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摘 要： 摘要:為更深層次對(duì)我國(guó)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，結(jié)合足球比賽的命中率機(jī)理，對(duì)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。明確足球命中機(jī)理的核心控制概念，將足球比賽命中率與遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控有效融合，建立采摘監(jiān)控理論模型，并進(jìn)行基于足球命中
摘要:為更深層次對(duì)我國(guó)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，結(jié)合足球比賽的命中率機(jī)理，對(duì)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。明確足球命中機(jī)理的核心控制概念，將足球比賽命中率與遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控有效融合，建立采摘監(jiān)控理論模型，并進(jìn)行基于足球命中率的遠(yuǎn)程采摘監(jiān)控試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:選擇步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為250～300r/min內(nèi)，采摘作業(yè)的采摘損傷率由設(shè)計(jì)前的0.53%降至0.26%，降低約50%以上;采摘的綜合效率由97.14%提升至98.83%，整體設(shè)計(jì)合理可行，可為其他類似監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化提供一定的思路與參考。
關(guān)鍵詞:采摘機(jī)器人;命中率;遠(yuǎn)程監(jiān)控;采摘損傷率;綜合效率
0引言
源于多種控制算法與控制機(jī)理的融入，用數(shù)學(xué)準(zhǔn)確規(guī)劃與視覺識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)器的無人化自動(dòng)采摘，是我國(guó)近年來的重要突破之一。翻閱大量資料可知，為有效控制采摘?jiǎng)幼�，大多�?shù)專家學(xué)者采用機(jī)械自由度控制及傳感器感應(yīng)原理進(jìn)行展開設(shè)計(jì)研究，但對(duì)于動(dòng)作的監(jiān)控與執(zhí)行準(zhǔn)確度方面研究較少。為此，利用足球比賽命中率的規(guī)律與方法，包含足球運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性的控制、迅速完成踢球動(dòng)作的技巧及足球比賽過程中突發(fā)性與隱蔽性發(fā)揮動(dòng)作等，對(duì)采摘的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，以采摘?jiǎng)幼鲌?zhí)行過程中各部件的協(xié)調(diào)配合為設(shè)計(jì)手段，對(duì)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了探討。
1遠(yuǎn)程采摘原理及結(jié)構(gòu)
遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人的采摘原理建立在人工采摘果蔬的基礎(chǔ)上，即通過多樣化的傳感采集功能，經(jīng)圖像處理與識(shí)別后轉(zhuǎn)換傳輸至采摘機(jī)器人的中心控制部位，驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械臂進(jìn)行采摘?jiǎng)幼�，具有良好的通用性與可控性。圖1為某農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人作業(yè)場(chǎng)景。其主要結(jié)構(gòu)包含提供機(jī)器人行走與采摘作業(yè)的動(dòng)力源裝置、可編程調(diào)節(jié)的控制器系統(tǒng)、由視覺和觸覺得到準(zhǔn)確識(shí)別的傳感器控制系統(tǒng)及采摘驅(qū)動(dòng)裝置(執(zhí)行動(dòng)作的機(jī)械臂)等。
一次完成的采摘?jiǎng)幼髁鞒炭杀硎鰹?首先，采摘機(jī)械臂進(jìn)行位姿調(diào)整至初始位置，當(dāng)視覺系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到果實(shí)的實(shí)際位置信息時(shí)，采摘機(jī)器人的吸附機(jī)構(gòu)與夾持機(jī)構(gòu)相繼開始動(dòng)作;待傳感控制系統(tǒng)的壓力傳感器達(dá)到一定的閾值，便傳遞信號(hào)至采摘機(jī)械臂進(jìn)行果實(shí)的切斷;隨后進(jìn)行果實(shí)安放流程與夾持機(jī)構(gòu)復(fù)位等環(huán)節(jié)。采摘機(jī)器人動(dòng)作流程如圖2所示。
2足球命中率機(jī)理下的采摘監(jiān)控設(shè)計(jì)
2.1采摘理論模型建立
為充分實(shí)現(xiàn)足球比賽命中率與遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控的有效融合，首先明確足球命中機(jī)理的核心控制概念。在足球比賽中，足球命中率高的區(qū)域被稱之為危險(xiǎn)區(qū)域。考慮足球比賽球員射門角度的多樣性不可預(yù)見性，足球的命中率簡(jiǎn)要定義為:足球射門的角度與足球場(chǎng)地的最大射門角度的比值。依據(jù)足球比賽射門命中機(jī)理建立如圖3所示的足球比賽運(yùn)動(dòng)過程數(shù)學(xué)平面直角坐標(biāo)系。
