基于移動通信終端控制的采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計.pdf

基于移動通信終端控制的采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計 李 萍 鄭州升達經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院信息工程學(xué)院 鄭州 摘 要 以采摘機器人系統(tǒng)為研究對象 基于移動通信技術(shù)設(shè)計采摘機器人控制系統(tǒng) 實現(xiàn)了移動控制終端與采 摘機器人之間的網(wǎng)絡(luò)通信 并進行軟件程序設(shè)計 系統(tǒng)性能測試結(jié)果表明 利用移動通信終端進行遠程系統(tǒng)控 制時 當信號傳輸強度等級大于 級時 通信過程數(shù)據(jù)無丟失 數(shù)據(jù)傳輸過程中延遲時間平均小于 滿足采 摘機器人遠程控制性能需求 關(guān)鍵詞 采摘機器人 移動通信終端 數(shù)據(jù)丟失率 延遲性 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 引言 采摘機器人可有效進行農(nóng)產(chǎn)品的采摘 并可完成 采摘后的運輸和包裝等任務(wù) 采摘機器人的發(fā)展水 平 是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物種植水平的體現(xiàn) 采摘機器 人要求具有較強的移動能力 能夠?qū)Σ烧鳂I(yè)周圍環(huán) 境信息進行感知 形成自適應(yīng)調(diào)整的自動化采摘 采 摘機器人系統(tǒng)主要涉及領(lǐng)域包含通訊 圖像采集識 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)計了一種可進行遠程 終端控制的采摘機器人 采用不同的功能模塊實現(xiàn)采 摘過程自動行走和采摘環(huán)境感知 同時利用移動通信 遠程控制終端對采摘機器人進行指令控制 實現(xiàn)智能 化采摘作業(yè) 采摘機器人控制系統(tǒng)需求 采摘機器人是一種能夠進行自動移動的無人操作 設(shè)備 自身集成多種傳感器 能夠在不同的環(huán)境內(nèi)進 行自由運動 同時可根據(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 徑進行運輸 采摘過程中 需要采摘機器人根據(jù)設(shè) 定路線進行準確運動 進行農(nóng)產(chǎn)品采摘 因此要求采 摘機器人控制系統(tǒng)能夠精準進行移動控制 并將位置 狀態(tài)信息和采摘過程參數(shù)信息數(shù)據(jù)進行有效傳輸 方 便使用者對采摘機器人的作業(yè)狀態(tài)信息進行掌控 根據(jù)以上分析 采摘機器人首先要求能夠自動開 收稿日期 基金項目 河南省科技廳項目 作者簡介 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) 并對控制系 統(tǒng)中裝載的控制軟件程序進行運行 接收控制過程相 關(guān)指令 控制系統(tǒng)接收到移動終端發(fā)送來的動作指 令后 對相關(guān)傳感器進行初始化設(shè)置 按照設(shè)定程序 開始程序運行狀態(tài) 實時進行采摘機器人作業(yè)控制和 狀態(tài)監(jiān)測 將反饋信息數(shù)據(jù)發(fā)送至控制系統(tǒng)主機 并 通過移動通信傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至移動終端 當 采摘機器人控制系統(tǒng)初始化完成后 控制系統(tǒng)主機接 收移動終端指令 對指令數(shù)據(jù)進行解析 生成系統(tǒng)可 執(zhí)行數(shù)據(jù) 通過總線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動 系統(tǒng) 完成相關(guān)作業(yè)動作 采摘機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)采摘機器人系統(tǒng)功能需求 設(shè)計的采摘機器 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 采摘機器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 所示 工作時 采用 進行采摘機器人坐標定位 利用超聲波進行 作業(yè)過程距離測量 同時可進行采摘機器人作業(yè)時的 相關(guān)數(shù)據(jù)管理 