基于SLAM的农业采摘机器人运动控制系统设计

本文是一篇介绍农业学硕士论文，笔者认为此次研究设计了农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统，能够实现对 SLAM 车体的控制，并实现主控机跟 SLAM 控制机的无线网通讯，还有主控机跟安卓手机的无线网通讯。

1 绪论

1.1 研究背景及意义
对于农业采摘作业来说，在整个农业生产关系链里，属于耗时较多、人力消耗较大的环节，传统的人工作业一直以来制约着农业生产的发展。从另外一个角度看，由于农业采摘有着很强的季节性，需要投入强度很大的劳动，因此消耗的费用也非常的高。如今，我国的农业采摘作业绝大多数是通过人工操作进行完成的，在采摘效率方面比较的低，而整个采摘费用占到了总成本的 50%-70%。而随着我国农业的快速发展，对于农业采摘机器人的研究越来越具备实践意义。
农业采摘主要是完成水果蔬菜等农产品在成熟时的采摘工作，其中还包括运输以及包装等流程业务，而农业采摘机器人就是为了更好地完成以上工作，自身有着很强的移动能力，而且可以对周围的相关信息进行感知，形成自动编程的一种新式自动化采摘设备。农业采摘机器人运动控制系统牵涉到多方面的前沿技术，例如人工智能、传感器、网络通讯、系统集成、图像识别等等，不仅能够有效改善农业生产环境，还能实现规模化的采摘作业。相对来说，农业采摘机器人的发展，对于我国农业生产领域现有劳动力不足的情况有一定改善，有效提高了劳动生产力。
农业采摘机器人所使用到的 SLAM 技术是一种即时定位与地图构建技术。该技术的作用主要如下：把按照方案设计好的机器人放进一个未知环境，该机器人能够智能复制出跟当前环境完全符合的地图，由此可以避开较多的障碍，能够自由到达每一个角落。SLAM 最早由 Smith、Self 和 Cheeseman 在 1988 年提出的，由于该技术涉及到重要的理论以及应用价值，所以在农业采摘机器人设计开发中得到了一定的应用，被许多学者认为是实现能够自主采摘的农业移动机器人的关键。当前，SLAM 已经成为农业采摘机器人设计与开发的一项重要技术。一是农业采摘机器人 SLAM 控制系统可以将相关的采摘设备运输到至指定的位置，还能把已经采摘好的相关农产品运输到仓库等地方；二是随着互联网、信息技术、人工智能技术的快速发展，该系统可以利用自身装配的传感器，把农业采摘的一些实时信息发送到 SLAM 主控制机；三是 SLAM具备供电功能，承担着农业采摘机器人系统的供电任务，它不仅可以确保自身进行运动所需的能源，还可以向农业采摘设备提供相应的能源。由此可见，SLAM 控制机是农业采摘机器人能否研发成功的关键所在。
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1.2 国内外研究现状
农业采摘机器人 SLAM 运动控制是指结合即时定位和地图构建，搭载相关的农业采摘机构，在农业采摘的过程中能够执行相应任务的一种无人自动行驶小车，结合了各种不同的传感器，其中涉及到相关的电子技术以及机械技术。该类型的控制系统对于传感器进行了完美结合，能够对 SLAM 的车体运动进行控制，可以对许多传感器数据进行采集，并且跟其它相关系统进行协调作业。国外对于农业采摘机器人研究得较早，其中日本的农业采摘机器人研发在全世界最为成熟。我国的农业采摘机器人研究相对起步较晚，但也取得了一定的成就。
1.2.1 国外研究现状
日本早在上世纪就是年代初，就有诸多科学家对农业采摘机器人进行了研究，设计出一种可以自动采摘西红柿的农业机器人。这种机器人的结构齐全，包括指挥中心、各类传感器、采摘机械手臂等，还具备了移动系统，能够自动按照规划的路线进行移动。当实施农业采摘作业的时候，移动系统会根据预先设定的指令进行滚动，采集到四周环境的实时图像，然后对已经成熟状态的西红柿进行分析判断，以决定是否进行采摘。上世纪九十年代后期，日本的科学家还研发了一种采摘甘蓝的机器人，这种类型的机器人同样具有完整的采摘机械结构以及传感器判断结构，并在原先的自动采摘西红柿的农业机器人基础上进行了一定的改进。
新世纪出，日本研发出一种能够自动采摘茄子的农业采摘机器人，加入了更加完善的视觉系统，而且其机械手臂的自由度多达 5 个，滚动系统也更加的灵活，从原先农业采摘机器人的轮子滚动变成了履带滚动，因此比轮子滚动的控制更加的容易，而且能够实现更大的负载，然而这种农业采摘机器人如果空间有限的话，则不太适合进行采摘工。此外，日本科学家还对喷雾型的农业机器人进行开发，这是一种能够双向闭合的四轮机器人，在前进的时候，前面轮子的离合器会发生闭合操作，当后退的时候，后面轮子的离合器会发生闭合操作，这样能够在机器人到达了极限位置的时候，防撞设施会将机器人变成了后退模式，以形成反复的喷雾。
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2 基于 SLAM 的农业采摘机器人运动控制模型

