基于模糊PID控制的采摘机器人行走系统设计.pdf

基于模糊 控制的采摘机器人行走系统设计 杨 旭 河南工业职业技术学院 河南南阳 摘 要 为了提高采摘机器人行走系统翻越较小障碍物的能力 提升复杂作业环境下机器人行走的稳定性 在 行走系统中引入了动力响应智能控制系统 系统利用 控制器和模糊算法 在检测到障碍物时自动确定是否 可以翻越障碍物 如果可以翻越 则会产生一个较大的翻越障碍物的动力 使机器人可以顺利行进 而无需绕 行 采用 软件对系统的性能进行了测试 结果表明 在遇到障碍物后 机器人可以顺利地产生动力响应 从而顺利翻越障碍物 进而提高了采摘机器人对行走环境的适应能力 关键词 采摘机器人 行走系统 模糊算法 短跑训练 辅助器材 中图分类号 文献标识码 文章编号 引言 对于采摘机器人来说 采摘效率的提高不是短时 间内可以完成的 而是需要长时间进行大量的智能训 练 在机器人学习过程中往往会产生新的障碍物 而 借助辅助器材训练可以增加采摘机器人的学习能力 并可以有针对性地使采摘机器人改善一些动作技巧 从而取得更好的训练效果 在采摘机器人自主行走 时 由于采摘作业环境的复杂性 路面往往是高低不 平的 经常会遇到一些较小的 可翻越的障碍物 这就 需要机器人具有翻越障碍物的爆发力 因此 参考运 动员爆发力训练原理 利用智能化检测控制系统 机 器人可以高效地翻越障碍物 并获得较好的稳定性 采摘机器人爆发力训练机器应用 智能采摘机器人的跨越系统有一点类似于短跑 运动中的动作 在短跑训练时 教练员不仅需要给运 动员安排合理的技术动作训练 还要根据运动员需 求 有针对性地使用一些辅助器材来改善运动员的动 作 否则在长期的训练过程中 运动员会产生倦怠感 不仅不能够提高短跑成绩 反而会降低运动员的成 绩 从而给教练员带来负面的影响 在短跑运动过程中 运动员的爆发力对最终成绩 的影响很大 山羊与栏架组合是一种较好的爆发力 收稿日期 基金项目 教育部科技发展中心第三批 云数融合科教创新 基金项 目 作者简介 杨 旭 男 河北平山人 讲师 硕士 训练辅助器材 如图 所示 在训练时 运动员可以 跨过几个栏架后以最大的力量跳上山羊架 着地的瞬 间再以最快的速度跨越栏架 通过反复训练可以激发 运动员的爆发力 图 山羊架示意图 运动员的爆发力训练原理也可以应用到采摘机 器人行走系统的设计上 如图 所示 图 爆发力训练的应用 在机器人遇到较小的障碍物时 为了提高行走的 效率 可以无需躲避障碍物 以一定的爆发力翻越障 碍物 机器人何时利用爆发力翻越障碍物 需要利用 智能化检测系统首先检测到障碍物 再利用反馈系统 传递给机器人控制系统 通过电机和行走执行末端执 年 月 农机化研究 第 期 DOI 10 13427 ki njyi 2023 10 002 行控制指令 来实现自主行走翻越障碍物 基于模糊 控制的机器人行走系统 为了使机器人具有自主化作业的能力 在设计采 摘机器人时需要采用智能化自主行走系统 在采摘 机器人作业过程中 由于环境的复杂性 要求机器人 的行走较为平稳 以防止在作业时发生侧翻 特别是 当采摘机器人要翻越较小的障碍物时 机器人还需要 具有一定的爆发力 才能轻松越过障碍物 参考短跑 动作训练器材的爆发力训练 在训练机器人时可以采 用智能化算法 在遇到障碍物时机器人突然增加一个 翻越障碍物的力 其流程如图 所示 