基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的蘋果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

　　摘要:為了提高采摘機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和采摘機(jī)器人的移動(dòng)效率，設(shè)計(jì)出基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的蘋果采摘機(jī)器人。借助MatLab軟件平臺(tái)進(jìn)行模型搭建及控制系統(tǒng)仿真測試，實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成采摘過程測試、路徑規(guī)劃避障測試和采摘果實(shí)破損率統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明:基于迭代學(xué)習(xí)PID算法設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人可準(zhǔn)確鎖定采摘目標(biāo)，迅速實(shí)施穩(wěn)定的采摘?jiǎng)幼?，以最佳采摘角度最大程度地保證采摘果實(shí)完整性?；诘鷮W(xué)習(xí)PID算法設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人有效提高了采摘的精度和效率，使蘋果整體完好率達(dá)到98．3%以上，最大限度保證了采摘蘋果的質(zhì)量。

　　關(guān)鍵詞:蘋果采摘機(jī)器人;路徑規(guī)劃;迭代學(xué)習(xí);PID算法

　　0引言

　　蘋果是我國生產(chǎn)的主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)品之一，2017年我國蘋果種植面積為250．96萬hm2，年產(chǎn)量突破4548萬t，規(guī)模居世界第一。我國蘋果產(chǎn)量約占世界蘋果總產(chǎn)量的56．13%，居三大果品(蘋果、柑橘、梨)之首。2017年，我國蘋果種植環(huán)節(jié)生產(chǎn)總成本平均每667m2為5013．33元［1］。當(dāng)前，蘋果采摘機(jī)器人的發(fā)明與推廣在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，降低了人力成本，同時(shí)也帶來了一些弊端。例如，低控制精度下的采摘機(jī)器人動(dòng)作會(huì)對(duì)采摘果實(shí)造成一定程度的機(jī)械損傷，使得病原微生物對(duì)果實(shí)有機(jī)可乘，病原微生物的入侵將會(huì)導(dǎo)致蘋果腐爛變質(zhì)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大損失。采摘機(jī)器人在采摘過程中實(shí)際接觸果實(shí)，所以保證機(jī)械采摘果實(shí)完整性顯得尤為重要。為此，立足于控制系統(tǒng)角度進(jìn)行機(jī)器人全局優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升采摘機(jī)器人控制的精準(zhǔn)性和移動(dòng)效率，具有較大的價(jià)值與意義。

　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)包括移動(dòng)環(huán)節(jié)和采摘環(huán)節(jié)兩大部分。移動(dòng)環(huán)節(jié)采用履帶式結(jié)構(gòu)，采摘環(huán)節(jié)由手臂與手腕部分輔助實(shí)施采摘過程。蘋果采摘機(jī)器人主要采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)舵機(jī)組成。本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械部分結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　2硬件部分設(shè)計(jì)

　　蘋果采摘機(jī)器人硬件部分設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和硬件電路兩部分。在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分中，底盤采用履帶式結(jié)構(gòu)，保證采摘機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)不受采摘場地的限制。硬件電路部分主要由STM32主控制核心、圖像采集識(shí)別、舵機(jī)控制電路、XEEB通信、超聲波及紅外等傳感器組成，如圖3所示。本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人采摘機(jī)械臂為6自由度機(jī)械手，動(dòng)力結(jié)構(gòu)由2個(gè)旋轉(zhuǎn)舵機(jī)和4個(gè)移動(dòng)舵機(jī)組成。該結(jié)構(gòu)靈活性大、采摘范圍廣、運(yùn)行速度快且旋轉(zhuǎn)角度大，最大限度地保證采摘蘋果的質(zhì)量。采摘機(jī)器人控制流程:首先，通過圖像采集模塊捕捉到蘋果的實(shí)際位置，并將蘋果所在位置信息發(fā)送給主控制器，迭代學(xué)習(xí)PID算法開始響應(yīng)，控制器進(jìn)行計(jì)算并規(guī)劃出期望運(yùn)動(dòng)路徑;然后，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，硬件電路通過采樣得到電機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)計(jì)算系統(tǒng)誤差值e，通過迭代學(xué)習(xí)PID算法改變PWM占空比，進(jìn)一步消除偏差量，直到轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)到期望值;主控制器根據(jù)迭代學(xué)習(xí)PID控制算法保證機(jī)器人，以最佳期望方案進(jìn)行動(dòng)作，通過準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)舵機(jī)與夾角舵機(jī)的動(dòng)作配合，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速采摘。期望方案以最佳采摘角度來保證采摘果實(shí)的完整性。主控制器利用控制算法保證采摘機(jī)器人以最佳移動(dòng)方式切合期望路徑，超聲波及紅外模塊則配合該算法保證采摘機(jī)器人有較強(qiáng)的避障性能。XBEE通信模塊則實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的一系列通信功能。

