壟作模式設(shè)施植保機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)_馮昊棟.pdf

第3期馮昊棟 等 壟作模式設(shè)施植保機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)7 1 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 5 0 3 0 1 2 馮昊棟 鄭航 張毅 等 壟作模式設(shè)施植保機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn) J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2 0 2 5 4 6 3 7 1 7 8 F e n g H a o d o n g Z h e n g H a n g Z h a n g Y i e t a l D e s i g n a n d n a v i g a t i o n s y s t e m e x p e r i m e n t a t i o n o f p l a n t p r o t e c t i o n r o b o t s i n r i d g e p l a n t i n g c o n d i t i o n s J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 5 4 6 3 7 1 7 8 壟作模式設(shè)施植保機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn) 馮昊棟1 鄭航2 3 張毅4 薛向磊2 3 童俊華1 3 俞國紅2 3 1 浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 杭州市 3 1 0 0 1 8 2 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)裝備研究所 杭州市 3 1 0 0 2 1 3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東南丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 部省共建 杭州市 3 1 0 0 2 1 4 浙江錢塘機(jī)器人及智能裝備研究有限公司 杭州市 3 1 0 0 0 2 摘要 針對設(shè)施壟作模式下空間結(jié)構(gòu)狹小 環(huán)境密閉造成機(jī)器自主作業(yè)困難等問題 設(shè)計(jì)一種四輪獨(dú)立驅(qū)動轉(zhuǎn)向設(shè)施植保 機(jī)器人 開發(fā)基于U W B和I M U的組合導(dǎo)航控制系統(tǒng) 并對機(jī)器人進(jìn)行室內(nèi)壟間與換壟行走性能測試 首先根據(jù)設(shè)施壟 作模式特點(diǎn) 確定底盤壟間行走和換壟作業(yè)模式并設(shè)計(jì)相應(yīng)的底盤結(jié)構(gòu)部件 然后基于行走作業(yè)模式與底盤結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè) 施植保作業(yè)機(jī)器人的導(dǎo)航控制系統(tǒng) 采用U W B定位技術(shù)與I M U模塊進(jìn)行組合導(dǎo)航 以機(jī)器人的位置信息和姿態(tài)信息作 為輸入 在底盤運(yùn)動學(xué)模型的基礎(chǔ)上 采用純跟蹤算法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航控制 最后開展機(jī)器人室內(nèi)導(dǎo)航實(shí)地測試 結(jié)果表明 在 行駛速度為0 5 m s 1 0 m s 1 5 m s時 該機(jī)器人的壟間直線行走最大橫向偏差平均值分別為0 0 9 4 m 0 1 0 6 m 0 1 4 8 m 平均偏差分別為0 0 2 8 m 0 0 4 1 m 0 0 6 8 m 該機(jī)器人在室內(nèi)具有較好的轉(zhuǎn)向靈活性和導(dǎo)航行走精度 能夠滿 足設(shè)施壟作結(jié)構(gòu)特點(diǎn)下的行走作業(yè)要求 為自主設(shè)施植保作業(yè)機(jī)器人的研制提供參考 關(guān)鍵詞 設(shè)施溫室 壟作模式 植保機(jī)器人 自主導(dǎo)航 中圖分類號 S 6 2 5 T P 2 7 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 5 0 3 0 0 7 1 0 8 收稿日期 2 0 2 3年9月2 9日 修回日期 2 0 2 3年1 1月1 3日 基金項(xiàng)目 浙江省 尖兵 研發(fā)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目 2 0 2 3 C 0 2 0 1 2 浙江省 領(lǐng)雁 研發(fā)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目 2 0 2 3 C 0 2 0 5 3 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院成果推廣項(xiàng)目 2 0 2 3 R 3 0 C B 0 0 1 第一作者 馮昊棟 男 1 9 9 8年生 河南鶴壁人 碩士研究生 研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)裝備設(shè)計(jì)與制造 E m a i l Z h r o r y 1 2 6 c o m 通訊作者 俞國紅 男 1 9 6 9年生 浙江蕭山人 碩士 高級工程師 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程 E m a i l Y u g u o h o n g 1 6 3 c o m Design and navigation system experimentation of plant protection robots in ridge planting