图 翻越障碍物流程 当遇到小的障碍物时 采摘机器人的阻力会增 大 可以利用 反馈调节系统 将力反馈给控制中 心 控制系统通过提高电机转速 使行走系统获得更 大的动力 在机器人行走系统行进过程中 还可以对 机器人的阻力进行实时监测 使前进的动力和阻力相 匹配 对电机速度进行控制 假设初始的输出误差为 其表达式为 其中 为调节系数 为了使系统的误差最小 还需要结合相关算法对 调节系数进行修正 模糊控制可以合理地调整这组 参数 其主要通过调整期望值和实际值的偏差 以及 偏差率 来实现参数的修正 模糊控制过程为 其中 为修正因子 当 较大时 则 当 较小时 则 其中 修正因子 且 模糊规则制定以后 设 c 均服从正 态分布 可得出各模糊子集的隶属度 利用模糊 控制器 查出修正参数 再计算出当前 参数 在实际调速时 采摘机器人行走系统 电机可以由 算法的 控制方式实现 其连续性控制 方程为 其中 为比例增益 为积分时间 为积分 增益 对应的数字离散方程为 其中 为 次采样的输出值 为相对于前一 次采用的偏差 前一次方程为 两方程相减可得 采用增量式的 控制可以避免误差的累加 控制采用加权的方式可以有效地抵消误差的影响 采用增量式控制器 结合反馈信息 其控制流程如图 所示 图 控制器控制流程 年 月 农机化研究 第 期 增量式 控制算法主要是利用计算得到的增量 控制电机转速变化的输出量 其中 将产生的 动力和阻力相减得到的误差为 作为计算依据 通过 不断地调整增量的大小 最终使误差函数趋近于 实 现转速的自动调节 其中 调节可以使用模糊控 制算法来进行 从而提高控制系统的精度 采摘机器人行走系统测试 随着农业现代化技术的不断发展 各种智能化农 机被逐渐应用到农业生产过程中 包括无人驾驶播种 机 无人驾驶收割机 无人驾驶植保机及采摘机器人 等 目前 对于采摘机器人的研究 大部分研究项目 都集中在机械手的研究上 如图 所示 这是由于在 采摘一些脆弱的果实时 如果采摘力和机械手的材料 过硬 会造成果实的损伤 为了降低损伤率 采摘执 行末端的设计非常重要 目前采摘执行末端的研究已 经较为成熟 图 采摘机械手示意图 对于采摘机器人的设计而言 行走系统的设计也 非常重要 这是由于采摘作业环境较为复杂 为了使 机器人获得较好的稳定性 以提高作业质量 避免侧 翻等作业事故的发生 行走系统必须具有自主翻越障 碍物的功能 包括一些较小的凹凸位置 因此 重点 对机器人的行走系统进行了研究 并建立了机器人的 仿真模型 如图 所示 采摘机器人的行走系统主要分为两种 一是轮式 行走系统 二是履带式行走系统 其中 履带式行走 系统具有较好的稳定性 所以 选用了履带式采摘机 器人作为研究对象 并利用 软件对机器人的 动力性能进行了仿真研究 仿真参数及输出类型设置如图 所示 在仿真 计算时 可以根据运动员爆发力的训练原理 结合前 文中的智能化控制系统 在软件模拟时利用参数设置 和编程的方式设计智能化控制系统 通过仿真计算得 到的结果如图 所示 图 履带式行走系统机器人 图 仿真参数及输出类型设置 图 仿真计算结果曲线 图 中 模拟真实的采摘环境 设置了 处较小的 年 月 农机化研究 第 期 障碍物 在机器人通过障碍物时会产生一个爆发力 来使机器人具有翻越障碍物的动力 由仿真结果可 以看出 机器人在遇到障碍物时 电机可以产生一个 