郎永祥

(重慶城市管理職業(yè)學(xué)院,重慶 401331)

0 引言

在果蔬生產(chǎn)作業(yè)過程中,果蔬的采摘是最耗時耗資的一個環(huán)節(jié),其作業(yè)強(qiáng)大,費用高,而且作業(yè)時間密集,采摘成本要占總成本的50%～70%。為了降低勞動強(qiáng)度,節(jié)省生產(chǎn)成本,將采摘機(jī)器人引入到采收過程中,以提高果蔬的作業(yè)生產(chǎn)效率。在采摘機(jī)器人使用過程中,采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量非常重要,特別是對于一些易損的果蔬,如果采摘質(zhì)量不高,會嚴(yán)重影響采摘效果。因此,在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中需要引入監(jiān)測系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),當(dāng)出現(xiàn)采摘質(zhì)量不好的情況時,可以通過遠(yuǎn)程控制來調(diào)整機(jī)器人的作業(yè)姿態(tài),以提高作業(yè)質(zhì)量。

1 基于交互式學(xué)習(xí)的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程動作控制

采摘機(jī)器人雖然已經(jīng)被應(yīng)用到了果蔬采摘過程中,但仍然存在很多問題,特別是作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)測。在一些易破損果蔬的采摘過程中,如果采摘作業(yè)質(zhì)量存在問題將會造成很大的果實采摘損傷。因此,在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中,采摘機(jī)器人作業(yè)質(zhì)量的監(jiān)測非常重要,如果在發(fā)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量存在問題時及時給予干預(yù),將在很大程度上避免果實的損傷。根據(jù)此原理,基于交互式學(xué)習(xí)原理,引入了采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程動作控制系統(tǒng),其流程如圖1所示。

圖1 基于交互式學(xué)習(xí)的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制流程

基于交互式學(xué)習(xí)的采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程動作控制的流程主要分為4個步驟:首先是對采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程的作業(yè)過程視頻進(jìn)行采集,視頻采集完成后利用投影技術(shù)進(jìn)行3D投影,以了解采摘機(jī)器人動作的實時情況;然后,利用交流交互技術(shù)對采摘機(jī)器人之前學(xué)習(xí)訓(xùn)練的動作進(jìn)行較為準(zhǔn)確的控制;控制過程采用遠(yuǎn)程控制的方式,可以發(fā)送語音指令等,實現(xiàn)機(jī)器人和管理員的交流交互。

2 采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制設(shè)計

隨著智能化時代的到來,在采摘機(jī)器人作業(yè)過程中,實時監(jiān)測機(jī)器人并與機(jī)器人進(jìn)行交流交互成為可能。為了實現(xiàn)采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程交流交互和控制,需要設(shè)計多媒體系統(tǒng),通過多媒體系統(tǒng)管理員可以采用語音或者動作感知等方法對采摘機(jī)器人的行為進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程的作業(yè)情況也可以實時的反饋給管理員端。系統(tǒng)的總體框架如圖2所示。

圖2 采摘機(jī)器人交互式控制系統(tǒng)框架

采摘機(jī)器人交互性控制系統(tǒng)最重要部分是基于多媒體的計算機(jī)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可以發(fā)布和接受控制指令、播放視頻和音頻等信息、處理通信數(shù)據(jù)等,從而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換和各種音視頻設(shè)備的控制?？刂泼姘迨侨藱C(jī)對話的重要工具,可以通過各種按鈕實現(xiàn)對計算機(jī)設(shè)備、投影設(shè)備、話筒設(shè)備的控制和操作,使繁瑣的控制變得更加簡單化。

實物投影設(shè)備也是實現(xiàn)采摘機(jī)器人和管理員交互式人機(jī)對話的重要設(shè)備,它可以將采集得到的采摘機(jī)器人作業(yè)信息情況以三維的形式進(jìn)行投影,更加生動形象地展示采摘機(jī)器人的作業(yè)過程,如圖3所示。管理人員根據(jù)采摘機(jī)器人的詳細(xì)作業(yè)情況對其做出相應(yīng)的調(diào)整,調(diào)整過程可以采用語音或者手勢感應(yīng)的方式。采摘機(jī)器人在遠(yuǎn)程端做出相應(yīng)調(diào)整后,可以改善采摘作業(yè)的質(zhì)量。

圖3 多媒體投影儀

多媒體投影儀是實時交互的重要設(shè)備,是采摘機(jī)器人和管理人員進(jìn)行交流交互的重要媒介。在傳送語音指令時,為了使采摘機(jī)器人具有較好的語音識別能力,可以采用語音拾取裝置,如話筒等。管理員在和采摘機(jī)器人進(jìn)行交流交互時,還可以采用電子白板的形式,通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)無紙化交流交互,在寫入指令后可以直接輸送到計算機(jī)中。為了更好地控制采摘機(jī)器人,使采摘機(jī)器人具有較高的控制精度,還可以采用智能化技術(shù)對采摘機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)。