conditions F e n g H a o d o n g 1 Z h e n g H a n g 2 3 Z h a n g Y i 4 X u e X i a n g l e i 2 3 T o n g J u n h u a 1 3 Y u G u o h o n g 2 3 1 School of Mechanical Engineering Zhejiang Sci Tech University Hangzhou 3 1 0 0 1 8 China 2 Institute of Agricultural Equipment Zhejiang Academy of Agricultural Sciences Hangzhou 3 1 0 0 2 1 China 3 Key Laboratory of Agricultural Equipment for Hilly and Mountainous Areas in Southeastern China Co construction by Ministry and Province Ministry of Agriculture and Rural Affairs Hangzhou 3 1 0 0 2 1 China 4 Zhejiang Qiantang Robot and Intelligent Equipment Research Co Ltd Hangzhou 3 1 0 0 0 2 China Abstract T o s o l v e t h e p r o b l e m s o f a u t o n o m o u s o p e r a t i o n i n n a r r o w a n d e n c l o s e d s p a c e s u n d e r r i d g e p l a n t i n g c o n d i t i o n s a f o u r w h e e l i n d e p e n d e n t l y d r i v e n a n d s t e e r i n g p l a n t p r o t e c t i o n r o b o t i s d e s i g n e d a n d a c o m b i n e d n a v i g a t i o n c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n U W B a n d I M U t e c h n o l o g i e s i s d e v e l o p e d T h e r o b o t s p e r f o r m a n c e i s t e s t e d f o r i n t e r r i d g e a n d r i d g e c h a n g i n g o p e r a t i o n s i n d o o r s F i r s t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r i d g e p l a n t i n g c o n d i t i o n s a r e a n a l y z e d t o d e f i n e t h e c h a s s i s i n t e r r i d g e w a l k i n g a n d r i d g e c h a n g i n g o p e r a t i o n m o d e s a n d c o r r e s p o n d i n g c h a s s i s s t r u c t u r a l c o m p o n e n t s a r e d e s i g n e d B a s e d o n t h e s e o p e r a t i o n m o d e s a n d t h e c h a s s i s s t r u c t u r e a n a v i g a t i o n c o n t r o l s y s t e m o f t h e p l a n t p r o t e c t i o n r o b o t i s d e v e l o p e d T h i s s y s t e m i n t e g r a t e s U W B p o s i t i o n i n g t e c h n o l o g y a n d a n I M U m o d u l e f o r c o m b i n e d n a v i g a t i o n u s i n g r o b o t s p o s i t i o n a l i n f o r m a t i o n a n d a t t i t u d e i n f o r m a t i o n a s t h e i n p u t s A p u r e t r a c k i n g a l g o r i t h m i s i m p l e m e n t e d o n t h e c h a s s i s k i n e m a t i c m o d e l t o a c h i e v e p r e c i s e n a v i g a t i o n c o n t r o l F i n a l l y i n d o o r n a v i g a t i o n t e s t s o f t h e r o b o t a r e c o n d u c t e d T h e r e s u l t s s h o w t h a t a t s p e e d s o f 0 5 m s 1 0 m s a n d 1 5 m s t h e m a x i m u m l a t e r a l d e v i a t i o n s o f t h e r o b o t s i n t e r r i d g e s t r a i g h t l i n e w a l k i n g a r e 0 0 9 4 m 0 1 0 6 m a n d 0 1 4 8 m a n d t h e a v e r a g e d e v i a t i o n s a r e 0 0 2 8 m 0 0 4 1 m a n d 第4 6卷 第3期 2 0 