2.1 基于 SLAM 的农业采摘机器人机械结构
基于 SLAM 的农业采摘机器人，机械结构的尺寸为 780mm×608mm×440mm，它的承载力能够达到 80 千克，转向是四轮独立的，驱动也是四轮独立的，配备了能够独立进行相关控制执行的电动机，构建起能够独立运作的伺服单元。农业采摘机器而的模型尺寸和相关的结构见图 2-1。


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2.2 基于 SLAM 的农业采摘机器人运动控制模型分析
分析农业采摘机器人运动控制模型，是在车轮转向控制的时候，还有路径不同的时候，能够做到简单方便，以制定机器人行走方案。
2.2.1 农业采摘机器人车轮转向控制分析
在农业采摘机器人发生转向动作的时候，里面的车轮跟外面的车轮滚过的间距并不一样，因此需要让四个轮子在运动时协调，以防止轮子有滑动，在一定程度上降低滚动的阻力，减少轮子产生的磨损。这就需要任何一个轮子的轮轴延长线在 P 点相交，这叫做农业采摘机器人转向中心。
在这一章里对农业采摘机器人的运动控制模型进行构建，给出了符合运动条件的相关公式，并对各种运动模式进行了分析，由此为下面的控制系统设计奠定了理论基础。
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3 基于 SLAM 的农业采摘机器人控制系统总体设计............................16
3.1 基于 SLAM 的农业采摘机器人系统结构.................................16
3.2 农业采摘机器人 SLAM 控制系统总体设计...............16
4 农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统软件设计..............................21
4.1 农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统的软件框架.................21
4.2 CAN 智能节点通讯程序的设计....................21
5 结论与展望.........................37
5.1 结论........................... 37
5.2 展望.................... 37

4 农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统软件设计

4.1 农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统的软件框架
按照前面章节所分析的农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统相关功能需求，对农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统做出如下设计：首先是设计了 CAN 智能节点通讯驱动程序；其次是设计了 GPS 定位模块、INS 测量模块、超声波测距模块，这三个模块是用于采集数据的；第三，设计了主控机、SLAM 控制机以及安卓手机的相关应用程序。系统构成见图 4-1。

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5 结论与展望

5.1 结论
此次研究设计了农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统，能够实现对 SLAM 车体的控制，并实现主控机跟 SLAM 控制机的无线网通讯，还有主控机跟安卓手机的无线网通讯。此次研究主要有下面三部分：
（1）对基于 SLAM 的农业采摘机器人运动控制模型进行了构建，分析该模块最好的运动模式，然后把这些运动模式分解成以下三种运动：平移、转弯、自转。由此对相关的运动组合进行确定。
（2）对基于 SLAM 的农业采摘机器人控制系统进行总体设计，包括 SLAM 车体运动控制的设计，主控机跟 SLAM 控制机无线通讯的设计，主控机跟安卓手机无线通讯的设计，以此为基础提出一个总体结构方案，并且明确了 SLAM 车体行进控制的办法。
（3）对农业采摘机器人 SLAM 运动控制系统软件进行了设计，包括软件框架的设计、CAN 智能节点通讯程序的设计、传感器数据采集程序的设计、农业采摘机器人 SLAM运动控制系统的应用程序的设计等，最后进行了测试操作。
参考文献（略）