电气工程及其自动化毕业论文-番茄采摘机器人运动控制系统的设计与实现

绪论1.1研究背景与意义近年来，随着电子信息技术的不断进步，智能化的机器人被越来越多地运用于各个行业。在进行农业工作的过程中，因为其工作对象的复杂性和多样化，再加上目前国内存在着人口老化的情况，因此，开发一种新型的农机，即农业机器人，有着很好的经济效益和很好的市场发展潜力，这符合了时代发展的需求。番茄采摘机器人是一种为了解决传统手工收割果实耗时、耗时的问题，而专门设计出来的一种智慧农业设备。为了保证机械臂能够持续、平稳地完成作业，本文对机械臂的动作进行了研究。在国外，日本和美国等先进的农业技术已于80年代初开展了收割机的技术和应用，并在收割机上获得了较大的成功。从美国首个番茄采摘机器人到现在，至今已有30多年的历史，而目前国内番茄采摘机器人的研制仍处在初级状态，亟待加速，争取早日达到世界先进水准，为国家的粮食安全和发展做出重要的努力。1.2果实采摘机器人研究现状1.2.1果实采摘机器人国内外发展现状采摘机器人指的是，它的目标是水果和蔬菜，可以用程序来实现这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务，它是一种集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学。过去30多年里，采摘机器人的发展可以用飞速来形容，日本与欧美纷纷开展了苹果、柑橘、番茄、西瓜、葡萄等的采摘研究。相对于中国来说，外国的技术已经走在了世界的前列。(1)由日本Nito等开发的番茄采摘机器人为典型的番茄采摘机器人。该系统由机械臂，末端执行器，运动和行走机构，视觉识别器，控制模块，能源模块等组成。图1.1、1.2为其所研制的七个自由度收割机的机构组成及实际样机示意图。采用多个7个自由度机器人手臂，实现机器人对障碍的柔性规避。在此基础上，研制出了一台果实采摘精度达到70%，采摘效率达到15秒。(2)美国科研工作者利用美国国家航空航天局提供的资金，开发出了一款番茄采摘机器人，该机器人能根据植物与叶子的距离，挑选出最好的番茄来收获。分拣器的精确度达到了85。(3)由日本一家机械制造公司开发的一台草莓收割机，见图1.1。在其内部安装有一台可以识别色彩的照相机，这台照相机可以精确地将草莓与绿色的叶子区分开来。通过对果实颜色进行预置，并采用特殊的机器机构对果实进行自动判定，最终达到所需果实的标准。每秒10秒。(4)韩国收获水果机械臂：韩国庆北大学的科研工作者开发了四种不同的水果收获机械臂，其中3个转动铰链、1个活动铰链。终端操作机构以三个手指的抓取式，并在掌心安装了一个气压感应器，避免了对苹果的伤害。该产品使用CCD相机及光学感应器进行果实辨识，对于未出树的果实，辨识准确率可达85%，每棵果实5秒钟。在其终端操作台下面，还设置了一个果实回收袋子，这样可以减少从果实到摆放的过程，加快果实的收获。尽管我国的机器人技术刚刚开始，但是随着改革开放的深入，它得到了飞速的发展。尤其是我国许多大专院校、研究所正积极从事收割机、智能化农业机械等领域的相关工作，并取得了一批成果。其中具有典型意义的有：由陆怀民研制的伐木圆锥机械臂；吉林工程学院周云山教授等从事香菇收获的机械臂的研制；中国农大的张铁忠教授等学者为国内普通的日光温室种植的草莓，分别研制出三种不同的拾取机械臂；南京农大的季长英和张瑞和研制出了一种收割番茄的机器人。在图片1.2中，我们看到了由清华大学研发的一款收割南瓜的机器人。该产品为我国第一台，已取得了多个国家发明专利。该方法通过多个传感器的数据融合能力，对采摘对象进行数据采摘，并对其进行判定，进而决定采摘对象的空间定位，进而完成对其进行终端执行机构的控制与作业。并且可以在无组织的情况下进行智能化的开发。图1.1日本研制的草莓采摘机器人图1.2中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人针对当前国际上果实收获机械臂的发展状况，本项目拟开展番茄采摘机器人的相关理论与技术的应用与开发。为了让收割机更好地服务于人类，需要对收割机进行更深入的研究，以解决收割机目前所面临的问题与缺陷，提高收割机的性能，以保证收割机的工作平稳、可靠。将来的收割机将会是一机多用。在本课题的探索过程中，我们会对所面临的各种困难进行一一的解答与克服，从而使采摘机器人得到进一步的发展。