2.2軟件監(jiān)控系統(tǒng)建立
足球命中率控制機(jī)理下的遠(yuǎn)程智能采摘監(jiān)控，需匹配完整合理的采摘信息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理方法，故以監(jiān)控界面顯示、應(yīng)用邏輯控制和監(jiān)控服務(wù)信息訪問3個(gè)層次進(jìn)行流程梳理，如圖5所示。
其中，A.SP.NET\C#與CSS\JavaScript間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互相調(diào)用與共享，經(jīng)監(jiān)控服務(wù)信息訪問模塊的信息獲取與數(shù)據(jù)服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)采摘監(jiān)控信息引用目標(biāo)。
進(jìn)一步對(duì)遠(yuǎn)程采摘的監(jiān)控軟件系統(tǒng)步驟進(jìn)行合理劃分(見表2)，依據(jù)主要作用的實(shí)現(xiàn)可劃分為7個(gè)主要實(shí)施步驟。其中，加密模塊與安全模塊是在一站式信息監(jiān)控模型下的附屬，其存在可有效保證智能采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。
2.3硬件配置控制設(shè)計(jì)
在采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控硬件配置環(huán)節(jié)，關(guān)鍵在于選型與組裝:CMOS攝像裝置作為主要的采摘果實(shí)圖像輸出裝置，RFID讀卡裝置、USB攝像裝置和TFTLCD共同組成DM3730型信息交換裝置，并在DM9000C網(wǎng)卡的連接下，應(yīng)用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)PC的終端準(zhǔn)確實(shí)時(shí)化顯示，其配置連接如圖6所示。
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3采摘監(jiān)控系統(tǒng)試驗(yàn)
3.1條件設(shè)置
針對(duì)足球比賽命中率機(jī)理下的遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人監(jiān)控試驗(yàn)，數(shù)據(jù)交互與處理進(jìn)行如下設(shè)置:
1)采摘實(shí)時(shí)監(jiān)控界面與圖像服務(wù)功能交互;
2)采摘實(shí)時(shí)監(jiān)控界面與數(shù)據(jù)服務(wù)接口交互;
3)采摘監(jiān)控系統(tǒng)歷史服務(wù)器與數(shù)據(jù)服務(wù)接口交互;
4)采摘監(jiān)控系統(tǒng)歷史服務(wù)器與其他高級(jí)服務(wù)接口交互;
5)數(shù)據(jù)服務(wù)接口與數(shù)據(jù)指令解析服務(wù)交互等。
3.2試驗(yàn)分析
以一組采摘?jiǎng)幼鳛樵囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)，基于足球比賽命中率的采摘機(jī)器人作業(yè)監(jiān)控試驗(yàn)主要過程圖像監(jiān)控抓拍。試驗(yàn)時(shí)，從采摘機(jī)器人的初始定位入手，經(jīng)過路徑的找尋與規(guī)劃調(diào)整，達(dá)到果實(shí)的采摘?jiǎng)幼鲌?zhí)行，包括吸附與夾持及切斷，最終實(shí)現(xiàn)采摘果實(shí)的指定化安放與采摘機(jī)構(gòu)的卸果復(fù)位。
在選擇采摘機(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定范圍內(nèi)(250～300r/min)進(jìn)行采摘的遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗(yàn)，得出如表3所示的關(guān)鍵采摘評(píng)價(jià)指標(biāo)。由表3可知:足球比賽命中率機(jī)理被應(yīng)用于采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采摘時(shí)間可提升0.04s，與之前采摘速度保持一致;由于足球命中率技術(shù)的融入，采摘作業(yè)的采摘損傷率大幅度降低，由設(shè)計(jì)前的0.53%降至0.26%，采摘成功率由設(shè)計(jì)前的92.42%提高至94.29%，這說明設(shè)計(jì)可行且改善效果明顯。
4結(jié)論
1)通過理解足球賽場(chǎng)上的射門命中率原理，依據(jù)采摘機(jī)器人采摘?jiǎng)幼骺刂平Y(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，將兩者融合對(duì)遠(yuǎn)程采摘機(jī)器人的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2)建立合理的足球比賽命中率控制方法下的采摘監(jiān)控理論模型，并進(jìn)行軟件系統(tǒng)后臺(tái)指令控制和硬件采摘控制設(shè)施匹配，實(shí)現(xiàn)了完整采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控。
3)試驗(yàn)結(jié)果表明:結(jié)合足球命中率的采摘監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采摘的綜合效率可提升1.69%，可為其他農(nóng)用智能設(shè)備的改善與優(yōu)化提供參考和借鑒。