CN103442457B - 基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置及方法，该装置包括传感器及信号调理模块、数据发送模块、数据接收模块、机器人控制计算机、电源模块。采摘机器人的避障传感器、位置传感器及压力传感器信号通过信号调理模块与CC2430数据发送模块相应I/O口相连接，并经天线传递给数据接收模块的天线端，天线端得到的信息再经CC2430接收模块处理，最后通过串口转USB电路将传感器信息传递给机器人控制计算机，从而实现机器人传感器信号的无线传输。本发明能够解决现有苹果采摘机器人传感器有线传输系统的不足，以无线方式替代有线方式，具有实时准确获取传感器信息能力，抗干扰性强，可扩展性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种农业果蔬采摘机器人传感器信号无线传输装置及其方法，尤其是基于Zigbee技术的苹果采摘机器人传感器无线传输装置及其方法，属于农业信息化领域。
背景技术
我国是一个农业大国，要实现农业生产的现代化、机械化和智能化是社会发展的必然趋势。果实采摘又是农业生产中最耗时耗力的一个环节，其成本高、季节性强、需要大量劳动力、高强度的工作。但是由于工业生产的迅速发展，分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因，使得能够从事农业生产的劳动力越来越少，单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。为了解决这些问题，各种农业机器人应运而生，它们凭借众多的传感器感知外部环境，以达到顺利采摘果实的目的。目前大多果实采摘机器人传感器信号传输采用的是有线传输的方式，这种方式主要有以下缺点：（1）由于机器人传感器分布在机器人各个部位，而机器人主控计算机位置固定，当机器人采摘果实时，有部分传感器信号传输导线难免会与果实周围的障碍物发生接触，降低导线的寿命；（2）由于传感器信号传输导线纷繁杂乱，出故障后不利于检修；（3）在机器人机械臂直动关节伸缩过程中，末端执行器上的传感器信号传输导线容易被扯断。
发明内容
本发明的目的是解决现有苹果采摘机器人传感器有线传输系统的不足，以无线方式替代有线方式，提供一种基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置及方法，它具有能实时准确的检测传感器信息，抗干扰能力强，可扩展性好的特点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置，采摘机器人的传感器信号通过信号调理单元与CC2430发送模块相应I/O口相连接，并经天线将传感器信息以IEEE802.15.4协议标准的2.4GHZ频率传递给数据接收模块的天线端，天线端得到的信息再经CC2430接收单元处理，最后通过串口转USB电路单元将传感器信息传递给机器人控制计算机，从而实现机器人传感器信号的无线传输。整个装置主要包括：传感器及信号调理模块、数据发送模块、数据接收模块、电源模块。
其中，机器人传感器及信号调理模块作用是获取机器人的工作状态及感知外部环境，为机器人动作提供依据。主要包括避障传感器、位置传感器、压力传感器以及相应信号调理电路。避障传感器包括微动开关及FSR-408型力敏电阻，其中微动开关安装在机械臂的四周，当机械臂和障碍物碰撞时，微动开关输出信号，提示进行避障操作，安装在机械手前部的FSR-408力敏电阻用于感知机械手与障碍物接触信息；位置传感器包括红外光电对管、霍尔传感器及切刀限位开关，在机械手内部设置的两组红外光电传感器用于确定工作对象在机械手中的具体位置，压力传感器使用的是嵌于机械手末端执行器内的FSR-402型力敏电阻，用于感知机械手爪抓取力的大小以实现柔顺抓取控制，切刀限位开关用于限制切刀的动作幅度。
数据发送模块包括CC2430模块及天线，数据接收模块包括CC2430模块、天线及串口转USB通信电路。数据发送模块将传感器及信号调理模块所采集的信号处理之后发送到数据接收模块，数据接收模块再经串口转USB通信电路将信息传送至机器人控制计算机。
电源模块通过电压转换电路，为数据收发模块及传感器及信号调理模块提供不同规格的工作电压。
