果树采摘机器人控制与避障技术研究

分类号TP242.6密级公开UDC621.3编号102990607022硕士学位论文果树采摘机器人控制与避障技术研究ResearchonControlandObstacleAvoidancetechnologiesofFruitHarvestingRobot指导教师赵德安教授博导作者姓名赵庆波申请学位级别硕士学科（专业）电力电子与电力传动论文提交日期2008年12月论文答辩日期2008年12月学位授予单位和日期江苏大学2008年12月答辩委员会主席_______________评阅人_______________学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日江苏大学硕士学位论文I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。关键词：果树采摘机器人，视觉伺服控制，避障，传感器江苏大学硕士学位论文IIIABSTRACTOrchardmechanizedandautomationharvestingoperationhavebecomethehotissueofmajorityfruitgrowersconcerned.Developthefruitharvestingrobotresearchnotonlyhasacertaindegreeofpracticalsignificancetomeetmarketdemandandreducelaborintensityandimproveeconomicefficiency,butalsocantracknewagriculturaltechnologiesoftheworld.ItisimportanttopromoteChineseagriculturalscientificandtechnologicalprogress,acceleratetheagriculturalmodernizationprocess.Fruitharvestingrobotisanintegratedsystemthathasmultiplefunctionssuchasenvironmentalapperceive,dynamicdecisionmaking,planningconductcontrolandimplem-entation.Itisaspecialkindofmobilerobotsystemthatthemanipulatorisfixedonthetracktypemobileplatform.ThispaperissupportedbytheNational“863”Project:“researchonfruitharvestingrobot’skeytechnologies”.Aself-designedrobotmechanicalstructurewasuesdasthestudyobject.Analysis,researchanddesignwasprogressedforthefruitharvestingrobot'scontrolsystem.Thevisualservocontrollerwasbuildedup.Atthesametimethetechnologyofharvestingrobot’sobstacleavoidancewasanalysed.Themainworksisasfollows:Firstly,themechanicalstructureofthefruitharvestingrobotwasanalysedandthetheoryofrobotkinematicswasintroduced.Basedontheself-design5degreesoffreedomrobotmanipulator’smechanicalproperties,thefruitharvestingrobot’spositiveandinversekinematicsequationswerefoundusingthegeometricstructureofthealgorithm.Secondly,toimprovethesystem’swork,thesystemwasdesignedtobeexoteric,advancedandreliable.Whentheexotericcontrolsystemwasdesigned,fruitharvestingrobot’shardwaresuchastheindustrialcontrolcomputer,motioncontroller,dataacquisitioncardwasmainlydesignedfortheselection.Onthebasisofanalysisthefruitharvestingrobotworkingenvironmentandworkingcharacteristics,theexternalsensorsforthefruitharvestingrobotweredesigned.Thirdly,accordingtothefruitharvestingrobot’smechanicalstructureandthecomponentsofcontrolsystem,ThePIDcontrollerwasbuildedup.Itwasusedinfruit江苏大学硕士学位论文IVharvestingrobotvisualservocontroltoachievetherobot’sreal-timecontrol.Thejoint-robotobstacleavoidancemethodswerediscussedindetail.Thenapreliminarystudywasmadeforthefruitharvestingrobot’sobstacleavoidancemethod.AndmakeuseoftheC-spacemethodtoachievetheharvestingrobot'sreal-timeobstacleavoidance.Finally,toverifythecorrectnessofthedesignedsensor,sensorexperimentalplatformwassetup.GUGAOPAN&TILTtwo-dimensionalnumericaltableandappleimagewhichwasshotinorchardwereusedtodotheturntablecontrolexperiments.Theturntablecontrolexperimentresultsverifiesthevalidityoftheproposedrobot’scontrolmethod.KEYWORDS:fruitharvestingrobot,visualservocontrol,obstacleavoidance,sensor江苏大学硕士学位论文V目录摘要.....................................................................................................................................IABSTRACT...........................................................................................................................III第一章绪论..........................................................................................................................11.1农业采摘机器人研究现状及特点............................................................................11.1.1农业采摘机器人国内外研究进展..................................................................11.1.2农业采摘机器人的特点..................................................................................61.2农业采摘机器人研究存在的问题与解决方法........................................................61.2.1存在的技术难题..............................................................................................61.2.2技术难题解决方法..........................................................................................71.3本文主要研究内容及研究意义.......................................