張帥,宋月鵬*,徐保巖,王征,柳洪潔,高東升,樊桂菊
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基于uC/OS-Ⅲ系統(tǒng)全向型農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)
張帥1,宋月鵬1*,徐保巖1,王征1,柳洪潔2,高東升3,樊桂菊1
1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 泰安 271018 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院, 山東 泰安 271018 3. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 泰安 271018
針對(duì)目前農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)靈活性及工作穩(wěn)定性差等問(wèn)題,利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)Mecanum輪全向運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行理論分析,研制了一種基于uC/OS-Ⅲ系統(tǒng)的全向型農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái),用于搭載農(nóng)業(yè)機(jī)器人在復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)和田間信息采集,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,提高勞動(dòng)效率。該平臺(tái)分為五部分:機(jī)械主體部分、環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng);通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析與計(jì)算、Mecanum輪輪組系統(tǒng)與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的映射關(guān)系分析,獲得實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的必要條件與最佳的輪組結(jié)構(gòu)布局,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定迅速的全向移動(dòng)能力;通過(guò)uC/OS-Ⅲ操作系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行管理和調(diào)度,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)作業(yè)環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、定位信息的檢測(cè)與反饋。最后進(jìn)行了平臺(tái)的整體實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證,結(jié)果表明該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了全向運(yùn)動(dòng)并具有較高的工作穩(wěn)定性。
全向性農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái); Mecanum輪; uC/OS-Ⅲ系統(tǒng); 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)
農(nóng)業(yè)機(jī)器人是目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)作為一種研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)平臺(tái),在拓展農(nóng)業(yè)機(jī)器人功能和推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展中有著舉足輕重的地位。雖然現(xiàn)在有關(guān)機(jī)器人測(cè)控平臺(tái)的研究已經(jīng)進(jìn)行,但是針對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的測(cè)控平臺(tái)的研究甚少[1,2]。我國(guó)的果園和溫室大棚面積在世界范圍內(nèi)均位居前列,但因其作業(yè)環(huán)境復(fù)雜機(jī)械化程度普遍較低,多采用傳統(tǒng)的人力勞動(dòng),導(dǎo)致成本高、工作效率低。自二十世紀(jì)中葉開(kāi)始,發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺和人口高齡化的背景下率先開(kāi)展農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究工作,并逐步在作物的移栽、培育、采摘等方面取得了一定的研究成果[3,4]。但這些農(nóng)業(yè)機(jī)器人普遍存在移動(dòng)靈活性差、不能在狹小空間靈活工作等缺點(diǎn),普遍需要農(nóng)業(yè)移動(dòng)測(cè)控平臺(tái)來(lái)幫助農(nóng)業(yè)機(jī)器人完成快速穩(wěn)定的移動(dòng)作業(yè)。相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家,我國(guó)使用的農(nóng)業(yè)機(jī)器人測(cè)控平臺(tái)都是在現(xiàn)有的其他領(lǐng)域的測(cè)控平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用開(kāi)發(fā)[2,5]。因此,研制一種穩(wěn)定可靠的全向型農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)對(duì)于我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)具有重要意義。
因此,本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)適用于果園、溫室大棚等具有復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的全向農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái),該平臺(tái)對(duì)于解決農(nóng)業(yè)機(jī)器人在狹小空間的快速移動(dòng)和實(shí)現(xiàn)田間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息采集等問(wèn)題具有重要意義。