基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输方法，采摘机器人的避障传感器、位置传感器及压力传感器的信号通过信号调理单元与CC2430发送单元的相应I/O口相连接，并经天线将传感器信息以IEEE802.15.4协议标准的2.4GHZ频率传递给数据接收模块的天线端，天线端得到的信息再经CC2430接收单元处理，最后通过串口转USB电路单元，传感器信息传递至机器人控制计算机，采用电源模块分别为避障传感器、位置传感器、压力传感器、信号调理单元、CC2430发送单元提供相应规格的电压。
本发明的技术效果为：
本装置在苹果采摘机器人采摘苹果时，将获取到的信息无线传输给机器人控制主计算机，能快速可靠的确定机械手中有无苹果和感知末端执行器前端的障碍物等信息，无需布线、安装方便且抗干扰能力增强。另外本发明同样可以适用于其它需要感知环境信息的农产品生产机器人领域。
附图说明
图1是苹果采摘机器人传感器无线传输装置的整体结构框图；
图2是电压转换电路原理图；
图3是红外光电对管与力敏电阻的信号调理电路原理图；
图4是CC2430I/O接口分配图；
图5是串口转USB通信电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，采摘机器人的避障传感器、位置传感器及压力传感器通过信号调理单元与CC2430发送单元相应I/O口相连接，并经天线将传感器信息以IEEE802.15.4协议标准的2.4GHZ频率传递给数据接收模块的天线端，天线端得到的信息再经CC2430接收单元处理，最后通过串口转USB电路单元将传感器信息传递给机器人控制计算机，同时，电源模块为避障传感器、位置传感器、压力传感器、信号调理单元、CC2430发送单元部分提供相应规格的电压。
机器人系统提供的电源电压为12V蓄电池，而传感器单元及CC2430发送单元需要的电压规格分别为5V、3.3V，电压转换电路如图2所示，首先采用集成稳压模块LM2576将12V电压变换为5V，再通过稳压器AMS1117-3.3将5V电压降为3.3V。其中LM2576在VIN端与地之间接有输入电容C1，C1选择的是低ESR的钽电容作为旁路电容，防止在输入端出现大的输入电压；在OUTPUT与地之间接有储能电感L1和输出电容C2，C2选择低ESR的钽电容，用来输出滤波以及提高环路的稳定性。同时在这之间还反接有一个续流二极管D1，D1选用肖特基二极管IN5824。AMS1117-3.3在VIN端与地之间接有输入电容C3，在VOUT与地之间接有输出电容C4，将它们作为旁路电容来滤除信号中的高频分量，同时起到改善瞬态响应的作用。
由于力敏电阻及红外光电对管与CC2430的数字I/O口不兼容，因此要对其进行信号调理后，方可与CC2430相连，信号调理单元的电路如图3所示，主要采用了一个双电压比较器LM393，LM393与TTL，DTL，MOS，CMOS等兼容，可以将模拟信号转换为数字信号，对不同高低电平进行匹配，使输入量能够被CC2430所识别。当采摘的果实进入到预定的位置遮挡住发光二极管的光线时，第一比较器的同相端产生了一个电压值，此时调节滑动变阻器的阻值在反相端设置一个基准电压，当同相电压大于反相电压时，则第一比较器输出端触发为高电平，表示工作对象进入预定位置，如果采集到的两组光电传感器经比较器后的输出均为高电平，则说明果实完整的进入机械手，可进行抓取操作。由于力敏电阻FSR-408及FSR-402，具有压力越大，电阻值越小的特性，对于避障传感器中的力敏电阻，当机械手碰到障碍物时，第二比较器的同相端输入一个电压值，此时改变滑动变阻器的阻值在反相端设置一个基准电压，当同相电压大于反相电压时，则第二比较器输出端触发为高电平，说明碰到障碍需要进行避障操作；对于压力传感器中的力敏电阻，当抓取果实的力不断增大时，第二比较器的同相输入电压不断增大，此时通过改变滑动变阻器阻值来设定一个基准电压作为反相输入，当同相输入端的电压大于反相输入端的电压时，则第二比较器输出端触发为高电平，说明机械手抓已抓牢果实。