我们认为，经过我们的不懈研究，我们的收割机技术一定会日趋完善，收割机必将在农事上得到广泛的运用，并在未来走向网络。1.2.2果实采摘机器人关键技术及其发展现状果实收获机械臂的核心技术是：(1)具有较高的精确的可视化辨识能力，可将水果与植株的树枝区别开来，并对成熟水果与不成熟水果进行精确辨识，以提升辨识的准确率与成功率。(2)机器人手臂柔韧，末端相对柔软，工作时不受树枝的影响。在保持一定的自由数量的前提下，可以确保拾取的速度。(3)移动控制比较平稳，能够与机器手臂和机器末端的动作同步，确保了作业的平稳进行。(4)鉴于采用机器人采摘果实的本意是以机器取代人力，从而提升工作效率。这就对该软件的实时性提出了更高的要求。从技术上来看，果实收获机械臂的视觉识别系统、机械臂的运动控制系统以及果实收获机械臂的运动控制系统都有很好的发展。其中，机器人的动作控制技术已经比较完善。其主要特点是对电动机起、停止、躲避障碍、自动报警等进行了研究。在视觉识别领域，由于有了数学建模和图像处理技术，水果采摘机器人可以实现水果识别、水果成熟度识别、准确快速处理等。以日本为例，研制出了一种原始的番茄采摘机器人，它使用了一种传统的影像加工技术，利用一种包含了一台彩照与一张影像处理器的影像来搜寻并辨识出一个已熟的番茄。在采摘过程中，采用双眼立体视觉技术对红色番茄进行准确的位置检测，并对其进行灰度、侵蚀、扩张、剔除小结等处理，同时在采摘过程中，通过对红色番茄的特征值进行匹配，从而达到对红色番茄的准确识别。在完成了对运动物体的校正之后，采用了对运动物体的面积进行了匹配。在此基础上，提出了一种基于双目视觉的物体三维空间坐标重构方法。在机械手与机械手末端上，随着自由度的选取与传感技术的发展，机械手的机构与末端也得到了较大的改善。该智能体由最初的对树木的判别与规避能力逐渐提高到能够迅速、精准地避开树木，并在树上摘下果实的程度。1.3研究内容与结果具体工作如下：针对果蔬收获作业特点，对番茄采摘机器人进行了总体机构设计；对各种类型的传感器的使用及避障性能进行了分析；并对该机器人的动作控制进行了分析。调查发现：(1)对该机器人的运动控制系统机械结构的设计；(2)对机器人避碰系统进行了建模，并进行了相关的敏感元件的选取；(3)对该机器人进行了软硬件设计。系统的硬件设计有：主控、电源、电机控制、电机驱动、声光报警和超声波探伤等。

2机械结构的分析与设计针对番茄采摘机器人的动作与控制需求，对其进行了整体的机构设计，并对其进行了负载估算和作动器的选择。2.1果实采摘机器人整体机械结构的分析该机器人的总体机构应该具有如下功能：（1）可靠，稳定，紧凑和合适的操作区间。(2)要求机器人既要有柔韧性，又要有端部做动器，也就是机器人要有一些冗余。一般情况下，果实收获机器人由机械臂、末端执行器、运动行走机构组成。该系统包括一个视觉识别设备，一个控制模块，以及一个能源模块。例如，由日本Nato和他的团队开发的番茄收割机。在图2.1和图2.2中可以看到，举例来说。其的自由度为7，从下到上，其中的第1个自由度是水平运动，第2个自由度是上下，第3个是转动，第4个自由度是轨道规划的机械臂。最后是功能对机器末端进行自我调整。图2.1KondoN等研制的番茄采摘机器人 图2.2番茄采摘机器人机械结构示意图图2.3为番茄采摘机器人总体构造原理图。该机器人由机械臂，末端执行器，移动和行走机构，视觉识别器，控制和动力模块等构成。该机构采用5台电机，实现了多个运动自由度的运动。图2.3四轮式果实采摘机器人整体结构示意图2.2运动控制系统机械结构的设计2.2.1运动控制系统的机械结构分析在此基础上，提出了一种适用于番茄采摘机器人的工作条件。实践表明，普通番茄的智慧温室是一种更清洁的场所。这种假定符合真实的产品后台。2.2.2运动控制系统机械结构的设计因此，本文所研制的番茄收割机，其工作原理是四轮驱动。前轮是用来控制车体转向，而后轮是用来操纵车体前后运动的。前后车轮各由一台电机来操纵，而前轮的转向则由一台步进电机来操纵，后轮由直流电机来进行控制。前者是根据指示进行转向，另一台则是驱动车辆的主要部件，所以它的选择十分关键。图2.4显示了这个版式的俯视图。图2.5为它从后面观察时的简略的机构构造。