采摘機器人控制系統(tǒng)主機可通過遠程控制器接收 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 當采摘機器人 控制系統(tǒng)接收到運行狀態(tài)進行指令和故障指令時 主 機對運行狀態(tài)指令進行中止 并按照設(shè)定緊急程序進 行相關(guān)動作 手動遠程控制指令通過移動終端發(fā) 送 利用無線數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)主機 實現(xiàn)采摘機 器人的遠程控制 路徑指定執(zhí)行指令是按照設(shè)定好 的通信路徑 將采摘目標狀態(tài)信息發(fā)送至控制系統(tǒng)主 機 經(jīng)過接收和解析后 對執(zhí)行機構(gòu)電機進行驅(qū)動 過 程中需要傳感器的輔助 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 07 032 采摘機器人系統(tǒng)在通信過程中 要求保證控制系 統(tǒng)主機和移動終端能夠通信暢通 控制系統(tǒng)主機對采 摘機器人的整體運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測 并可將分析 處理后的參數(shù)信息發(fā)送至移動終端 采摘機器人系 統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)主要包含控制系統(tǒng)主機發(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)主機與移動終端之間的交互數(shù)據(jù) 圖 采摘機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖 采摘機器人控制指令發(fā)送流程圖 采摘機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 按照采摘機器人的功能需求和作業(yè)控制過程 所 設(shè)計的采摘機器人控制系統(tǒng)程序執(zhí)行流程架構(gòu)如圖 所示 采摘機器人進行遠程移動終端控制時 要求具有 較高的定位準確度 能夠?qū)崿F(xiàn)動態(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)議對定位數(shù)據(jù)進行采集和處 理 定位模塊在執(zhí)行數(shù)據(jù)采集程序時 首先 根據(jù)數(shù)據(jù)格式特征進行解析 將定位數(shù)據(jù)按照解析格 式進行發(fā)送 保證數(shù)據(jù)傳輸過程的準確性 采摘機器 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 采摘機器人作業(yè)過程中 要求能夠?qū)Σ烧h(huán)境內(nèi) 的相關(guān)障礙進行檢測和判斷 保證執(zhí)行采摘任務(wù)過程 中不出現(xiàn)碰撞 因此 采用超聲模塊 對相關(guān)障礙物與 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 采摘機器人本體之間的距離進行測量 當超聲波測 距儀檢測到障礙物與采摘機器人本體之間的距離時 與設(shè)定好的避障比例進行對比 并做出按照原路徑運 動或避障的控制指令 采摘機器人測距模塊數(shù)據(jù)采 集分析處理流程圖如圖 所示 圖 測距模塊數(shù)據(jù)采集分析處理流程圖 控制系統(tǒng)主機與移動控制終端之間通過移動無線 通信進行連接 執(zhí)行 通信協(xié)議 確保數(shù)據(jù)傳輸過 程的安全性 使控制系統(tǒng)主機能夠準確接收到移動終 端指令 控制主機在進行作業(yè)指令發(fā)送時 構(gòu)建采摘 機器人控制器與控制主機之間的移動通信網(wǎng)絡(luò) 相互 進行指令數(shù)據(jù)交互 直至采摘機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) 采摘機器人系統(tǒng) 主機應(yīng)用程序流程圖如圖 所示 采摘機器人控制系統(tǒng)中 移動終端能夠保證使用 人員進行遠程指令發(fā)送 同時進行采摘機器人作業(yè)狀 態(tài)實時監(jiān)測 移動終端應(yīng)用程序的主要任務(wù)是進行 移動通信網(wǎng)絡(luò)的組件和采摘機器人作業(yè)狀態(tài)與控制 指令數(shù)據(jù)的傳輸 采摘機器人控制主機與移動終端 進行數(shù)據(jù)傳輸交互時 可保證使用人員實時監(jiān)測到采 摘機器人在作業(yè)現(xiàn)場的實時動態(tài)數(shù)據(jù) 