较快的转速 从而使机器人获得较大的动力 以保证 顺利地翻越障碍物 在 个障碍物处机器人均获得 了较大的动力 从而验证了行走系统的可靠性 结论 为了提高采摘机器人行走系统的稳定性及其在 凹凸不平作业环境下行走的适应能力 引入了基于短 跑动作训练器材爆发力训练的智能控制系统 并采用 控制器和模糊控制算法实现了翻越障碍物时动力 的智能响应 利用 仿真软件 对系统的动力 响应过程进行了验证 结果表明 采摘机器人行走系 统在遇到较小障碍物时可以顺利产生动力响应 从而 翻越障碍物 进而提高了机器人行走的机动性 参考文献 杜香当 身体运动功能训练理念对短跑项目体能训练的 影响 青少年体育 韩浩天 采摘机器人核心力量训练方法的动作分析 搏击 武术科学 丁道旭 商庆清 时维铎 专业短跑训练机的研究与设计 科技创新导报 刘兆祥 刘刚 乔军 苹果采摘机器人三维视觉传感器设 计 农业机械学报 蔡健荣 孙海波 李永平 等 基于双目立体视觉的果树三 维信息获取与重构 农业机械学报 蔡健荣 赵杰文 等 水果收获机器人避障路径规 划 农业机械学报 吕继东 赵德安 姬伟 等 开放分布式苹果采摘机器人控 制系统研究及实现 小型微型计算机系统 杨晶东 洪炳熔 朴松昊 基于模糊行为融合的移动机器 人避障算法 华中科技大学报 自然科学版 李寒 王库 曹倩 等 基于机器视觉的番茄多目标提取与 匹配 农业工程学报 项荣 应义斌 蒋焕煜 田间环境下果蔬采摘快速识别与 定位方法研究进展 农业机械学报 蔡健荣 孙海波 李永平 等 基于双目立体视觉的果树 三维信息获取与重构 农业机械学报 孟庆宽 何洁 仇瑞承等 基于机器视觉的自然环境下作 物行识别与导航线提取 光学学报 刘金龙 郑泽锋 丁为民 等 对靶喷雾红外探测器的设 计与探测距离测试 江苏农业科学 焦恩璋 陈美宏 工业机器人离线编程研究 装备制 造技术 纪超 冯青春 李伟 温室黄瓜采摘机器人系统研制及性 能分析 机器人 毛可骏 周平 赵匀 基于机器视觉的自主插秧机导航信 息的提取研究 农机化研究 刘继展 李萍萍 李智国 番茄采摘机器人末端执行器的 硬件设计 农业机械学报 高峰 李艳 见浪護 基于遗传算法的农业移动机器人视 觉导航方法 农业机械学报 刘金龙 丁为民 邓巍 果园对靶喷雾红外探测系统的设 计与试验 江苏农业科学 李丽 李恒 何雄奎 红外靶标自动探测器的研制及试验 农业工程学报 裴文超 陈树人 尹东富 基于 和单片机的实时对靶 喷施除草系统 农机化研究 邱栋 基于 的矿用巡检机器人控制系统设计 煤 矿机械 林钟卫 刘祯 罗准 等 多功能 管道行走机器人的 结构设计和研究 机械工程师 杨光友 倪博文 李江 等 水田作业农业机器人平台设 计 农机化研究 王维正 基于 的机器人自主行走控制方法研 究 产业创新研究 下转第 页 年 月 农机化研究 第 期 马思群 王开顺 李健 等 基于 的动车转向架虚 拟拆装培训系统研究 铁路计算机应用 金芳晓 谢叻 基于虚拟现实的人机工程 和 方法研究 江西师范大学学报 自然科学版 张秋月 安鲁陵 虚拟现实和增强现实技术在飞机装配 中的应用 航空制造技术 李静蓉 倪建龙 陈锐奇 等 基于虚拟现实交互的虚拟 锻造工艺实习系统设计 实验室研究与探索 刘春芳 程熙 谢利 等 基于 的机械产品虚拟拆装 展示系统的设计 信息技术 上接第 页 年 月 农机化研究 第 期