轮控制车体转向的步进电机；后轮控制车体前进的直流电机。本运动系统对速度的精度无特殊要求，控制直流电机方法相对简单。对于步进电机，由于相对复杂所以以下做详细介绍。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式，如图4.4所示。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。单四拍双四拍八拍图4.4 电源通电时序与波形图步进电机的驱动电路依据控制信号工作，控制信号由单片机产生，具体如下：如果按给定方向的正序换相通电，步进电机正转；如果按反序通电换相，步进电机反转。下面为八拍模式下以单片机的P0口的低四位为控制端口的正序和反序的控制码。正序：0x01，0x03，0x02，0x06，0x04，0x0c，0x08，0x09； 反序：0x09，0x08，0x0c，0x04，0x06，0x02，0x03，0x01。4.5显示模块显示模块的关键之处是了解显示的指令。本设计使用的是128X64LCD。编写程序时只要按照时序严格编写就可以实现车体运动状态的显示功能。第五章 系统仿真本设计是最后借助于仿真，完成的。简要步骤如下：在使用时先在Keil uVision环境下编辑程序，然后保存程序、建立新项目、设置项目，接着编译程序并生成HEX文件，最后在Proteus上调试和执行。仿真结果验证本设计的方法正确，结果正确。仿真采用按键代替番茄采摘机器人采摘结构提供的信号，用于控制后轮电机的转动，并将电机的状态信息显示出去。前轮电机的转动，也是通过按键来模拟采摘机构提供的信号来完成。5.1所示，显示的是后轮电机处于停止状态，显示屏显示为“停止”。此时LED点亮，蜂鸣器发出警报，车体停止运动。如图5.2所示，显示的是后轮电机处在正转的状态，在显示屏中显示为“前进”。此时无采摘任务，且前方无障碍物番茄采摘，机器人处于前进状态。图5.1 仿真效果图（后轮电机停止状态）图5.2 仿真效果图（后轮电机正转状态）结束语本文介绍了番茄采摘机器人运动控制系统的设计与实现，阐述了番茄采摘机器人运动控制系统的整体机械结构与运动控制系统的组成，并对基于AT89C52的控制策略进行了研究，设计了避障系统，并最终借助于Proteus完成了实验的验证。本设计简单，软件编程易实现，实时性好且成本低，通过试验，成功实现了避障、显示、报警等功能。一番风雨路三千，通过近一个学期的努力，终于在曲折中的完成了番茄采摘运动控制设计与实现这一毕业设计。毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的系统设计，感受到实践结合理论的重要性。在整个完成过程中，不仅提高了我查阅文献资料、设计手册、CAD制图、Proteus仿真等知识，并且使我的抗压能力、思维分析能力都有了很大提高，这必将成为我今后生活中不可多得的经验。同时在设计过程我也遇到了很多不懂的地方，比如如何选择电机的整体控制策略、避障系统的选择依据等问题。好在得到了王老师的耐心解惑，给我的毕业设计指明了方向。参考文献1 Ill-Woo Park, Jung-Yup Kim, Jungho Lee, Jun-Ho Oh. 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