如图4为CC2430的I/O接口分配图，四个微动开关与CC2430的P0四个高位P0.4-P0.7连接，红外光电对管和力敏电阻FSR-402及FSR-408经信号调理电路与P0口的低四位P0.0-P0.3连接，八个霍尔传感器与P1口的P1.0-P1.7连接，两个切刀限位开关与P2口的P2.3-P2.4连接。RF_N、RF_P用以连接天线，DVDD、AVDD_SOC、AVDD_RREG及AVDD_DREG分别接3.3V电源，RREG_OUT为内部模拟电路提供1.8V稳压电源，与引脚25、27~31及35~40连接，JTEG仿真调试电路的Debug连接方式主要利用了P2_1、P2_2、RESET_N、VDD及VCC这5根线。
如图5所示为串口转USB电路单元的通信电路，主要采用了芯片CH341T，该芯片支持3.3V电源电压，能够直接转换为串口外围设备，兼容USBV2.0。首先对CC2430寄存器PERCFG的U0CFG位的0位置1，此时P0_3为TX，P0_2为RX，这两个口分别与芯片CH341T的TXD及RXD相连接，同时CH341T的UD+和UD-与USB总线的信号线D+和D-相连，实现数据接收模块与机器人控制计算机的USB通信。晶振XT1、电容C6和C7用于时钟振荡电路，XT1的频率为12MHZ，C5是容量为4700pF的高频瓷片电容，用于CH341T内部电源节电的退耦。C6和C7是容量为15pF的高频瓷片电容，电解电容C8与高频瓷片电容C9起到了滤波的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置，其特征在于：包括传感器及信号调理模块、数据发送模块、数据接收模块、机器人控制计算机、电源模块；所述传感器及信号调理模块包括传感器单元和信号调理单元，所述传感器单元由设置于采摘机器人上的避障传感器、位置传感器和压力传感器构成，所述数据发送模块包括CC2430发送单元和天线，所述数据接收模块包括CC2430接收单元、串口转USB电路单元和天线；
所述避障传感器包括微动开关及FSR-408型力敏电阻，其中微动开关安装在机械臂的四周，当机械臂和障碍物碰撞时，微动开关输出信号，提示进行避障操作，安装在机械手前部的FSR-408力敏电阻用于感知机械手与障碍物接触信息；所述位置传感器包括红外光电对管、霍尔传感器及切刀限位开关，在机械手内部设置的两组红外光电传感器用于确定工作对象在机械手中的具体位置；所述压力传感器使用的是嵌于机械手末端执行器内的FSR-402型力敏电阻，用于感知机械手爪抓取力的大小以实现柔顺抓取控制，切刀限位开关用于限制切刀的动作幅度；
所述信号调理单元采用一个双电压比较器LM393，用于将模拟信号转换为数字信号，对不同高低电平进行匹配，使输入量能够被CC2430所识别；初始状态时，比较器的输出端为低电平，当比较器同相输入端的输入电压大于反相输入端电压时比较器输出端触发为高电平；对于压力传感器中的力敏电阻，当比较器输出为高电平则说明达到了合适的抓取力；对于避障传感器中的力敏电阻，当比较器的输出为高电平则说明机械臂碰到了障碍物；
所述传感器单元的输出端与信号调理单元的输入端相连，信号调理单元的输出端与CC2430发送单元的输入端相连，CC2430发送单元的输出端连接至天线，所述CC2430接收单元的输入端与天线相连，输出端与串口转USB电路单元的输入端相连，串口转USB电路单元的输出端连接至机器人控制计算机，所述电源模块用于分别为避障传感器、位置传感器、压力传感器、信号调理单元、CC2430发送单元提供相应规格的电压。
2.根据权利要求1所述的基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置，其特征在于：电源模块与传感器单元和CC2430发送单元之间采用电压转换电路来转换电压，所述电压转换电路包括集成稳压模块LM2576和稳压器AMS1117-3.3，所述集成稳压模块LM2576用于将12V电压变换为5V，所述稳压器AMS1117-3.3用于将5V电压降为3.3V。
3.根据权利要求2所述的基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置，其特征在于：所述集成稳压模块LM2576在VIN端与地之间接有输入电容C1，输入电容C1选择低ESR的钽电容作为旁路电容，防止在输入端出现大的输入电压；在OUTPUT端与地之间接有储能电感L1和输出电容C2，C2为低ESR的钽电容，用于输出滤波以及提高环路的稳定性，在储能电感L1和输出电容C2之间还反接有一个续流二极管D1，续流二极管D1为肖特基二极管IN5824，稳压器AMS1117-3.3在VIN端与地之间接有输入电容C3，在VOUT端与地之间接有输出电容C4，将输入电容C3和输出电容C4作为旁路电容来滤除信号中的高频分量，并用于改善瞬态响应。