本文在比較了不同移動(dòng)機(jī)構(gòu)類(lèi)型的優(yōu)缺點(diǎn)后,采用了基于Mecanum輪的輪式移動(dòng)平臺(tái),該平臺(tái)突出的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只需用輪組的不同速度組合就可實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),并且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中輪系和懸架的相對(duì)位置不發(fā)生改變[6-10]。該平臺(tái)機(jī)械本體的整體示意圖如圖1(a)所示,該機(jī)械本體由三大部分組成:Mecanum輪組、直流電機(jī)組、車(chē)架底盤(pán)。
圖 1 機(jī)械部件示意圖
(a)Sketch map of main structure, (b) 3D model of wheel stick, (c) 3D model of Mecanum wheel
1. Mecanum輪組; 2.直流電機(jī)控制器; 3.直流減速電機(jī); 4.底盤(pán)支架; 5.輪棍; 6.輪轂
1.Mecanum group. 2. DC motor controller. 3. DC deceleration motor. 4. chassis support. 5. wheel stick. 6. wheel hub
該輪式移動(dòng)平臺(tái)的輪組由四個(gè)Mecanum輪組成,每一個(gè)Mecanum輪由15個(gè)輪棍和1個(gè)輪轂組成,并且輪棍和輪轂成一定的角度安裝。每一個(gè)麥克納姆輪有三個(gè)自由度,一個(gè)是繞自身輪轂軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),一個(gè)是繞自身輪棍軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),最后一個(gè)是繞輪棍與地面的接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[11]。本文基于文獻(xiàn)[12]的輪棍的母線方程,在SolidWorks中建立輪棍的三維模型如圖1中(b)所示,在輪轂周?chē)嚵?5個(gè)輪棍,形成Mecanum輪的三維模型如圖1中(c)所示。
MCU是控制系統(tǒng)硬件的核心,MCU選擇的恰當(dāng)與否直接決定著測(cè)控平臺(tái)性能的好壞。根據(jù)本文測(cè)控平臺(tái)的功能性需求,本平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、光照強(qiáng)度、位置信息等環(huán)境信息進(jìn)行檢測(cè),因此,根據(jù)以上需求,選擇了STM32F103ZET6芯片作為本測(cè)控平臺(tái)的MCU。另外其運(yùn)行速度快,功耗相對(duì)較低,可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息快速穩(wěn)定的傳輸與處理。
外設(shè)傳感器方面選擇HMT338溫濕度傳感器作為平臺(tái)的溫濕度采集裝置;選擇Telesky公司生產(chǎn)的5506型光敏電阻作為光敏傳感器;選擇ALIENTEK公司生產(chǎn)的一款高性能的GPS/北斗定位模塊,型號(hào)為ATK-S1216F8-BD。
在信息傳輸方面,本文采用了ALIENTEK推出的一款工業(yè)級(jí)的高性能GSM/GPRS模塊ATK-SIM800C-V15。該模塊板載SIMCOM公司的工業(yè)級(jí)四頻GSM/GPRS模塊:SIM800C,可自動(dòng)搜索并工作在GSM850M、EGSM900M、DCS1800M、PCS1900M四個(gè)頻段,可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS(短信)、MMS(彩信)、藍(lán)牙數(shù)據(jù)信息的傳輸功能[13-16]。
Mecanum輪的形狀如圖1(c)所示,每一個(gè)Mecanum輪在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,具有繞自身輪轂旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的同時(shí),在與輪棍軸線垂直的方向上也具有自由旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)特性[17-20]。為了便于Mecanum輪的全方位運(yùn)動(dòng)能力的理論分析,本文做了理想條件的假設(shè)(假定各個(gè)結(jié)構(gòu)均為剛體,忽略變形與振動(dòng)的影響),并在以上理想假設(shè)的基礎(chǔ)上,根據(jù)文獻(xiàn)[12]的研究?jī)?nèi)容和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的位姿變化關(guān)系對(duì)Mecanum組移動(dòng)平臺(tái)的四個(gè)輪轂運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論的詳細(xì)分析[21-23],同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[21]對(duì)Mecanum組移動(dòng)平臺(tái)的全向運(yùn)動(dòng)能力進(jìn)行計(jì)算分析。
最終基于以上的分析,在本文中,初步設(shè)計(jì)了十種平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方案:前進(jìn)、后退、左側(cè)橫向運(yùn)動(dòng)、右側(cè)橫向運(yùn)動(dòng)、左側(cè)斜向上運(yùn)動(dòng)、右側(cè)斜向上運(yùn)動(dòng)、左側(cè)斜向下運(yùn)動(dòng)、右側(cè)斜向下運(yùn)動(dòng)、繞自身軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、繞自身軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)方案如表1所示:
表1 平臺(tái)的全向運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案
備注:1,2,3,4表示四個(gè)輪子的角速度,v表示平臺(tái)沿軸方向的速度,v表示平臺(tái)沿軸方向的速度,表示平臺(tái)繞自身旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的角速度。
Note:1,2,3,4represent the angular velocity of the four wheels.vrepresents the speed of the platform along theaxis,vrepresents the speed of the platform along theaxis, andrepresents the angular velocity of the platform rotating around its own rotation axis.
