基于模糊PID控制的采摘機器人行走系統(tǒng)設(shè)計.pdf

基于模糊 控制的采摘機器人行走系統(tǒng)設(shè)計 楊 旭 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 摘 要 為了提高采摘機器人行走系統(tǒng)翻越較小障礙物的能力 提升復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下機器人行走的穩(wěn)定性 在 行走系統(tǒng)中引入了動力響應(yīng)智能控制系統(tǒng) 系統(tǒng)利用 控制器和模糊算法 在檢測到障礙物時自動確定是否 可以翻越障礙物 如果可以翻越 則會產(chǎn)生一個較大的翻越障礙物的動力 使機器人可以順利行進(jìn) 而無需繞 行 采用 軟件對系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試 結(jié)果表明 在遇到障礙物后 機器人可以順利地產(chǎn)生動力響應(yīng) 從而順利翻越障礙物 進(jìn)而提高了采摘機器人對行走環(huán)境的適應(yīng)能力 關(guān)鍵詞 采摘機器人 行走系統(tǒng) 模糊算法 短跑訓(xùn)練 輔助器材 中圖分類號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 文章編號 引言 對于采摘機器人來說 采摘效率的提高不是短時 間內(nèi)可以完成的 而是需要長時間進(jìn)行大量的智能訓(xùn) 練 在機器人學(xué)習(xí)過程中往往會產(chǎn)生新的障礙物 而 借助輔助器材訓(xùn)練可以增加采摘機器人的學(xué)習(xí)能力 并可以有針對性地使采摘機器人改善一些動作技巧 從而取得更好的訓(xùn)練效果 在采摘機器人自主行走 時 由于采摘作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性 路面往往是高低不 平的 經(jīng)常會遇到一些較小的 可翻越的障礙物 這就 需要機器人具有翻越障礙物的爆發(fā)力 因此 參考運 動員爆發(fā)力訓(xùn)練原理 利用智能化檢測控制系統(tǒng) 機 器人可以高效地翻越障礙物 并獲得較好的穩(wěn)定性 采摘機器人爆發(fā)力訓(xùn)練機器應(yīng)用 智能采摘機器人的跨越系統(tǒng)有一點類似于短跑 運動中的動作 在短跑訓(xùn)練時 教練員不僅需要給運 動員安排合理的技術(shù)動作訓(xùn)練 還要根據(jù)運動員需 求 有針對性地使用一些輔助器材來改善運動員的動 作 否則在長期的訓(xùn)練過程中 運動員會產(chǎn)生倦怠感 不僅不能夠提高短跑成績 反而會降低運動員的成 績 從而給教練員帶來負(fù)面的影響 在短跑運動過程中 運動員的爆發(fā)力對最終成績 的影響很大 山羊與欄架組合是一種較好的爆發(fā)力 收稿日期 基金項目 教育部科技發(fā)展中心第三批 云數(shù)融合科教創(chuàng)新 基金項 目 作者簡介 楊 旭 男 河北平山人 講師 碩士 訓(xùn)練輔助器材 如圖 所示 在訓(xùn)練時 運動員可以 跨過幾個欄架后以最大的力量跳上山羊架 著地的瞬 間再以最快的速度跨越欄架 通過反復(fù)訓(xùn)練可以激發(fā) 運動員的爆發(fā)力 圖 山羊架示意圖 運動員的爆發(fā)力訓(xùn)練原理也可以應(yīng)用到采摘機 器人行走系統(tǒng)的設(shè)計上 如圖 所示 圖 爆發(fā)力訓(xùn)練的應(yīng)用 在機器人遇到較小的障礙物時 為了提高行走的 效率 可以無需躲避障礙物 以一定的爆發(fā)力翻越障 礙物 機器人何時利用爆發(fā)力翻越障礙物 需要利用 智能化檢測系統(tǒng)首先檢測到障礙物 再利用反饋系統(tǒng) 傳遞給機器人控制系統(tǒng) 通過電機和行走執(zhí)行末端執(zhí) 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 10 002 行控制指令 來實現(xiàn)自主行走翻越障礙物 基于模糊 控制的機器人行走系統(tǒng) 為了使機器人具有自主化作業(yè)的能力 在設(shè)計采 摘機器人時需要采用智能化自主行走系統(tǒng) 在采摘 機器人作業(yè)過程中 由于環(huán)境的復(fù)雜性 要求機器人 的行走較為平穩(wěn) 以防止在作業(yè)時發(fā)生側(cè)翻 特別是 當(dāng)采摘機器人要翻越較小的障礙物時 機器人還需要 具有一定的爆發(fā)力 才能輕松越過障礙物 參考短跑 動作訓(xùn)練器材的爆發(fā)力訓(xùn)練 在訓(xùn)練機器人時可以采 用智能化算法 在遇到障礙物時機器人突然增加一個 翻越障礙物的力 其流程如圖 所示 圖 翻越障礙物流程 當(dāng)遇到小的障礙物時 采摘機器人的阻力會增 大 可以利用 反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 將力反饋給控制中 心 控制系統(tǒng)通過提高電機轉(zhuǎn)速 使行走系統(tǒng)獲得更 大的動力 在機器人行走系統(tǒng)行進(jìn)過程中 還可以對 機器人的阻力進(jìn)行實時監(jiān)測 使前進(jìn)的動力和阻力相 匹配 對電機速度進(jìn)行控制 