超聲測距技術(shù)在柑橘采摘機(jī)器人緊急避障中的應(yīng)用.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快,農(nóng)業(yè)勞動力向城市轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致農(nóng)業(yè)勞動力匱乏和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本激增。柑橘產(chǎn)業(yè)中,收獲成本已達(dá)柑橘生產(chǎn)總成本的40～50％。為降低生產(chǎn)成本、提高柑橘產(chǎn)業(yè)競爭力和滿足鮮果市場需求,研究殲發(fā)智能化柑橘采摘機(jī)器人是一種有效解決途徑。
　　 柑橘采摘機(jī)器人的作業(yè)場景高度非結(jié)構(gòu)化,可變因素多,其作業(yè)過程易受各種隨機(jī)障礙影響,因此柑橘采摘機(jī)器人設(shè)計的關(guān)鍵問題之一是其避障系統(tǒng)設(shè)計。課題組在前期研究中,采用雙目立體視

2、覺技術(shù)識別及定位障礙物,但由于雙目立體視覺易受光照、遮擋等因素影響,無法完全識別障礙物,重構(gòu)的虛擬場景不能完全反映作業(yè)空間的障礙物信息,可能導(dǎo)致錯誤的路徑規(guī)劃。同時,采摘過程中障礙物隨時會進(jìn)入采摘空間,給機(jī)械手帶來安全威脅。
　　 超聲測距不受光照、色彩等影響,且超聲測距傳感器結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)處理速度快,本文提出采用超聲測距技術(shù)為柑橘采摘機(jī)器人提供緊急避障。主要的研究內(nèi)容和方法如下:
　　 1.超聲測距系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括:

3、溫度檢測模塊、串口通訊模塊、超聲發(fā)射／接收模塊及控制模塊。溫度檢測模塊用于實(shí)時測量環(huán)境溫度,校正聲速,提高超聲測距傳感器的測量精度；串口通訊模塊用于實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信；超聲波發(fā)射模塊利用功率放大器放大CPID發(fā)出的方波信號,并驅(qū)動超聲發(fā)射傳感器發(fā)出40kHz的超聲波；超聲接收模塊接收經(jīng)障礙物反射的回波信號,并對信號進(jìn)行調(diào)理,以得到40kHz左右的伏級電信號；控制模塊包括單片機(jī)和CPID,單片機(jī)主要實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信、通道選擇、信號發(fā)送和計時

4、等功能,CPLD主要用于向相應(yīng)通道發(fā)送高精度40kHz方波信號。
　　 2.在Microsoft Visual Studio2008平臺上結(jié)合CSerialPort類編寫上位機(jī)控制軟件；根據(jù)測量誤差的特點(diǎn),引入校正因子提高測距精度；結(jié)合超聲測距傳感器和柑橘采摘機(jī)器人的特點(diǎn),設(shè)計了多路超聲測距系統(tǒng),并定義了測量周期和安全距離；制定了超聲測距傳感器與雙目立體視覺的信息融合策略,以避免機(jī)械手與障礙物碰撞。
　　 3.由于不同障

5、礙物表面漫反射能力不同,設(shè)計了仿真試驗(yàn)測試超聲測距系統(tǒng)的障礙物檢測能力。試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計的超聲測距系統(tǒng)對墻面的檢測識別率達(dá)100％,且測距誤差小于0.2cm,對普通衣物的識別率只有62％。當(dāng)用單個傳感器檢測樹枝時,正確檢出概率為93.77％。試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計的超聲系統(tǒng)能有效檢測出柑橘采摘機(jī)器人運(yùn)動路徑上的大部分障礙物,使機(jī)械手避免因與樹枝碰撞而受損。
　　 本研究提出用超聲測距技術(shù)為柑橘采摘機(jī)器人提供緊急避障,有效彌補(bǔ)了雙目