图2.4车体布局示意图图2.5从车体后方角度观察2.3运动控制系统车体载荷分析与执行器的选择2.3.1执行器选择依据在番茄采摘机器人执行运动的过程中，根据车辆的载荷大小，确定了所需的驱动电机。因此，对汽车的转向和转向进行了研究，并提出了相应的解决方案。（1）后轮的电机选择首先，我们假定整辆车的质量是10kg，可摘果实的总质量是5kg，2m/s是小车的线速度（通常是用最快的速度加一定的裕度，来计算扭矩和输出功率，来选取实施机构，也就是驱动电机）。轮子的直径是0.075米。静态摩擦因数通常为0。减速器的速度比值就是减速器的速度比值。根据降速变速箱的参数，查找降速率和降速率。采用14:1的降速方式，通常降速效果在80%左右。根据力矩方面进行选择1.计算力矩M(2-1)2.计算电机转速n(2-2)3.计算功率Po(2-3)4.按照最优的原则，选择适当的电动机，使电动机的输出功率满足—般选择5.为了更好的确认所选的电动机的适当性，确认的方式为：(2-4)从扭矩的观点出发，对机器人进行驱动电机的选择：(2-5)所以，电动机的输出应该以109.5～146瓦为宜。根据电动机的性能指标，可以选用FAULHBER3863，在24V工作电压下，输出功率为130W。且进入符合条件。基于输出的角度来选择(2-6)式中:当采摘机器人移动时，驱动轮所使用的是橡皮，其与地面之间的静态接触因子大约为0.1-0.2，因此选取02进行了数值模拟；N-对主动轮盘施加的支撑力量(2-7)最大工作机线速度为从上面的推论中，我们可以得出(2-8)式中，从电机到驱动轮的总传输效率而(2-9)滚动轴承效率、:轮箱效率:齿轮效率则电机的输出功率是通过以下公式来计算的：(2-10)在保持负载稳定性的前提下，电机的额定输出功率仅比P稍高一点。按照最适合电动机的功率，电动机的输出功率要达到最大P0-通常选用2P0-最大P0。通过对FAULHBER3863型直流电动机的分析，可以得出FAULHBER3863型是符合要求的。(2)前轮的电机选择前车轮电机为步进电机，使得车辆的转向更为灵敏。在此方案下，电机的动力和转矩应是相同的。采用的是35BY48HJ120型减速器。2.3.2执行机构电机的介绍(1)FAULHBER3863型号电机有如下特点：1具有较小的惯性，较低的起动电压和较少的空负载电流；2.其最大旋转速度为20200rpm，在不降低电机使用年限的前提下，通过增加电源的功率，可以得到较高的旋转速度；3.额定电源为1.5至48V直流，最大输出为226W,6至38毫米的管径，12至63毫米的管长；4.的最大转矩为1290毫牛·米，加上齿轮箱后的最大转矩可达到20毫牛·米；表2.1为其性能参数。表2.1FAULHBER3863型号电机性能参数正常电压24V极限电阻0.62Ω最大输出功率220W效率85%空载转速6700rpm空载电流0.24A静止转矩1250mNm摩擦转矩8.0mNm速度常数287rpm反电动势常数3.49mv/rpm转矩常数33.3mNm/A电流常数0.030A/mNmn-M曲线斜率5.4rpm/mNm转子电感130μH机械时间常数6ms转子惯量110gcm最大转速8000rpm最大转矩110mNm(2)35BY48HJ120减速步进电动机特点，如表2.2所示表2.235BY48HJ120减速步进电动机特点型号相数步距角扭矩Nm电压V电流A电阻Ω转速rpm驱动方式35BY48HJ1202/47.51.5120.44564-2

3运动控制系统硬件部分设计3.1总体方案设计思路由于番茄采摘机器人的本职工作是成功地进行收割，因此，它并不需要像抢险救灾机器人等擅长路况处理的智能机器人一样，去应对复杂的实时环境问题。在此基础上，提出了一种基于多自由度协同控制的多自由度机器人控制策略。本文提出了如下设计构想。3.1.1主控制器模块按照系统的需求，该系统的功能包括：信号处理，控制算法的实现，底盘电机的控制，以及声音信号的检测等。该控制装置采用ATMEL公司的AT89C52微处理器。单片机拥有着非常强大的算术运算能力，它的程序设计非常灵活，并且拥有很大的自由度，可以利用软件程序来完成多种算法和逻辑控制，它的功耗低、体积小、技术成熟、成本低等特点，使得它在很多方面都得到了广泛地使用。该系统具有较大的控制力，充分发挥了MCU的优势。3.1.2电源模块电力供应是影响番茄采摘机器人的关键因素之一，它直接影响着机械臂的整体性能，所以在进行机械臂的控制时，必须选用适当的电力供应。