假設(shè)初始的輸出誤差為 其表達(dá)式為 其中 為調(diào)節(jié)系數(shù) 為了使系統(tǒng)的誤差最小 還需要結(jié)合相關(guān)算法對 調(diào)節(jié)系數(shù)進(jìn)行修正 模糊控制可以合理地調(diào)整這組 參數(shù) 其主要通過調(diào)整期望值和實際值的偏差 以及 偏差率 來實現(xiàn)參數(shù)的修正 模糊控制過程為 其中 為修正因子 當(dāng) 較大時 則 當(dāng) 較小時 則 其中 修正因子 且 模糊規(guī)則制定以后 設(shè) c 均服從正 態(tài)分布 可得出各模糊子集的隸屬度 利用模糊 控制器 查出修正參數(shù) 再計算出當(dāng)前 參數(shù) 在實際調(diào)速時 采摘機器人行走系統(tǒng) 電機可以由 算法的 控制方式實現(xiàn) 其連續(xù)性控制 方程為 其中 為比例增益 為積分時間 為積分 增益 對應(yīng)的數(shù)字離散方程為 其中 為 次采樣的輸出值 為相對于前一 次采用的偏差 前一次方程為 兩方程相減可得 采用增量式的 控制可以避免誤差的累加 控制采用加權(quán)的方式可以有效地抵消誤差的影響 采用增量式控制器 結(jié)合反饋信息 其控制流程如圖 所示 圖 控制器控制流程 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 增量式 控制算法主要是利用計算得到的增量 控制電機轉(zhuǎn)速變化的輸出量 其中 將產(chǎn)生的 動力和阻力相減得到的誤差為 作為計算依據(jù) 通過 不斷地調(diào)整增量的大小 最終使誤差函數(shù)趨近于 實 現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié) 其中 調(diào)節(jié)可以使用模糊控 制算法來進(jìn)行 從而提高控制系統(tǒng)的精度 采摘機器人行走系統(tǒng)測試 隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展 各種智能化農(nóng) 機被逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中 包括無人駕駛播種 機 無人駕駛收割機 無人駕駛植保機及采摘機器人 等 目前 對于采摘機器人的研究 大部分研究項目 都集中在機械手的研究上 如圖 所示 這是由于在 采摘一些脆弱的果實時 如果采摘力和機械手的材料 過硬 會造成果實的損傷 為了降低損傷率 采摘執(zhí) 行末端的設(shè)計非常重要 目前采摘執(zhí)行末端的研究已 經(jīng)較為成熟 圖 采摘機械手示意圖 對于采摘機器人的設(shè)計而言 行走系統(tǒng)的設(shè)計也 非常重要 這是由于采摘作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜 為了使 機器人獲得較好的穩(wěn)定性 以提高作業(yè)質(zhì)量 避免側(cè) 翻等作業(yè)事故的發(fā)生 行走系統(tǒng)必須具有自主翻越障 礙物的功能 包括一些較小的凹凸位置 因此 重點 對機器人的行走系統(tǒng)進(jìn)行了研究 并建立了機器人的 仿真模型 如圖 所示 采摘機器人的行走系統(tǒng)主要分為兩種 一是輪式 行走系統(tǒng) 二是履帶式行走系統(tǒng) 其中 履帶式行走 系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性 所以 選用了履帶式采摘機 器人作為研究對象 并利用 軟件對機器人的 動力性能進(jìn)行了仿真研究 仿真參數(shù)及輸出類型設(shè)置如圖 所示 在仿真 計算時 可以根據(jù)運動員爆發(fā)力的訓(xùn)練原理 結(jié)合前 文中的智能化控制系統(tǒng) 在軟件模擬時利用參數(shù)設(shè)置 和編程的方式設(shè)計智能化控制系統(tǒng) 通過仿真計算得 到的結(jié)果如圖 所示 圖 履帶式行走系統(tǒng)機器人 圖 仿真參數(shù)及輸出類型設(shè)置 圖 仿真計算結(jié)果曲線 圖 中 模擬真實的采摘環(huán)境 設(shè)置了 處較小的 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 障礙物 在機器人通過障礙物時會產(chǎn)生一個爆發(fā)力 來使機器人具有翻越障礙物的動力 由仿真結(jié)果可 以看出 機器人在遇到障礙物時 電機可以產(chǎn)生一個 較快的轉(zhuǎn)速 從而使機器人獲得較大的動力 以保證 順利地翻越障礙物 在 個障礙物處機器人均獲得 了較大的動力 從而驗證了行走系統(tǒng)的可靠性 結(jié)論 為了提高采摘機器人行走系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其在 凹凸不平作業(yè)環(huán)境下行走的適應(yīng)能力 引入了基于短 跑動作訓(xùn)練器材爆發(fā)力訓(xùn)練的智能控制系統(tǒng) 并采用 控制器和模糊控制算法實現(xiàn)了翻越障礙物時動力 的智能響應(yīng) 利用 仿真軟件 對系統(tǒng)的動力 響應(yīng)過程進(jìn)行了驗證 結(jié)果表明 采摘機器人行走系 