农业采摘机器人控制系统的构成和设计分析

王慰慰

【摘  要】在我国大力发展农业现代化的过程中，为有效提高农业采摘效率，减轻工作人员的劳动强度，可以选择使用农业采摘机器人进行机械化操作。在这一背景下，本文将以农业采摘机器人作为主要研究对象，在阐明农业采摘机器人控制系统基本构成的基础上，结合相关研究资料尝试设计一种高效的农业采摘机器人控制系统。

【关键词】农业采摘机器人;控制系统;系统设计

引言

在设计使用农业采摘机器人的过程中，需要重点对其控制系统进行优化设计，使得农业采摘机器人可以根据实际需要灵活控制采摘运动动作，高效、精准地完成农业采摘工作，避免在采摘过程中对果蔬造成损坏，以此有效提升农业采摘整体成效，将人工采摘成本降至最低。因此对农业采摘机器人控制系统及其设计进行研究，具有十分重要的现实意义。

一、农业采摘机器人控制系统组成

越来越多的农业采摘机器人运用到农业生产中，如图1 所示，通过机器人实现对番茄的采摘。本文所设计的农业采摘机器人控制系统，主要通过对采摘机械手进行灵活、精准控制，用以快速完成果蔬采摘工作。因此在该农业采摘机器人控制系统当中，主要包括负责设置具体目标，对农业采摘机器人行走路线进行规划，并负责对执行任务指令进行准确下达，动态显示数据采集图像的主控制模块，负责对农业采摘机器人在运动过程中所产生的各项信息数据进行实时自动采集的数据采集模块以及利用人体仿真学使得农业采摘机械手可以模仿人手操作完成果蔬采摘动作的关节控制器。与此同时，在该农业采摘机器人控制系统当中，同时还包括数字信号处理器。

二、农业采摘机器人控制系统主要组成部分设计

（一）主要硬件设计

本文在设计农业采摘机器人控制系统的硬件部分中，选择使用系统最小电路dsPIC30F4012，用以保障设备可正常运行。其主要组成构件包括时钟与复位电路、测试电路LED等。除此之外，该农业采摘机器人控制系统的硬件电路中还包括电源模块、串口模块CAN总线通信模块等，其中机器人的机械手各关节主要通过CAN模块实现互联互通。在本文设计的农业采摘机器人系统的硬件中，关节控制器作为其中极为重要的一项硬件，负责对机器人的采摘动作进行实时控制，以此有效保障机器人可以按要求完成果蔬采摘工作。因此在实际设计这一关节控制器时，除同样使用系统最小电路外，还需设计专门的保护模块、信号反馈电路等其他功能模块。通过运用集成化技术将电压比较器与运算放大器以及AD模块组合在一起，构成一个完整的电流检测电路，使得经由取样电阻后的一路电机电流

可以转换成电流反馈至被直接输入至系统最小电路中的AD模块中[1]。而另一路则可以直接输入至电压比较器中。一旦电枢电流超过规定电流值，电压比较器将会立即中断信号，此时所输出的电平则相对较低，控制系统将自动向操作人员发送故障警报信号提醒其注意。

（二）通信传输设计

数据在进行传输过程中需要严格遵循通信协议规定，在本文设计的农业采摘机器人的上位机运动相关控制器中，设计通过运用插值运算以及轨迹规划，对机器人各关节位置实际控制量进行统一明确。利用与之相对应的CAN总线，将计算得到的控制量依次传输至各对应关节控制器中。在农业采摘机器人传感器当中所使用的关节电机，选用十二位磁感应方式。而农业采摘机器人控制系统中，主控机在与机械手、操作平台等之间进行数据交互传输中，设计采用建立在TCP基础上的无线网通信协议方式。通过对无线网物理层进行调用，并运用USB接口与RS-232串口等通信接口，在遵循该通信协议下使得农业采摘机器人控制系统可以自由进行数据的接收与发送。

（三）关键程序设计

1.传感器数据采集程序设计

图2展示的就是本文所设计的农业采摘机器人的传感器构成，而在农业采摘机器人GPS定位模块中，设计数据采集程序时，所有数据均需要利用串口传输至CAN智能节点中。

当程序开始运行时，首先需要判断队列是否为空，如果队列为空则可以直接退出程序。否则需要从队列中提取相应数据，当确定其接收到的数据帧头为$GPRMC且数据真实有效后，便可以循环接收字符数据。此时如果数据为帧，则需要对数据长度进行检验。一般情况下要求传感器接收得到的数据长度为81，在数据无任何异常情况下即可直接退出程序。反之该GPS模块还需要对异常数据进行进一步处理，确保数据真实、完整[2]。而在设计INS测量模块数据采集程序时，同样需在队列不为空的情况下，对其中的相关数据进行精准提取。在确认数据帧头为0xAA后即可进入到接收数据的環节中。一般情况下，INS测量模块采集得到的数据长度为21，但如果数据长度不为21，则系统需要重新进入数据接收循环，直至确定数据长度为21后再继续下一步。

2.主控机应用程序设计

在农业采摘机器人控制系统的主控机应用程序中，设计建立以Socket为基础的网络连接，在将获取的命令指令成功发送后，当下位机返回命令接收成功标识，即可从主控机应用程序中退出。但如果下位机并未有任何标识反馈，系统需对指令发送次数进行准确记录，以此为基础判断是否需要重新发送命令指令。通常情况下，在命令指令发送次数不超过5次时，可以再次重新发送命令指令，并重新等待下位机返回命令接收成功标识，一旦系统发送命令指令的次数在5次以上，则需直接退出该程序。

结束语

在本文所设计的农业采摘机器人控制系统中，通过运用规范标准的CAN总线通信，可以有效提高数据传输安全可靠性，并科学配置各控制单元。而在标准C语言控制下，系统软件结构层次得以更加清晰明确，有利于保障农业采摘机器人控制系统充分发挥自身控制性能，使得采摘机械手可以精准、快速完成果蔬采摘操作，进一步提高采摘成效。

参考文献：

[1]马鹏博.基于SLAM的农业采摘机器人运动控制系统设计[D].河南科技学院，2018.

[2]张文栋.釆摘机器人控制系统研究[D].北京林业大学，2015.

（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心）