机器人系统的电机驱动器要求24V电源，单片机系统、超声波传感器避障系统等都要能在5V电压下工作。在本论文的设计过程中，我使用了一个DC功率（24V,10A）来给这个机器人系统供电，同时，在这个过程中，我还使用了24V功率来为这个控制器提供了5V的电压。要想供应5伏的DC电压，就必须把24伏电压调至5伏。当前，为稳定的DC电压，可分为两类：一类是整合式的直线型稳定器，另一类是切换型的DC稳定器。而切换型DC稳定器则能有效地减少功率变换器的功率消耗，并能有效地提高功率的利用率。在这个电路的设计中，选择了一个切换式的稳压电源LM2576-5来做一个电压变换的模组：从上面的理论上可以知道，当一个机械臂的底盘的控制系统在工作的时候，它所要提供的是一个不同的稳定的电压。电动机可以在24伏的工作环境中工作。特点：该切换式电压调节器的功率消耗非常小，工作的平均功率可以达到70%到90%。与直线型调整器相比，在电压损失一定的条件下，切换型调整器的“热损耗”大大降低。所以，这种新型的稳压器能够极大地减小散热装置的尺寸，减小PCB的占地，在大部分场合下，都无需散热装置，因而降低了对单片机工作的不利影响。3.1.3电机控制模块脉宽调制（PWM）原理：低功耗DC电机是一种新型的电机。利用单片微处理器实现对低功耗DC电机的速度控制，非常简便。该技术采用了调整电动机电枢电位开启时刻与激励期间（也就是工作循环）之比来实现对电动机速度的调节。该方式被称作PWM（PulseWidthModulation）。对于大功率直流电动机，其速度调节方式为：将电源接通一段时间，关闭一段的时间，再次接通电源，使电动机在开关比例变化，从而实现速度调节。这样的速度调节方式叫做脉冲宽度调节。假设具有t的脉宽和T的脉搏时间，并且Vd=VmaxxD的电机的平均旋转速度；这里被称作占空比，占空比越大，转速越高，反之越低。一个特定的电机，其最大转速是固定的，所以要想控制平均转速，就必须要控制占空比。利用MCU可以很方便地完成PWM。通过调整电动机定子线圈的开关时刻，可以实现对电动机速度的调整。3.1.4电机驱动模块（1）前轮电机的驱动模块步进电动机作为一种驱动装置，其工作原理和工作原理决定了其不能与AC、DC直接连接。采用35BY48HJ120四相单极子作为步进电动机的驱动电源，实现了对电动机的驱动。步进电动机一般不能与工作频率的AC、DC供电，因此需要采用特殊的驱动方式。ULN2003A是一种单片达林顿半导体器件，具有较强的高压和大电流特性。该电路采用7对NPN型达林顿管构成，具有较强的电压输入性能，并采用一种用于控制电感器负荷的阴极夹持型二极管。对于单一的达林顿电子对，收集的电子是500毫安。并联型达林顿管能承受较大的电流.在表格3.1中列出了ULN2003A的限制参数。表3.1ULN2003A的极限参数项目符号数值单位最大输入电压Vi(max)30V集电极-发射极电压Vo(max)50V最大基极输入电流IB(MAX)25mA输出电流Io500mA贮存温度Ts-65～150℃结温Tj175℃引线耐焊接温度TD300℃（2）后轮电机的驱动模块图中显示了一个DC电动机的一个典型的控制线路。由于它的形状很像一个“H”，所以被称为“H”。4个三极管用于H的4个垂直引线，并且电机是H中的横向引线（注意：没有考虑到图3.1和图3.3）。本发明的H型桥式电动机的驱动回路由四台三极体及一台电动机组成。要让电机运行起来，就得把一对三极体从斜面上引开。依据各对的导电能力，可以使电机由左至右或由右至左流动，因此可以对电机的转动进行控制。要让电机运行起来，就得把一对三极体从斜面上引开。由图解可知，在Q1、Q4两个管被接合的情况下，从供电的正电极通过Q1，从左侧到右侧通过电动机，然后通过Q4回到供电的负电极。在此，正像图中所指的那样，在这个方向上，将会使电机按着顺时针的方向转动。三极管Q1、Q4被接合，使电机由左至右的流动，以一种特殊的方式（环绕电机的箭头为顺时针）。图3.2所示的H型桥接器的驱动电机是按逆时间方向转动的。如图3.3所示，另外一对三极管Q2、Q3被接合，此时，通过电机的电流由右方流向左方。三极管Q2、Q3接通后，电动机由右面至左面流动，由此驱动电动机反向旋转（围绕电动机的箭头为逆时针旋转）。