統(tǒng)在遇到較小障礙物時可以順利產(chǎn)生動力響應(yīng) 從而 翻越障礙物 進(jìn)而提高了機器人行走的機動性 參考文獻(xiàn) 杜香當(dāng) 身體運動功能訓(xùn)練理念對短跑項目體能訓(xùn)練的 影響 青少年體育 韓浩天 采摘機器人核心力量訓(xùn)練方法的動作分析 搏擊 武術(shù)科學(xué) 丁道旭 商慶清 時維鐸 專業(yè)短跑訓(xùn)練機的研究與設(shè)計 科技創(chuàng)新導(dǎo)報 劉兆祥 劉剛 喬軍 蘋果采摘機器人三維視覺傳感器設(shè) 計 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 蔡健榮 孫海波 李永平 等 基于雙目立體視覺的果樹三 維信息獲取與重構(gòu) 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 蔡健榮 趙杰文 等 水果收獲機器人避障路徑規(guī) 劃 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 呂繼東 趙德安 姬偉 等 開放分布式蘋果采摘機器人控 制系統(tǒng)研究及實現(xiàn) 小型微型計算機系統(tǒng) 楊晶東 洪炳熔 樸松昊 基于模糊行為融合的移動機器 人避障算法 華中科技大學(xué)報 自然科學(xué)版 李寒 王庫 曹倩 等 基于機器視覺的番茄多目標(biāo)提取與 匹配 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 項榮 應(yīng)義斌 蔣煥煜 田間環(huán)境下果蔬采摘快速識別與 定位方法研究進(jìn)展 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 蔡健榮 孫海波 李永平 等 基于雙目立體視覺的果樹 三維信息獲取與重構(gòu) 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 孟慶寬 何潔 仇瑞承等 基于機器視覺的自然環(huán)境下作 物行識別與導(dǎo)航線提取 光學(xué)學(xué)報 劉金龍 鄭澤鋒 丁為民 等 對靶噴霧紅外探測器的設(shè) 計與探測距離測試 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 焦恩璋 陳美宏 工業(yè)機器人離線編程研究 裝備制 造技術(shù) 紀(jì)超 馮青春 李偉 溫室黃瓜采摘機器人系統(tǒng)研制及性 能分析 機器人 毛可駿 周平 趙勻 基于機器視覺的自主插秧機導(dǎo)航信 息的提取研究 農(nóng)機化研究 劉繼展 李萍萍 李智國 番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的 硬件設(shè)計 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 高峰 李艷 見浪護(hù) 基于遺傳算法的農(nóng)業(yè)移動機器人視 覺導(dǎo)航方法 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 劉金龍 丁為民 鄧巍 果園對靶噴霧紅外探測系統(tǒng)的設(shè) 計與試驗 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 李麗 李恒 何雄奎 紅外靶標(biāo)自動探測器的研制及試驗 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 裴文超 陳樹人 尹東富 基于 和單片機的實時對靶 噴施除草系統(tǒng) 農(nóng)機化研究 邱棟 基于 的礦用巡檢機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 煤 礦機械 林鐘衛(wèi) 劉禎 羅準(zhǔn) 等 多功能 管道行走機器人的 結(jié)構(gòu)設(shè)計和研究 機械工程師 楊光友 倪博文 李江 等 水田作業(yè)農(nóng)業(yè)機器人平臺設(shè) 計 農(nóng)機化研究 王維正 基于 的機器人自主行走控制方法研 究 產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究 下轉(zhuǎn)第 頁 年 月 農(nóng)機化研究 第 期 馬思群 王開順 李健 等 基于 的動車轉(zhuǎn)向架虛 擬拆裝培訓(xùn)系統(tǒng)研究 鐵路計算機應(yīng)用 金芳曉 謝叻 基于虛擬現(xiàn)實的人機工程 和 方法研究 江西師范大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 張秋月 安魯陵 虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)在飛機裝配 中的應(yīng)用 航空制造技術(shù) 李靜蓉 倪建龍 陳銳奇 等 基于虛擬現(xiàn)實交互的虛擬 鍛造工藝實習(xí)系統(tǒng)設(shè)計 實驗室研究與探索 劉春芳 程熙 謝利 等 基于 的機械產(chǎn)品虛擬拆裝 展示系統(tǒng)的設(shè)計 信息技術(shù) 上接第 頁 年 月 農(nóng)機化研究 第 期