果蔬采摘机器人行走机构控制方案设计(附件)【字数：19134】
摘 要摘 要果蔬采摘机器人的研究是我国农业向着现代化发展的重要标志，为了保证果树采摘机器人能够在作业中实现自主行走，同时能够适应复杂地形的环境，行走机构的设计对整个机器人来说极为重要。本文果蔬采摘机器人行走机构的机械设计主要采用双履带式结构，结构简单，有较好的越障能力与机动性。对果蔬采摘机器人的控制系统，首先对整个控制系统进行了电路设计，设计了电源转换模块、MCU控制系统模块、通信模块以及电机驱动模块等。然后对控制程序进行了设计，对于STM32芯片，采用keil 5进行程序的设计，针对不同的功能模块设计了初始化程序，针对电机控制设计了PID算法以及双电机差速反馈控制，以实现对机器人更好的控制。最后对果蔬采摘机器人采用生物刺激神经网络算法路径规划的可行性的进行了分析。关键字果蔬采摘机器人行走机构；双履带式；控制系统；STM32；路径规划；
目录
第一章 绪论 1
1.1 果蔬采摘机器人研发背景 1
1.2 国内外研究现状及应用前景 1
1.2.1 国外发展现状 1
1.2.1 国内发展现状 2
1.3 目前果蔬采摘机器人存在的问题 3
1.4 本章小结 4
第二章 果蔬采摘机器人行走机构的总体设计 5
2.1 果蔬采摘机器人行走机构总体设计 5
2.2 果蔬采摘机器人行走机构主要结构设计 6
2.2.1 主体机械结构设计 6
2.2.2 直流电机选型及参数计算 7
2.2.3 主动轴强度设计分析 8
2.3 果蔬采摘机器人行走机构控制系统设计 10
2.4 本章小结 11
第三章 果蔬采摘机器人硬件电路设计 12
3.1 果蔬采摘机器人行走机构硬件总体结构 12
3.2 电源管理模块设计 12
3.2.1 电压需求分析 12
3.2.2 12V电源转换芯片选型及电路设计 13
3.2.3 5V电源转换芯片选型及电路设计 13
3.2.4 3.3V电源转换芯片选型及电路设计 14
3.3 控制模块设计 14
3.3.1 STM3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2核心板 15
3.3.2 复位模块 16
3.3.3 JTAG模块 16
3.3.4 时钟模块 17
3.4 通信电路设计 18
3.4.1 无线数传模块 18
3.4.2 遥控控制模块 19
3.4.3 CAN总线通信模块 20
3.5 电机驱动Robomodule模块 20
3.6 本章小结 21
第四章 果蔬采摘机器人控制系统程序设计 22
4.1 行走机构控制系统总体程序结构设计 22
4.2 运动控制系统各模块设计 23
4.2.1初始化程序设计 23
4.2.2 CAN总线程序设计 24
4.2.3 遥控接收程序设计 24
4.2.4无线模块程序设计 25
4.3 运动控制系统算法设计 26
4.3.1 常规PID控制算法 26
4.3.2 双电机同步差速反馈控制算法 28
4.4 本章小结 29
第五章 机器人路径规划算法的理论分析 30
5.1 全覆盖路径规划分析 30
5.2 果园环境建模分析 31
5.3 基于生物刺激神经网络路径规划 32
5.4 本章小结 34
第六章 系统调试 35
6.1 机械硬件组装 35
6.2 电路硬件调试 35
6.3 软件调试 36
6.4 本章小结 38
总结与展望 39
致 谢 40
参 考 文 献 41
附录1 电路原理图 43
附录2 程序源码 45
第一章 绪论
1.1 果蔬采摘机器人研发背景
机器人技术的是衡量一个国家现代化高科技水平的重要标志，随着人们对产品的智能化要求越来越高，促使机器人技术的快速发展，机器人技术是未来科技的发展趋势之一。当前时代是农业设备从机械化向着智能化转型的重要时代。我国农业历史悠久，实现农业装备现代化和智能化是以后的发展方向，采摘机器人是当前机器人领域发展较为缓慢的环节，发展果实采摘机器人是提高生产力、改变生产模式、推进农业装备智能化建设的重要举措。果蔬采摘机器人是通过程序算法控制来完成相应的采摘作业任务的，它集成了多种学科，如电子、机械、材料、计算机、农业和生物等学科，涉及很多领域的知识，如电路、机械设计、视觉、控制技术、路径规划、计算机信息处理等领域，所以，研究果蔬采摘机器人对我们国家来说具有深远的意义和重大前景。
1.2 国内外研究现状及应用前景
1.2.1 国外发展现状
在上个世纪60年代，美国的科学家舍尔茨和布朗首次提出了由机器人采摘蔬菜和水果的想法，20年后，世界上第一台采摘机器人成功被研制出来，但是这台采摘机器人仅仅是一款机械化产品，与智能化设备还有很大的差距。随着计算机视觉技术和智能控制等技术的高速发展，在此后的几十年里，America、Japan、France、Britain、Italy、The Republic of Korea等很多国家都对果蔬采摘机器人进行了研究，涉及到很多采摘对象，如苹果、柑橘、草莓、番茄、蘑菇等。