图3.1H桥驱动电路图3.2驱动电机顺时针转动图3.3驱动电机逆时针转动3.1.5显示模块此系统之显示器模组以可同时呈现电机之正反停止等资讯为目的。它使用128x64液晶显示屏，并配有中文字体。128×64型LCD是一款点阵图像LCD，它拥有4位/8位并行，2线或3线的串行等多个界面，内置了国家标准一二级简体中文的LCD；它的屏幕清晰度为128×64，内部有8192个16×16像素的汉字和128个16×8像素的ASCII字符。本产品具有操作简单方便的特点，使用方便的操作说明，可以构建出一个完整的中文的人机对话界面。它能同时使用8×4线、16×16个格子的汉字进行图像处理，还有一个突出的优点，就是它具有较小的工作电流和较小的能耗。与同类的点阵式LCD相比较，用此方法构建的LCD在硬件和编程上都要更加简单，成本也要稍高于同类的点阵式LCD。128×64液晶显示器的主要特点：（1）具有较小的工作电流(VDD:3.0-5.5V)；(2)具有128×64位的显示器的清晰度；(3)内部汉字数据库，支持16×16点阵汉字8192个（简单和复杂为自由选择）；(4)内部包含128个16×8的点阵文字；(5)2兆赫（MHz）的时钟；(6)展示模式：STN，半透明，正向展示；(7)传动模式：1/32位，1/5位；(8)观察角度：6。(9)背光源模式：侧面有高亮度的白发光二极管，功率消耗只有一般二极管的1/5~1/10（10）通信模式：串行和并口均可选择；(11)不需要施加负电压的内部直流-直流变换器；(12)不需要分块（select）的选择（select）信号，从而使程序的设计简单。3.1.6报警模块利用单片机生成的不同的信号，来对闪光LED灯和蜜蜂进行控制，从而实现了声光报警的提示，它的主要用途是用于番茄采摘机器人在碰到障碍时，实现了自动报警的功能。3.1.7传感器选择与避障系统设计 在采摘机器人中，传感器的作用是识别水果，实现系统的导航和躲避障碍。利用视觉传感器、位置传感器和力传感器实现水果的自动采摘，利用电磁式传感器实现了水果的自动采摘，利用超声传感器实现了对水果的自动采摘。在采摘机器人中，传感器的作用是识别水果，实现系统的导航和躲避障碍。利用视觉传感器、位置传感器和力传感器实现水果的自动采摘，利用电磁式传感器实现了水果的自动采摘，利用超声传感器实现了对水果的自动采摘。在该设计中，传感器的作用是用于对移动控制系统的避障，其目的是要对车辆的前方和后方有无障碍进行精确的判定。如果存在，就进行躲避障碍的作业，即紧急停车，并发出警报提示。确定这个屏障的第一个问题就是如何选取一个感应器，以下列出了一些感应器的利弊。(1)常见传感器的比较目前所使用的各种类型的传感器都有很大的不同，本文对一些常见的类型进行了对比。见表格3.2表3.2传感器性能比较传感类型优点缺点红外传感器价格合理，使用方便测量范围小，对空气温度变化敏感超声波价格合理，可以测死物，夜间不受影响测量范围有限，对天气环境变化敏感视觉易于多目标测量和分类，分辨率好。不受温度、天气影响。不能直接测量距离，算法复杂，处速度慢。(2)避障系统传感器的选择方案一：红外探测技术在小区的保安监控中得到了广泛的应用，具有成本低廉、操作简便等特点。由于采用了红外线的工作方式，使得其对目标的探测非常依靠温度，因此对于目标的探测并不能进行精确的判定。方案二：在目标辨识中，以此为例，提出了一种基于视觉的目标辨识方法。该系统具有尺寸较小、成本较低、能实现对多个物体的同时检测，并能按物体的形态、尺寸将物体分成不同的类别。其不足之处在于该方法比较繁琐，且运算时间较长。方案三：最简便的探测障碍的办法就是利用一个超声信号对一个物体进行探测，然后通过一个回程的超声信号来探测物体的位置。这一技术在采摘机器人的研制中得到了普遍的运用。该方法具有成本低廉、操作简便、能在10米范围内提供精确数据等特点。而在机器人的避碰环节中，则使用了一种超声传感装置。图3.4超声波避障模块框图(3)超声波障碍检测原理超声是一种在弹性媒质中产生的振动，其振动频率在20kHz以上。超声能通过气体，液体，固体，并具有不同的传输速率。光既存在着折射又存在着反射，传输时又存在着损耗。根据超声的性质，可以制作出多种超声传感器，并与多种线路相配合，可以制作出多种超声设备或装置，在通信、医学、家电等方面有着重要的应用。超声测量通常使用的是飞行时间（TOF）方法。