uC/OS-III是一個(gè)全新的實(shí)時(shí)內(nèi)核,可以廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制,汽車(chē)電子,儀器儀表,辦公自動(dòng)化設(shè)備,消費(fèi)電子等領(lǐng)域的程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[24]。在本文中,在綜合考慮常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,我們使用uC/OS-III操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)溫濕度任務(wù)、測(cè)光照強(qiáng)度任務(wù)、獲取定位信息任務(wù)、LCD顯示任務(wù)、GPRS無(wú)線傳輸任務(wù)進(jìn)行管理及調(diào)度,實(shí)現(xiàn)信息采集并減少CPU的占用時(shí)間。
因?yàn)橄到y(tǒng)只有一個(gè)CPU,所以當(dāng)有多個(gè)任務(wù)需要運(yùn)行時(shí),操作系統(tǒng)必須在這些待運(yùn)行任務(wù)中選擇一個(gè)來(lái)運(yùn)行。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),uC/OS-III系統(tǒng)采用了按任務(wù)優(yōu)先級(jí)搶占式規(guī)則,即系統(tǒng)中的每個(gè)任務(wù)都按照其任務(wù)的重要性分配一個(gè)唯一的優(yōu)先級(jí)別,優(yōu)先級(jí)別高的任務(wù)先運(yùn)行,優(yōu)先級(jí)別低的任務(wù)后運(yùn)行。在本文設(shè)計(jì)的任務(wù)中,任務(wù)的優(yōu)先級(jí)數(shù)字越小,該程序的優(yōu)先級(jí)別越高。
本文通過(guò)修改和添加Micrium官網(wǎng)移植工程中的uC-CPU、uC-LIB、uC/OS-III三個(gè)文件夾,將uC/OS-III系統(tǒng)移植到STM32F103ZET6上。在該uC/OS-III系統(tǒng)中創(chuàng)建了10個(gè)任務(wù),各任務(wù)及優(yōu)先級(jí)如表2所示。
表2 任務(wù)及任務(wù)優(yōu)先級(jí)
任務(wù)的流程是下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的核心,是進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。如圖2所示,下位機(jī)供電后進(jìn)入系統(tǒng)初始化狀態(tài),在系統(tǒng)初始化中先是將各個(gè)外設(shè)的寄存器進(jìn)行初始化,把各個(gè)外設(shè)調(diào)整為就緒狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)了6個(gè)外設(shè):GPRS傳輸外設(shè)、LCD顯示外設(shè)、DHT11溫濕度外設(shè)、光照傳感器外設(shè)、SD卡外設(shè)、GPS北斗定位外設(shè)。
圖2 全向農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái)程序流程
在外設(shè)初始化結(jié)束后,進(jìn)入uC/OS-III系統(tǒng)的初始化階段。該階段對(duì)任務(wù)控制塊、任務(wù)堆棧、任務(wù)就緒表、任務(wù)調(diào)度器、系統(tǒng)內(nèi)部任務(wù)、系統(tǒng)終端管理、系統(tǒng)時(shí)間管理、軟件定時(shí)器、信號(hào)量、互斥量、消息隊(duì)列進(jìn)行初始化。uC/OS-III系統(tǒng)初始化后,嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng),系統(tǒng)啟動(dòng)后,創(chuàng)建了Start Task任務(wù)。Start Task任務(wù)沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的外設(shè)功能,只是創(chuàng)建各個(gè)外設(shè)的任務(wù)并將任務(wù)登記到任務(wù)列表中,最后Start Task任務(wù)將自身刪除。該階段創(chuàng)建了5個(gè)任務(wù):消息隊(duì)列任務(wù)、LCD Show任務(wù)、SD存儲(chǔ)任務(wù)、GPS北斗定位任務(wù)、GPRS無(wú)線傳輸任務(wù)。
為使農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),本文采用離散式閉環(huán)PI控制的方式對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。如圖3所示,該閉環(huán)控制的思想是:通過(guò)霍爾傳感器測(cè)得實(shí)際的電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)際轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相對(duì)比,若實(shí)際轉(zhuǎn)速偏小,則增大PWM占空比,若實(shí)際轉(zhuǎn)速偏大,則減小PWM的占空比,最終使實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值。同時(shí)對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行調(diào)定,以實(shí)現(xiàn)最終的調(diào)速控制,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的全方位運(yùn)動(dòng)。
圖3 離散式閉環(huán)PI控制流程
本文通過(guò)計(jì)算分析研制了第一代基于uC/OS-III系統(tǒng)的全向農(nóng)業(yè)測(cè)控平臺(tái)的樣機(jī)。圖4是樣機(jī)及搭載的控制系統(tǒng)硬件,車(chē)體的具體參數(shù)如表3所示。
圖4 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)
表3 測(cè)控平臺(tái)的參數(shù)
為了驗(yàn)證移動(dòng)平臺(tái)的全向移動(dòng)能力與工作穩(wěn)定性,本文通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行比較論證?;贛ATLAB在SimMechanics環(huán)境中進(jìn)行仿真,設(shè)定平臺(tái)做速度為1.5 m/s的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和模式識(shí)別對(duì)平臺(tái)的質(zhì)心位置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)跟蹤并記錄數(shù)據(jù)制成圖表如表4所示。
表4 平臺(tái)平移運(yùn)動(dòng)質(zhì)心位置表
對(duì)表中仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知:平臺(tái)理想條件下做平移運(yùn)動(dòng)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)誤差,而實(shí)際測(cè)量結(jié)果顯示平移運(yùn)動(dòng)有最大2 cm的運(yùn)動(dòng)誤差。相對(duì)于平臺(tái)600 mm×298 mm的總體尺寸而言,誤差較小。
