轮式移动农业机器人

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机器人的工作是由中央控制器控制，为使末端执行器依照规划轨迹动作，将
驱动末端执行器按照指定位姿运动的各关节参数序列经中央控制器通过实时逆
向运动学计算，并配置驱动信号指令给各关节电机，驱动各机构动作使AM R-1
的末端执行器按照要求的位姿运动，机器人的机械臂通常是由多个连杆通过相应
的连接组件构成的空间开式链，用以实现各种复杂的运动，达到特种作业要求(张
涛，2010)。要研究机械臂的运动和控制，首先要描述机械臂关节之间，以及机
械臂与操作对象之间的相对运动关系。为了描述机械臂的位置和姿态，J. Denavit
和R.S.Hartenberg于19_5_5年提出用齐次矩阵(D-H矩阵)来描述机械臂关节的
位姿，通过齐次变换矩阵描述连杆之间以及连杆自身的变化关系，D-H矩阵是直
角坐标系中的一个4x4齐次矩阵，它是位置矢量和姿态矢量(方位矢量)的复
合矢量(坐标平移和坐标旋转的复合映射)。机器人运动学通常将机械臂的各个
连杆，操作对象、工具、工件、障碍物作为刚体对待，从几何或机构的角度描述
和研究机器人的运动特性，位移一般表示为时间的函数，而不考虑力或力矩对这
些运动产生的作用，研究的重点是关节变量与机械臂末端执行器位姿的矩阵函数
关系，运动学分析主要为正运动学分析与逆运动学分析两大理论领域。正运动学
求解相对容易，己知各关节变量即可获取末端执行器位姿，机械臂逆运动学的求
解问题及多解的最优取值问题仍是科研学者，智能操控机器人企业专家函待解决
的难题之一。

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整个下位机硬件系统的供电线路如图4-2所示，由于AMR-1农业机器人配备的低
压交流伺服电机的工作电压为60V，整机电源由_5节12V20AH的蓄电池串联组成，一
方面60V 100AH蓄电池电源直接向伺服驱动器供电驱动伺服电机工作，另一方面
60V 100Ah蓄电池组的一节通过LSM2_596S降压电路将电压由12V转为_5 V，得到的_5 V
电压，直接驱动433M载频无线通信模块YL-100IU，使其实现与上位机无线通信。另
一支路通过AMS1117降压电路得到STM32下位机核心系统正常工作的3.3 V电压。
AMR-1的直流电源为60V 100AH蓄电池组((5节12V20AH蓄电池串联组成)，本
文采用天能蓄电池，单只尺寸181mm x77mm x 170mm，重量6Kg，使得整个电池组的
体积较小，重量适中，能很好的容纳于载体车箱的控制室内，可充电次数高达700次，
标准状态下电池放电深度达到80 070，可进行400-600次循环，电池盒的安全阀设计使得
电池即具有普通蓄电池检查补液的功能又具有密封电池单向排气的密封功能，100Ah电
池容量保证了AMR-1农业机器人远距离长时间作业的要求。