在采摘機(jī)器人智能學(xué)習(xí)上,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是最常用的學(xué)習(xí)算法。如果將小波算法引入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上,可以進(jìn)一步的提高學(xué)習(xí)能力,對控制誤差進(jìn)行優(yōu)化。假設(shè)基本的小波函數(shù)為x(t),將其平移b后,把預(yù)測信號和a做內(nèi)積,其表達(dá)式為

(1)

其中,h為卷積函數(shù)。

等效時域的表達(dá)式為

(2)

小波算法利用反向傳播的反饋性能,可以有效地提高計算誤差。假設(shè)動作控制訓(xùn)練的輸入部分為x1、x2、...、xk,小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出匹配為y1、y2、...、yk,為了得到滿意的期望輸出,可以利用小波函數(shù)對權(quán)值ωk進(jìn)行修正,其表達(dá)式為

y(k)=∑ωkx(k)

(3)

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測誤差為

e=∑yn(k)-y(k)

(4)

根據(jù)預(yù)測誤差,對小波基函數(shù)系數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進(jìn)行修正,其表達(dá)式為

(5)

(6)

其中,η表示學(xué)習(xí)效率。

在采摘機(jī)器人采摘過程中,動作的決策和規(guī)劃還需要依據(jù)果實的位置。假設(shè)果實的位置坐標(biāo)點為(x′,y′),在全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)為(x0,y0),夾角為θ,利用三角變換可得

(7)

果實位置點在絕對坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值為

(8)

(9)

假設(shè)采摘機(jī)器人左右輪角速度分別為wl、wr,則其速度分別為

(10)

(11)

其中,R為驅(qū)動輪的半徑,D為兩輪間的距離。

假設(shè)兩輪的轉(zhuǎn)速比為kp,則

(12)

調(diào)整kp的值,假設(shè)在第k個采樣周期內(nèi)其計算脈沖分別為mk和nk,則采摘機(jī)器人的基本控制模型為

(13)

其中,xk+1、yk+1、θk+1分別為第k+1個周期時機(jī)器人的位移和方向,Mp為機(jī)器人驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動1圈時的脈沖數(shù),Δt為采樣時間。

采摘機(jī)器人智能化動作訓(xùn)練完成后,在采摘作業(yè)過程中,利用多媒體交互式學(xué)習(xí)技術(shù),管理員根據(jù)采摘機(jī)器人的實時作業(yè)情況對采摘機(jī)器人的動作做出指導(dǎo),實現(xiàn)采摘機(jī)器人和管理員的雙向交互過程。

3 采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)測試

目前,對于采摘機(jī)器人采摘過程的監(jiān)控一般都是單向的,主要是管理員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控視頻對采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率進(jìn)行實時監(jiān)控。在遇到突發(fā)狀況時,管理人員根據(jù)現(xiàn)在作業(yè)情況,對采摘機(jī)器人進(jìn)行干預(yù),以避免事故的發(fā)生。目前,在采摘機(jī)器人實時控制方面的研究成果還比較少,是由于缺乏有效的實時交互學(xué)習(xí)系統(tǒng)。為此,將采摘機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和交流交互技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計了采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 基于交流交互的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)架構(gòu)

為了實現(xiàn)采摘機(jī)器人和管理員的交流交互,可以利用投影儀將遠(yuǎn)程監(jiān)測得到的采摘機(jī)器人進(jìn)行3D再現(xiàn),然后管理員根據(jù)采摘機(jī)器人的實際作業(yè)情況對其動作進(jìn)行指導(dǎo)和糾正。采摘機(jī)器人的動作干預(yù)可以通過遠(yuǎn)程發(fā)送指令來完成(如采用語音指令),采摘機(jī)器人端收到語音指令后將做出相應(yīng)的動作響應(yīng)。

圖5 通信過程丟包率監(jiān)測

在采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制過程中,對于指令的接收是非常重要的,需要有高質(zhì)量的遠(yuǎn)程通信。為了保證通信質(zhì)量,首先對通信的丟包率問題進(jìn)行監(jiān)測,結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出:遠(yuǎn)程通信的丟包率較低,能夠可靠地完成通信任務(wù)。

圖6 遠(yuǎn)程控制準(zhǔn)確率對比

為了驗證采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的可靠性,將基于交互式技術(shù)的控制系統(tǒng)和沒有采用交互式技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行了對比,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出:采用交互式技術(shù)可以有效地提高采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制精度。

4 結(jié)論

為了提高采摘機(jī)器人的智能化水平,提高遠(yuǎn)程控制精度,基于數(shù)字傳媒交互技術(shù),在采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計上引入了交互性系統(tǒng),通過遠(yuǎn)程監(jiān)測、三維實體投影和語音指令控制的方式,實現(xiàn)管理員和采摘機(jī)器人的交流交互,從而提高了采摘機(jī)器人的智能化水平。為了驗證方案的可行性,對遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的性能進(jìn)了測試,并將測試數(shù)據(jù)和沒有采用交互技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行了對比,結(jié)果表明:采用交互性系統(tǒng)可以有效地提高控制系統(tǒng)的精度,對于采摘機(jī)器人現(xiàn)代化控制系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的意義。