對(duì)圖5(a)分析可知:平臺(tái)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),其仿真結(jié)果與理論結(jié)果相差不大,約有1 mm的運(yùn)動(dòng)誤差,實(shí)際試驗(yàn)的結(jié)果有最大4 mm的運(yùn)動(dòng)誤差,較理論與仿真結(jié)果相差很小,該誤差相對(duì)與長(zhǎng)600 mm、寬298 mm的移動(dòng)平臺(tái)來(lái)說(shuō),誤差在1%以內(nèi),符合設(shè)計(jì)要求。
圖5 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)質(zhì)心與接收數(shù)據(jù)點(diǎn)曲線圖
同時(shí)對(duì)整套系統(tǒng)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)北校區(qū)進(jìn)行丟包率試驗(yàn),試驗(yàn)規(guī)模:3 km×3 km,區(qū)域內(nèi)16 m高樓、10 m樹(shù)木若干。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送500個(gè)數(shù)據(jù),得到下位機(jī)實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)曲線圖,如圖5(b)所示,由圖中的數(shù)據(jù)可得,整機(jī)數(shù)據(jù)丟失量較少,在3 km范圍內(nèi)整套系統(tǒng)的丟包率在4‰左右,滿足工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)需求。
1)本文在分析和對(duì)比現(xiàn)有的全向運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,選擇基于Mecanum輪的輪式移動(dòng)平臺(tái)作為本文的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué),推導(dǎo)出Mecanum輪做全方位運(yùn)動(dòng)的必要條件。在理論分析的基礎(chǔ)上,對(duì)常見(jiàn)的4種Mecanum輪布局方案進(jìn)行了最優(yōu)化選擇并設(shè)計(jì)了十種運(yùn)動(dòng)方案;
2)在分析了現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合STM32F103系列單片機(jī)的特點(diǎn),選擇uC/OS-III系統(tǒng)作為本系統(tǒng)下位機(jī)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過(guò)修改官網(wǎng)移植文件,將uC/OS-III系統(tǒng)移植到STM32F103ZET6上。最后在uC/OS-III系統(tǒng)中完成對(duì)各種外設(shè)的接口程序設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)周?chē)h(huán)境信息的快速檢測(cè);
3)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn),該平臺(tái)滿足全向運(yùn)動(dòng)能力,且工作穩(wěn)定可靠,滿足設(shè)計(jì)要求。
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Design and Experiment of Omnidirectional Agricultural Measurement and Control Platform Based on uC / OS-Ⅲ System
ZHANG Shuai1, SONG Yue-peng1*, XU Bao-yan1, WANG Zheng1, LIU Hong-jie2, GAO Dong-sheng3, FAN Gui-jü1
1.271018,2.271018,3.271018,
In order to solve the problems of poor mobility and poor working stability of the current agricultural mobile platform, a kind of omnidirectional integrated monitoring and control platform based on uC / OS-Ⅲ system was developed by using the theoretical analysis of robot kinematics and the omnidirectional motion ability of Mecanum wheel. It is used to carry agricultural robot in complex operation environment to realize omnidirectional movement and field information collection, reduce labor intensity and improve labor efficiency. The platform is divided into five parts: mechanical parts, environmental detection system, control system, operating system and power system. Through the analysis and calculation of robot kinematics and the analysis of mapping relation between Mecanum wheel group system and platform motion coordinate system, the necessary conditions and the optimal wheel group structure layout for realizing omnidirectional motion are obtained. Furthermore, stable and rapid omnidirectional mobility is realized.
Omnidirectional agricultural measurement and control platform; Mecanum wheel; uC/OS- III system; robot kinematics
S229+.1
A
1000-2324(2018)03-0438-06
2017–09–10
2017–10–19
山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系果品產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資金(SDAIT-06-12,SDAIT-06-1);國(guó)家十三五智能農(nóng)機(jī)裝備重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701701);山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2017YF003);山東農(nóng)業(yè)大學(xué)“雙一流”科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)專項(xiàng)(SYL2017XTTD07)
張帥(1993-),男,在讀碩士,從事智能控制和信號(hào)處理研究. E-mail:zhxmzhangshuai@163.com
Author for correspondence. E-mail:uptonsong@163.com