　　3采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人為多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，為了保障控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境具有良好性能，設(shè)計(jì)時(shí)需要引入?yún)?shù)不確定的隨機(jī)干擾因素，動(dòng)力學(xué)方程為M(qk(t))q··k(t)+C(qk(t)，q·k(t))q·k(t)+G(qk(t))=τk(t)+dk(t)(3)其中，qk∈Ｒn、q·k∈Ｒn、q··k∈Ｒn為采摘機(jī)器人機(jī)械臂的角位移、角速度和角加速度;M(qk)∈Ｒn×n為慣性矩陣;C(qk，q·k)q·k∈Ｒn為離心力;G(qk)∈Ｒn為重力;τk(t)為控制力矩;dk(t)為采摘機(jī)器人機(jī)械臂工作時(shí)不確定外來擾動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)所要跟蹤的期望軌跡為qd(t)，t∈［0，T］。系統(tǒng)第i次輸出為qk(t)，根據(jù)公式(2)可知，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)誤差為ek=qk(t)－qd(t)。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本思路是通過學(xué)習(xí)控制律設(shè)計(jì)uk+1(t)，使得第k+1的控制誤差ek+1(t)減少。

　　4仿真與分析

　　在MatLab軟件的Simulink中，根據(jù)參考文獻(xiàn)［10］中機(jī)器人仿真實(shí)驗(yàn)步驟，搭建系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。其中，線速度輸入采用vd=1．0，角度輸入信號(hào)采用sin(t)正弦信號(hào)?？刂埔?guī)律采用公式(4)閉環(huán)PD型，總的迭代次數(shù)為10次，系統(tǒng)仿真時(shí)間為20s。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)蘋果采摘系統(tǒng)進(jìn)行了大量的仿真，在迭代學(xué)習(xí)PID控制算法下，y軸方向上速度跟蹤如圖5所示，y軸方向上角度跟蹤如圖6所示，角度及速度跟蹤下降曲線如圖7所示

　　5采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)與測試

　　采摘系統(tǒng)測試從機(jī)器人移動(dòng)路徑測試及采摘效果測試兩個(gè)方面進(jìn)行?？刂葡到y(tǒng)的控制對(duì)象是2個(gè)直流電機(jī)及6個(gè)控制舵機(jī)，電機(jī)同時(shí)匹配光電編碼器，實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速波形，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N模塊。采摘機(jī)器人主控制器芯片采用STM32F103ZET6型號(hào)32位AＲM微控制器，上電后采摘機(jī)器人采摘?jiǎng)幼魅鐖D8所示。

　　6結(jié)論

　　1)設(shè)計(jì)了一種基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的蘋果采摘機(jī)器人，采用迭代PID算法契合控制期望目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于蘋果采摘機(jī)器人的實(shí)際動(dòng)作軌跡的高效跟蹤與在線調(diào)整，迭代學(xué)習(xí)過程中進(jìn)一步消除了系統(tǒng)誤差，提升控制系統(tǒng)精度和采摘機(jī)器人的工作效率。

　　2)基于迭代學(xué)習(xí)PID算法的蘋果采摘機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于采摘目標(biāo)的快速鎖定、有效避障規(guī)劃路徑與穩(wěn)定完整采摘果實(shí)，工作效率高，果實(shí)破損率低。3)蘋果采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中可以克服未知參數(shù)和隨機(jī)擾動(dòng)的不確定性，控制機(jī)械手臂精準(zhǔn)到達(dá)蘋果果實(shí)所在位置進(jìn)行采摘，并以最佳采摘角度和最大程度保證采摘果實(shí)的完整性。其成功率較高、硬件集成簡單，易于學(xué)習(xí)接受，可在未來農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械領(lǐng)域上有效推廣，具有一定的應(yīng)用前景。

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