4.根据权利要求1所述的基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置，其特征在于：所述CC2430发送单元接口主要连接信号调理电路、JTEG仿真调试电路、天线电路、四个微动开关、八个霍尔传感器、两个切刀限位开关，两个力敏电阻、两组红外光电管；所述两个力敏电阻、两组红外光电管连接至信号调理电路，所述信号调理电路、JTEG仿真调试电路、四个微动开关、八个霍尔传感器、两个切刀限位开关连接至发送单元CC2430芯片的输入接口，天线电路与发送单元CC2430芯片的输出接口相连接，所述CC2430接收单元接口主要连接JTEG仿真调试电路、天线电路、串口转USB电路；所述JTEG仿真调试电路、天线电路连接至接收单元CC2430芯片的输入接口，串口转USB电路与接收单元CC2430芯片的输出接口相连接。
5.根据权利要求1所述的基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输装置，其特征在于：所述串口转USB电路单元包括CH341T芯片，CC2430接收单元的P0_3和P0_2端口分别与CH341T芯片的TXD及RXD端口相连接，CH341T芯片的UD+和UD-端口与USB总线的信号线D+和D-端口相连。
6.基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输方法，其特征在于：采摘机器人的避障传感器、位置传感器及压力传感器的信号通过信号调理单元与CC2430发送单元的相应I/O口相连接，并经天线将传感器信息以IEEE802.15.4协议标准的2.4GHZ频率传递给数据接收模块的天线端，天线端得到的信息再经CC2430接收单元处理，最后通过串口转USB电路单元，传感器信息传递至机器人控制计算机，采用电源模块分别为避障传感器、位置传感器、压力传感器、信号调理单元、CC2430发送单元提供相应规格的电压；
所述避障传感器包括微动开关及FSR-408型力敏电阻，其中微动开关安装在机械臂的四周，当机械臂和障碍物碰撞时，微动开关输出信号，提示进行避障操作，安装在机械手前部的FSR-408力敏电阻用于感知机械手与障碍物接触信息；所述位置传感器包括红外光电对管、霍尔传感器及切刀限位开关，在机械手内部设置的两组红外光电传感器用于确定工作对象在机械手中的具体位置；所述压力传感器使用的是嵌于机械手末端执行器内的FSR-402型力敏电阻，用于感知机械手爪抓取力的大小以实现柔顺抓取控制，切刀限位开关用于限制切刀的动作幅度；
所述信号调理单元采用一个双电压比较器LM393将模拟信号转换为数字信号，对不同高低电平进行匹配，使输入量能够被CC2430所识别；初始状态时，比较器的输出端为低电平，当比较器同相输入端的输入电压大于反相输入端电压时比较器输出端触发为高电平，对于压力传感器中的力敏电阻，当比较器输出为高电平则说明达到了合适的抓取力；对于避碰传感器中的力敏电阻，当比较器的输出为高电平则说明机械臂碰到了障碍物。
7.根据权利要求6所述的基于Zigbee技术的采摘机器人传感器无线传输方法，其特征在于：在电源模块与传感器单元和CC2430发送单元之间采用电压转换电路来转换电压，电压转换电路根据机器人系统提供的12V蓄电池电源电压，采用集成稳压模块LM2576将12V电压变换为5V，再通过稳压器AMS1117-3.3将5V电压降为3.3V，其中集成稳压模块LM2576外接有输入电容C1、续流二极管D1、储能电感L1和输出电容C2，输入电容C1选择的是低ESR的钽电容作为旁路电容，防止在输入端出现大的输入电压；续流二极管D1选用肖特基二极管IN5824；输出电容C2选择低ESR的钽电容，用来输出滤波以及提高环路的稳定性，稳压器AMS1117-3.3外接有输入电容C3和输出电容C4作为旁路电容来滤除信号中的高频分量。
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