首先通过对从发出的超声信号到被阻隔体反射回来的距离进行计算，并将其与被反射体的声速相乘，从而获得了被反射体与被反射体之间的比值。东西间的间距。最终，将该移动控制系统的总体框架概括为如图3.5所示图3.5运动控制系统的总框图3.2运动控制系统硬件设计3.2.1主控器模块设计该系统以AT89C52为主要控制单元。这是一款低压高性能CMOS8位单片机，内置8kbytes可重复写入FLASH的FLASH只读内存和256bytes的RAM。这种元件使用的是ATMEL的高密度、非易失性存储器技术来制造，与标准MCS-51命令系统相匹配，里面有一个通用8位CPU和Flash存储器，它的内部的函数和管脚安排都是一样的，就像是通用8xc52一样，它的最大作用就是为了达到一个好的效果。主要的作用有：汇聚主控制IC的内部寄存器，数据RAM及外部界面的初始化，汇聚调整控制，汇聚测企图控制，红外遥控讯号IR的接收及解码，与主板CPU通讯。AT89C52单片机是一款高性能的单片机，适用于各种类型的内嵌控制系统。其中，XTAL1（19个）、XTAL2（18个）是12MHz晶体振动器的外部输入、输出端。RST/Vpd（9引线）是一个重置输入，一个重置电路由一个外部的一个电阻器和一个电容器构成。在图3.6中给出了一个最少的系统线路，它包括一个时钟线路和一个重置线路。时间控制回路。在MCS-51单片微处理器中，采用了一个反相式放大器构成的微处理器。其中，XTAL1、XTAL2分别作为两个脉冲信号的输入、输出，可以从内、外两个脉冲信号同时生成脉冲信号。所述的内设所述钟控装置的所述钟控装置的晶体振动频率，可以在1.2兆赫兹和112兆赫兹之间进行选取。Cl、C2比容量在5～3欧姆F之间.电容器的尺寸可以作为一个频率调节。一个XTAL1是一个与地面相连，而XTAL2是一个与一个12

MHz以下的正方形的信号相连的外部的时钟电路。重置在一定程度上，将MCU中的一个寄存器的数值转换成一个初态被称作“重置”。当时钟回路工作后，只要在重置终端提供2个循环的高电平，就可以实现重置。图3.6最小系统电路原理图3.2.2电机控制模块电路设计在该系统中，电动机采用PWM波形的控制方法。由两台电机组成：一台用于驱动车辆的步进电机；由后轮DC电机来操纵电机来回运动。图3.7是一个前车轮的步进电机的电路示意图，而图3.8是一个H-桥式的DC驱动器的电路示意图。(1)单轮控制电机转向的步进电机的电路设计以ULN2003A为驱动单元，实现了汽车的正向和反向运动。图3.7前轮步进电机的电路图（2）后轮控制车体的前进后退的电机的电路设计图3.8直流电机用H桥驱动的电路图3.2.3报警模块电路设计该系统的主要组成是两个主要功能：一个是照明警告，另一个是语音警告。发光二极管和电阻器构成照明警报；由蜂鸣及驱动回路构成的语音警报。音响警报系统中，以8050为核心构成的扩频系统为核心，音响警报系统按照避障器发出的讯号进行工作。在机械臂工作状态下，该警报模组不会发出信号；探测到有障碍时，警报模组启动，LED发光二极管闪光，并有蜂鸣响起，作为警示。图3.9LED灯光报警 图3.10声报警3.2.4显示模块电路设计在该系统中，采用了一个可视化的方法来实现对番茄采摘机器人的动作情况的可视化。图3.11显示模块3.2.5超声波模块电路设计该系统以T/R-40-12型微型超声探头为检测单元，对车辆行驶过程中的障碍进行检测。其核心是40赫兹，当机械臂移动时，80C52所释放的40千赫兹的脉搏讯号会激发一个40赫兹的超音波。在遇到障碍时，由障碍对超声讯号进行折射，由一个接收机接收到，经过两个阶段的LM318进行放大后送到一个带锁相环的语音译码电路LM567上。在LM567的输入电压超过25mV的情况下，该LM567的输出电压从一个高电平变成一个低电平，并将该低电平传输给80C52MCU以供进一步的加工。（1）超声波发射电路通过一个40KHz的方波输入到超声传感器上，并通过一个单芯片输入输出端口来输出该信号。要想提高超声波探测的范围，必须加大超声波探头的能量。为了提高超声信号的传输能力，本文提出了一种利用CD4069型六反相变换器的方案。因为倒相电路实质上是一个高增益的倒相放大器，所以只要在倒相电路中添加适当的负回授阻抗，就能将倒相电路从饱和区转移到线性放大区。由单片机I/O生成的40