系統(tǒng)性能試驗 利用移動通信終端進行采摘機器人作業(yè)控制時 指令發(fā)送過程存在不同程度的通信延遲 造成控制指 令傳輸過程實時性和穩(wěn)定性波動 采摘機器人控制 系統(tǒng)建立完成后 進行通信模塊測試 利用移動通信 終端向控制系統(tǒng)主機發(fā)送指令 并在移動通信終端查 看指令返回結(jié)果 指令發(fā)送過程中 采用 種不同強 度等級的通信信號 每種強度的通信信號進行 次 試驗 試驗過程中記錄傳輸過程中的最大延遲時間和 平均延遲時間 試驗完成后 統(tǒng)計指令發(fā)送接收過程 中的數(shù)據(jù)丟失率 結(jié)果如表 所示 圖 采摘機器人系統(tǒng)主機應(yīng)用程序運行流程圖 表 采摘機器人系統(tǒng)移動通信終端數(shù)據(jù)傳輸試驗結(jié)果 信號強度 等級 傳輸最大 延時時間 傳輸平均 延時時間 數(shù)據(jù)丟失率 未返回數(shù)據(jù)未返回數(shù)據(jù) 由表 試驗數(shù)據(jù)可以看出 當通信信號強度低于 級時 信息指令數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的丟失 并造成指令信息 傳遞過程有較大的延遲性 無法保證采摘機器人的實 時控制 信號強度高于 級時 指令數(shù)據(jù)傳輸過程中無 數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象 且數(shù)據(jù)傳輸過程中的延遲現(xiàn)象不會對 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 采摘機器人的控制過程產(chǎn)生影響 結(jié)論 移動通信終端能夠?qū)Σ烧獧C器人作業(yè)過程進行實 時控制 并保證控制過程信息傳遞的可靠性 能夠?qū)?現(xiàn)采摘機器人系統(tǒng)設(shè)計的預(yù)期效果 對同類型遠程控 制農(nóng)用自動化智能設(shè)備的開發(fā)有一定借鑒意義 參考文獻 雷旺雄 盧軍 基于全卷積網(wǎng)絡(luò)與凹點搜索的重疊葡萄分 割算法 光電子 激光 朱文琦 基于 和粒子群算法的采摘機械手電氣控制 系統(tǒng) 農(nóng)機化研究 崔翔宇 趙紅 朱智富 等 可訓(xùn)練變換器和 在果實 識別網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 青島大學(xué)學(xué)報 工程技術(shù)版 岳有軍 孫碧玉 王紅君 等 基于級聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的番 茄果實目標檢測 科學(xué)技術(shù)與工程 吳劍橋 范圣哲 貢亮 等 果蔬采摘機器手系統(tǒng)設(shè)計與控 制技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 智慧農(nóng)業(yè) 中英文 李澤宇 解迎剛 曹滿鑫 等 基于物聯(lián)網(wǎng)感知的草莓采摘 機器人設(shè)計 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 肖楊 管秀君 林楠 等 基于無線網(wǎng)絡(luò)的采摘機器人控制 系統(tǒng)設(shè)計 農(nóng)機化研究 熊俊濤 李中行 陳淑綿 等 基于深度強化學(xué)習(xí)的虛擬機 器人采摘路徑避障規(guī)劃 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 葉振環(huán) 李永強 朱正龍 等 獼猴桃采摘機械移動平臺結(jié) 構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真分析 科技創(chuàng)新與應(yīng)用 李梅 水果采摘機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計 貴陽學(xué)院 學(xué)報 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)的蘋果檢測方法 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 蘇明 韓慧敏 機器人加人工輔助控制采摘果實新裝備 研究 電子制作 滕麗麗 陳博 基于 的水果采摘機器人控制系統(tǒng) 的研究 信息記錄材料 楊英華 基于大數(shù)據(jù)和 的采摘機器人遠程操作系 統(tǒng)研究 農(nóng)機化研究 王亮 趙德安 劉曉洋 基于深度相機的蘋果采摘機器人 路徑規(guī)劃研究 軟件導(dǎo)刊 年 月 農(nóng)機化研究 第 期