果树采摘机器人控制与避障技术研究

论文摘要

果园收获作业机械化、自动化是广大果农们关注的热点问题,开展果树采摘机器人研究,不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义,而且对于跟踪世界农业新技术、促进我国农业科技进步,加速农业现代化进程有着重大的历史意义。果树采摘机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,它是由机械手固定在履带式移动平台上构成的一类特殊的移动机器人系统。本文在国家“863”高技术项目“果树采摘机器人关键技术研究”支持下,以自行设计的机器人机械结构为研究对象,对果树采摘机器人的控制系统进行了分析、研究和设计,设计了视觉伺服控制器,并对采摘机器人避障技术进行了探讨。主要工作如下:首先,分析了果树采摘机器人机械结构,介绍了机器人运动学理论,根据自行设计的5自由度机械臂机械特性,采用几何结构算法,建立了果树采摘机器人机械臂的正、逆运动学方程。其次,基于开放、先进和可靠的考虑,采用开放式结构设计机器人的控制系统。在开放式控制系统设计中,主要对果树采摘机器人硬件组成部分主控计算机、运动控制器、数据采集卡等进行了选型设计。在分析果树采摘机器人工作环境和工作特性的基础上,设计了果树采摘机器人的外围传感器。再次,根据果树采摘机器人机械结构和控制系统结构组成,设计了PID控制器,应用于机器人视觉伺服控制,实现果树采摘机器人的实时控制。在详细论述关节式机器人避障方法的基础上,对果树采摘机器人避障方法进行了初步的探讨,提出了采用C-空间法实现采摘机器人实时避障。最后,建立了传感器实验平台,通过实验验证了所设计传感器的正确性。利用固高PAN&TILT两维数控转台和实地拍摄的苹果图像,对所提出的控制方法通过转台控制实验进行了验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 农业采摘机器人研究现状及特点
• 1.1.1 农业采摘机器人国内外研究进展
• 1.1.2 农业采摘机器人的特点
• 1.2 农业采摘机器人研究存在的问题与解决方法
• 1.2.1 存在的技术难题
• 1.2.2 技术难题解决方法
• 1.3 本文主要研究内容及研究意义
• 1.3.1 本文主要研究内容:
• 1.3.2 本课题研究意义
• 第二章 果树采摘机器人建模与分析
• 2.1 果树采摘机器人机械结构
• 2.2 摄像机投影模型
• 2.3 履带式移动平台模型
• 2.4 果树采摘机器人机械臂运动学分析
• 2.4.1 机械臂正运动学分析
• 2.4.2 机械臂逆运动学建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 果树采摘机器人控制结构设计
• 3.1 开放式控制系统结构设计
• 3.1.1 主控计算机
• 3.1.2 运动控制器
• 3.1.3 数据采集卡
• 3.1.4 机械臂伺服电动机
• 3.1.5 气压传动装置
• 3.2 外部传感器设计
• 3.2.1 末端操作器传感器布局
• 3.2.2 位置传感器设计
• 3.2.3 压力传感器设计
• 3.2.4 视觉传感器选型
• 3.2.5 碰撞传感器设计
• 3.3 本章小结
• 第四章 果树采摘机器人控制方法研究
• 4.1 视觉伺服控制系统分析
• 4.2 采摘机器人控制策略
• 4.3 运动控制器设计
• 4.3.1 PID数字控制器设计原理
• 4.3.2 PID数字控制器程序设计
• 4.3.3 数字PID控制器参数整定法
• 4.4 控制系统软件设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 果实采摘机器人避障方法探讨
• 5.1 引言
• 5.2 C-空间法
• 5.3 人工势场法
• 5.4 果树采摘机器人避障方法
• 5.4.1 采摘环境分析
• 5.4.2 C-空间障碍边界建模
• 5.4.3 采摘机器人小臂C-空间障碍及计算
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验及结论
• 6.1 传感器实验
• 6.1.1 位置传感器实验
• 6.1.2 压力传感器实验
• 6.2 运动控制实验
• 6.2.1 运动控制方法验证
• 6.2.3 给定输入信号的控制过程
• 6.3 结论
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目与已录用的学术论文