kHz的方波，通过反相器将其反向后输送到超声波换能器的一侧，再通过二次反相器反向后，将其另外一头送入超声波换能逆变器。用这个推挽法在超声传感器的两头加上一个方波讯号，可以加强另外一个电极。超声辐射的强弱。在其输入端部并联两台逆变电源，增强了系统的动力性能。它的电路板结构见图3.12。上拉电阻率R23、R24在一定程度上改善了逆变电源的高压工作性能，并在一定程度上增加了超声波传感器的减振作用，降低了传感器的振动频率。Q10主要用于提高MCU输入端的输出电压，从而提高超声辐射的能量。图3.12超声波发射驱动电路（2）超声波接收电路CX20106A是一款用于遥控电视机的红外线探测与接收的专用芯片。由于目前使用的红外线远程控制的常规载波频率为38

kHz，而本文采用40kHz的超声频率为40kHz，故采用该频段构成了超声探测与接收电路。试验表明，该系统具有较高的检测精度和较好的抗干扰性。在图3.13中给出了CX20106A的内部构造及线路示意图。图3.13CX20106A内部结构及电路连接图利用芯片CX20106A实现了对传感器的检测，并对其进行了处理。其整体的放大率是80分贝。下面是关于CX20106A的引线描述：1脚：具有大约40K的输入阻抗的超声讯号的输入器。2脚：插头与接地间的RC串行网络。他们构成了一个具有负回馈的串行网络。通过对其数值的调整，可以实现对预放大电路的增益及频谱特征的调整。当电阻器R1或C1变得更大时，则会使负反馈率变得更大，使放大率变得更小，相反，则会使放大率变得更大。但是C1值的变化会对系统的频谱特征产生一定的变化，而在实践中，通常情况下是没有必要变化的。代表性的参数Rl=4.7Q,Cl=LuFo，3脚：在管腿与接地之间连接有一个探测电容器。当容量较大时，其平均探测值较小，相应的探测值较小；经试验后，推荐使用3.3U。4脚：引线和功率源间连接一电阻器，用以设定带通滤波器中频F0。随着电阻器的增大，系统的工作频率也随之降低。例如F，如果R=200kQ,0~42kHz，则R=220

k。5脚：引线和接地连接有一个集成的电容器，其标准容量是33欧姆，过大的电容器会减少探测的范围6脚：远程控制命令的输出器，采用的是一种集流电路的开路模式，因此，这个引线一定要把一升压电阻器接到供电的一头，在没有收到讯号时，这个头会发出高电平的讯号，而在收到讯号时，这个头就会降低。7脚：阳电极，4.5-5V。

4运动控制系统软件设计4.1运动控制系统总程序流程图首先对手推车进行开机启动，手推车的启动情况由电脑在电脑上进行。在行进时，利用超声控制系统对前面的障碍进行连续探测。在探测范围内，若探测范围低于系统所设置的避障范围，则判断为前面存在障碍。在进行了躲避障碍的动作之后，车辆开始向前行进，并对前面的障碍进行了探测。4.2超声波测距模块图4.1超声波测距模块流程图在主程序对该系统进行了初始化之后，将超声测距程序设定成一个16位的定时，并将该定时器使能为EA，将显示口P0和P2o进行清空，之后再将超声发射子程序进行传输。在经过了耦合干扰之后，将会有0.1毫秒的时间来收到一个带着外界中止的回传的超声信号。该方法使用12M的晶体振荡仪，使其在一微秒级的时间内完成了一次测量。如果由该主控程式侦测到该成功标记，则根据式来算出该计数器T0的数目。在常温下，声音的速度是344米/秒。每次发送和接受的超声传播的长度都是被测量的长度的两倍。L是指被测量对象到超声探头的间距。在L中，T0为计数器的数值。得计算结果。当测距结束时，将其数据以十进位BCD编码的方式输入到累积器A中，并与其对应的安全线相对照。当确定前面出现障碍时，执行障碍规避动作。当以上步骤完成后，再次发出一次超声信号，反复进行检测。4.3避障模块障碍规避模块的编程流程。该避障装置的设计思想为：当番茄采摘机器人遇到障碍时，停止前进，等到障碍消除后才继续前进。4.4电机控制模块该系统中使用了两台电机，一台是用于驱动车辆的步进电机；在汽车的后轮上，采用DC电机来驱动车辆前进。该机构对转速的精确性无特别的需求，且对DC电机的控制方式较为简便。至于步进电动机，因为它比较复杂，下文将做更多的说明。按加载次序，四相步进电动机可分成三种工作方式：单步四步、双步四步和八步四步，见图4.4。单四拍与双四拍的踏板距离角度相同，而单四拍的踏板旋转扭矩较低。在八节制模式下，其步伐角度为单一节制四拍制和双重节制四拍制的二分之一。采用八拍模式，既能维持大的转矩，又能改善操纵的准确性。图4.4电源通电时序与波形图按照由MCU生成的一个控制讯号，对步进电动机的驱动回路进行工作，其工作方式为：若在指定的方向上，以正序的方式进行换相，步进电动机将向前转动；当功率变换方向相反时，将使步进电动机逆变。以下为八节拍方式的单片器P0端口4比特的正、逆顺序的控制码。