日本针对柑橘、草莓、黄瓜、甘蓝、葡萄等水果的采摘研发了相关的采摘机器人。久保田研发了一套对柑橘进行采摘的采摘机器人，他们设计的机器人有一套可升降的机械臂，这款机械臂有3个自由度，采用多关节型垂直设计，然后把机械臂装载在可移动底盘上，此设计可以避免机器人在移动过程中碰撞到其他的果树。在机械臂的末端装有摄像头，用视觉进行识别，然后通过末端执行机构对果实进行采摘收集。日本冈山大学对草莓采摘机器人进行了研究，他们研发的机器人是对高架栽培的草莓进行采摘。他们研制的草莓采摘机器人是采用直角坐标型机械臂，这个机械臂也具有3个自由度，他的末端执行机构是采用了吸风机将果实吸引住，进而用刀柄把果实切割下来。通过吸风机的吸引力将果实引导进入收获仓。
目录
第一章 绪论 1
1.1 果蔬采摘机器人研发背景 1
1.2 国内外研究现状及应用前景 1
1.2.1 国外发展现状 1
1.2.1 国内发展现状 2
1.3 目前果蔬采摘机器人存在的问题 3
1.4 本章小结 4
第二章 果蔬采摘机器人行走机构的总体设计 5
2.1 果蔬采摘机器人行走机构总体设计 5
2.2 果蔬采摘机器人行走机构主要结构设计 6
2.2.1 主体机械结构设计 6
2.2.2 直流电机选型及参数计算 7
2.2.3 主动轴强度设计分析 8
2.3 果蔬采摘机器人行走机构控制系统设计 10
2.4 本章小结 11
第三章 果蔬采摘机器人硬件电路设计 12
3.1 果蔬采摘机器人行走机构硬件总体结构 12
3.2 电源管理模块设计 12
3.2.1 电压需求分析 12
3.2.2 12V电源转换芯片选型及电路设计 13
3.2.3 5V电源转换芯片选型及电路设计 13
3.2.4 3.3V电源转换芯片选型及电路设计 14
3.3 控制模块设计 14
3.3.1 STM3 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
2核心板 15
3.3.2 复位模块 16
3.3.3 JTAG模块 16
3.3.4 时钟模块 17
3.4 通信电路设计 18
3.4.1 无线数传模块 18
3.4.2 遥控控制模块 19
3.4.3 CAN总线通信模块 20
3.5 电机驱动Robomodule模块 20
3.6 本章小结 21
第四章 果蔬采摘机器人控制系统程序设计 22
4.1 行走机构控制系统总体程序结构设计 22
4.2 运动控制系统各模块设计 23
4.2.1初始化程序设计 23
4.2.2 CAN总线程序设计 24
4.2.3 遥控接收程序设计 24
4.2.4无线模块程序设计 25
4.3 运动控制系统算法设计 26
4.3.1 常规PID控制算法 26
4.3.2 双电机同步差速反馈控制算法 28
4.4 本章小结 29
第五章 机器人路径规划算法的理论分析 30
5.1 全覆盖路径规划分析 30
5.2 果园环境建模分析 31
5.3 基于生物刺激神经网络路径规划 32
5.4 本章小结 34
第六章 系统调试 35
6.1 机械硬件组装 35
6.2 电路硬件调试 35
6.3 软件调试 36
6.4 本章小结 38
总结与展望 39
致 谢 40
参 考 文 献 41
附录1 电路原理图 43
附录2 程序源码 45
第一章 绪论
1.1 果蔬采摘机器人研发背景
机器人技术的是衡量一个国家现代化高科技水平的重要标志，随着人们对产品的智能化要求越来越高，促使机器人技术的快速发展，机器人技术是未来科技的发展趋势之一。当前时代是农业设备从机械化向着智能化转型的重要时代。我国农业历史悠久，实现农业装备现代化和智能化是以后的发展方向，采摘机器人是当前机器人领域发展较为缓慢的环节，发展果实采摘机器人是提高生产力、改变生产模式、推进农业装备智能化建设的重要举措。果蔬采摘机器人是通过程序算法控制来完成相应的采摘作业任务的，它集成了多种学科，如电子、机械、材料、计算机、农业和生物等学科，涉及很多领域的知识，如电路、机械设计、视觉、控制技术、路径规划、计算机信息处理等领域，所以，研究果蔬采摘机器人对我们国家来说具有深远的意义和重大前景。
1.2 国内外研究现状及应用前景
1.2.1 国外发展现状
在上个世纪60年代，美国的科学家舍尔茨和布朗首次提出了由机器人采摘蔬菜和水果的想法，20年后，世界上第一台采摘机器人成功被研制出来，但是这台采摘机器人仅仅是一款机械化产品，与智能化设备还有很大的差距。随着计算机视觉技术和智能控制等技术的高速发展，在此后的几十年里，America、Japan、France、Britain、Italy、The Republic of Korea等很多国家都对果蔬采摘机器人进行了研究，涉及到很多采摘对象，如苹果、柑橘、草莓、番茄、蘑菇等。
日本针对柑橘、草莓、黄瓜、甘蓝、葡萄等水果的采摘研发了相关的采摘机器人。久保田研发了一套对柑橘进行采摘的采摘机器人，他们设计的机器人有一套可升降的机械臂，这款机械臂有3个自由度，采用多关节型垂直设计，然后把机械臂装载在可移动底盘上，此设计可以避免机器人在移动过程中碰撞到其他的果树。在机械臂的末端装有摄像头，用视觉进行识别，然后通过末端执行机构对果实进行采摘收集。日本冈山大学对草莓采摘机器人进行了研究，他们研发的机器人是对高架栽培的草莓进行采摘。他们研制的草莓采摘机器人是采用直角坐标型机械臂，这个机械臂也具有3个自由度，他的末端执行机构是采用了吸风机将果实吸引住，进而用刀柄把果实切割下来。通过吸风机的吸引力将果实引导进入收获仓。
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