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下位机设计的优良直接影响整个控制系统的稳定性，合理的设计不仅可以实现低功
耗甚至超低功耗，具有较好抗干扰能力和系统稳定性。下位机机设计一般基于以下基本
原则:
   (1)典型规范电路优先，使硬件系统趋向标准化、模块化。
   (2)根据系统的功能需要对微控制器的外围电路进行扩展，同时外设与处理器兼
容性要好，充分发挥处理器性能，保持系统稳定，此外需要为二次开发或再次开发留有
足够的外设接口(如将可能需要的I/O口通过排针的形式引出，或者某些外设与芯片间
通过跳线帽连接)提高系统的可扩展性为丰富未来功能奠定基础。
   (3)硬件结构组成是软件方案设计的重要因素，因此硬件结构组成应在充分考虑
应用软件功能实现的前提下进行硬件配置，秉持多软少硬的原则，追求较低硬件成本和
丰富实用的软件功能，实现硬件精简化，系统结构效率化。此过程存在的缺点就是由软
件程序代替硬件电路会占用MCU内存，响应时间相较于硬件实现稍有延迟，因此应根
据实际需要灵活进行软硬件方案选择(孙书鹰，2010)。
   (4)系统电路中处理器与外设要求兼容性好，匹配性能优良，在追求低成本，低
功耗的前提下充分发挥整个系统的功能特点，避免性能冗余。
   (5)为了充分保证系统可靠性，通常做法在硬件系统设计中加入抗干扰电路设计，
如主芯片、外设选择优化、LC滤波，去祸滤波、印刷电路板符合布线规则、补泪滴，
设置通道隔离等措施。
   (6)微处理器外围电路中外设较多时，要保证硬件系统的驱动能力。常用措施是
通过增加驱动器增强系统的驱动能力，在芯片低功耗的前提下降低总线负载保证系统的
可靠性。
   C7)片上系统的硬件布局要合理，在保证系统稳定性的前提下以单面布线优先双
面过孔辅助设计的原则，通过合理的利用双面设计降低器件间的相互干扰，降低功耗，
保证系统稳定性(赵月飞，2014)。

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通过比较，DC伺服电机通过调节脉冲宽度，安装高性能的速度、位置检测器拥有
较好的控制性能，但是由于机械换向器的存在，结构复杂化，同时转子容易发热，工作
环境受火花限制影响了DC伺服电机的性能，增加了维护成本(谭艺乐，2010)，AC
伺服电机由逆变器控制实现变向，不存在机械换向，异步AC伺服电机转子绕组接交流
电网，不与其他电源连接，矢量控制实现了从空载到满载范围内的恒速运行，具有结构
精简、体积小、重量轻、成本低、工作特性能良好、运行效率较高、使用和维护方便等
优点(王军峰，2009)，本文采用交流伺服系统作为轮式农业机器人AMR-1的动力输
出源。

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交流伺服系统一般由交流伺服电动机，速度、位置、电流控制器，功率变换器，力
矩、速度、位置传感器组成(陈先锋，2009)。交流伺服系统具有电流反馈、速度反馈
和位置反馈三环控制结构，其中电流环和速度环为局部环(内环)，位置环为主环(外
环)，电流环由电流控制器和逆变器组成，作用是使电机绕组电流实时，准确的跟踪电
流指令信号，限制电枢电流在动态过程中不超过最大值，根据PWM算法产生PWM信
号，使系统具有足够大的加速转矩，提高系统的快速性。速度环的作用是保证电机的转
速与速度指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响，速度控制器通常采
用PI控制方式，对于动态响应、速度恢复能力特别高的系统，可采用滑模变结构或自
适应控制方式，增强系统稳定性，抑制速度波动，实现稳态无静差。位置环的作用是产
生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪，保证系统静态精度和动态跟踪性能，交流
伺服系统按控制信号的处理方式可分为模拟控制方式，数字控制方式，数字一模拟控制
方式，软件伺服控制方式;按伺服系统的控制方式又分为开环伺服系统，闭环伺服系统，
半闭环伺服系统，衡量交流伺服系统性能常用的指标有调速范围D,稳定精度、超调量、
转矩变化的时间响应、转速响应时间、静态刚度、定位精度和稳态跟踪误差(寇宝泉，
2008)。

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本文依据AMR-1伺服电机驱动系统的功能能要求设计的伺服电机系统驱动方案如
图4-12所示:伺服电机由60V直流电源经伺服驱动器内的逆变电路得到UVW三相交
流电向伺服电机供电，下位机发送PWM控制信号到伺服驱动器，驱动伺服电机经减速
机作各结构单元的动力输出，本文选用南京派远自动化科技有限公司生产的LA系列低
压交流伺服电机60LAM01330BCD，其具体参数如下
   (1)额定电压60V,额定电流8.4A,额定功率400W o
   (2)额定力矩1.27NM ,额定转速3000RPM o
   (3)轴颈14mm，机身长12_Smmo
(4)磁极数8，编码器线数2_500，质量1.20_Skgo
   (5)工作环境温度0一40摄氏度。

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