5系统仿真在对采摘机器人的各部分进行了静态分析后，利用NX12软件对其进行了运动模拟。通过对该机械臂的运动学模拟，可以判断所构造的运动学模型与所期望的运动学参数是否一致。对所设计的各部件进行了运动学模拟，并对各部件进行了运动学模拟，以验证各部件间的运动学干扰以及各部件能否准确地执行所需的各部件的运动学特性。并针对该模式中出现的问题，提出了相应的改善方案。(1)对该虚拟物体的质心和质点的测定在此基础上，利用NX123D绘图系统中的“测量体”指令，对整个采摘机器人的重量及重心位置进行了计算与计算，结果见图5-1。利用对整个质量和质心位置的模拟测量，可以对机械手的结构中心进行合理的调节，从而让机构更加稳定，同时也可以将其作为机械手上级机械臂和采摘机器人整体系统的开发的参考数据。图5-1模型质量、质心分析(2)在模拟采摘机器人运动时，要进行运动模拟，检查机构干扰，观察关键点的运动轨迹，必须用“连杆”指令来确定可移动部件，并把主、从两个部件分别选为“连杆对象”，见图5-2。图5-2设置连杆选定可移动部件后，用“运动副”设置每个部件之间的联结方式，也就是运动副，从而决定每个部件的移动方式，见图5-3。图5-3设置连杆此外，由“驱动体”指令来选取该装置中的基本部件，当选取驱动体时，应选取基本部件的运动副，或者离基本部件的最接近的一个，见图5-4。图5-4设置驱动体在“新建解算方案”前，可以先对部分进行干扰检查。当机械系统模拟中出现干涉时，应对机械系统的结构进行检验。在干涉设定中选取要检测的部分，然后把这两个部分组合起来。当你的设定已经结束，当你点击“NewSolution”之后，你就可以看到这个测试的效果了，见图5-5。图5-5检验机构干涉在确定了目标之后，通过“分析”标签中“跟踪”，选取机器人前方三个末端为捕捉目标，并仿真其移动路径，使机器人能够更加直观地观测到机器人的移动状况以及机器人的工作范围。在设定了“新方案”之后，就能得到图5-6中所显示的关键点的移动轨迹。如图5-6所示。图5-6建立轨迹追踪将“连杆”，“运动副”，“駆动体”，“干涉”，“追踪”等几个参数设定为“新的计算方法”，将运动时间设定为1.2秒，最终的加速值设定为9806.65/秒，见附图5-7。图5-7新建解算方案通过“新解方案”的实施，得出了抓取式机器人在抓取式机器人上的运动仿真动画，并给出了抓取式机器人抓取点的运动曲线和抓取点的干扰检测结果，见图5-8。通过对所述机器人的运动轨迹进行分析，发现机器人的运动路径与所述机器人所设计的收获路径一致，并通过该机器人的脱除装置及定位装置实现了对所述番茄的位置及脱除。图5-8解算结果图5-9关键点运动轨迹图5-10拉力钩运动速度曲线选择的“连杆”（零件）的速度分布，在动作模拟中用“XYresult”指令求出，见图5-10，见图5-11。在此基础上，通过对数据曲线的分析，为进一步完善选煤机的选煤机提供了依据。图5-11拉力钩运动加速度曲线图5-11拉力钩运动加速度曲线由图5-10和图5-11可以看到，在0-0.3

s内，随着整体机构沿y轴向下倾斜20，拉钩的速度大于0

mm/s，加速度从0

mm/s变成-5000

mm/s。表明在这段时间内，拉勾倾向于X向运动。速度为0.3秒至0.5秒，拉动钩沿X向下运动8毫米。在这段时间内，速率变为一整倍数。从0毫米/秒到-100毫米/秒，然后到100毫米/秒，最终降到0毫米/秒。在此期间，勾线的方向也会因此改变，最终恢复到原来的位置。在此过程中，通过牵动钩子和牵动装置把番茄拖到脱粒装置中。在0.5到0.7秒的时间内，该位置装置会把番茄拉进脱开装置中。牵引钩向-X轴的位移为85毫米，时间为0.7秒至0.9秒。在此期间，用钩子把番茄的茎往下拉，接着就可以把番茄摘下。在模拟实验中，以所选择的功率马达之最高速度作为计算结果之参考值。该分离装置的转速在0毫米/秒到273.7毫米/秒之间。所以，选择的旋转速度应比限制旋转速度要小，这样才能保证该装置在实践中的安全、稳定工作。分拣机器人完成分拣工作