2 5年3月 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 6 N o 3 M a r 2 0 2 5 7 2 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 5年 0 0 6 8 m r e s p e c t i v e l y T h e r o b o t d e m o n s t r a t e s e x c e l l e n t s t e e r i n g f l e x i b i l i t y a n d n a v i g a t i o n a c c u r a c y i n d o o r s m e e t i n g t h e o p e r a t i o n a l r e q u i r e m e n t s o f r i d g e p l a n t i n g s t r u c t u r e s T h e f i n d i n g s p r o v i d e a v a l u a b l e r e f e r e n c e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f a u t o n o m o u s p l a n t p r o t e c t i o n r o b o t s f o r f a c i l i t y b a s e d o p e r a t i o n s Keywords f a c i l i t y g r e e n h o u s e r i d g e p l a n t i n g p l a n t p r o t e c t i o n r o b o t a u t o n o m o u s n a v i g a t i o n 0 引言 設(shè)施農(nóng)業(yè)是一種綜合應(yīng)用現(xiàn)代生物和信息技術(shù)的 高新技術(shù)產(chǎn)業(yè) 是可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物高產(chǎn) 優(yōu)產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng) 業(yè)模式 是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向 1 相對大田種植 室 內(nèi)空間封閉 高溫高濕且作物種植密度大 更容易導(dǎo)致 作物病蟲害的發(fā)生 目前溫室植?；静捎萌斯ねㄟ^ 背負(fù)式手動 電動 噴霧器 人工噴灑隨機(jī)性高 機(jī)具作 業(yè)效率低 機(jī)械化水平低 且密閉環(huán)境對植保工作人員 健康傷害大 2 植保作業(yè)是保證農(nóng)作物高產(chǎn) 穩(wěn)產(chǎn)的重 要環(huán)節(jié) 先進(jìn)的植保裝備和技術(shù)多處于試驗(yàn)階段還未普 及 因此設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效率 高品質(zhì)的優(yōu)勢無法充分體 現(xiàn) 溫室壟間距狹窄且種植物密集 室內(nèi)空間狹小 目 前市面上大多數(shù)傳統(tǒng)的自走式噴桿植保機(jī)轉(zhuǎn)向和掉頭 所需空間大 操縱方便性較差 容易造成農(nóng)作物的碾壓 同時影響植保作業(yè)效率 無法直接應(yīng)用在設(shè)施環(huán)境 自主導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)植保機(jī)器人在溫室內(nèi)無人化作業(yè) 的基礎(chǔ) 3 溫室內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位是植保機(jī)器人自主導(dǎo) 航的技術(shù)基礎(chǔ) 4 在定位方面 全球定位系統(tǒng) G P S 被廣泛用于自動導(dǎo)航農(nóng)機(jī)定位研究中 但大多 用于室外大田環(huán)境 設(shè)施溫室遮擋物較多 G P S信號 嚴(yán)重衰減 定位精度低 5 常見的定位方法還有使用 視覺傳感器或紅外線傳感器進(jìn)行機(jī)器人定位 但是受 到光照條件影響較大 不適用于溫室環(huán)境下的導(dǎo)航定 位 6 因此 研發(fā)和應(yīng)用在溫室環(huán)境下靈活性高的自 主植保作業(yè)機(jī)器人 對提高我國的設(shè)施作業(yè)機(jī)具自動 化程度和設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 近年來 國內(nèi)外針對溫室智能植保作業(yè)技術(shù)與裝 備開展了大量研究 管澤峰等 7 設(shè)計(jì)了電磁導(dǎo)式噴霧 機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng) 利用磁導(dǎo)航傳感器和測距傳感器實(shí) 現(xiàn)溫室移動平臺的協(xié)同作業(yè)行走控制 前期需要鋪設(shè) 誘導(dǎo)線及磁標(biāo)等 應(yīng)用受限且成本高 侯加林等 8 設(shè)計(jì) 了基于激光雷達(dá)的溫室運(yùn)輸機(jī)器人 通過在底盤的頭 尾部搭載二維激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境下的定位導(dǎo)航 但激光雷達(dá)在壟作環(huán)境下工作時 激光點(diǎn)云不能準(zhǔn)確 掃描田壟的點(diǎn)云信息 從而難以保障植保機(jī)運(yùn)行軌跡 的正確性 U W B技術(shù)具有較高的傳輸速率和時間分 辨率 其信號強(qiáng)度不受距離影響且功耗較低 視距通訊 下有著較高的定位精度 已被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)高精度 定位 9 雖然U W B定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室環(huán)境內(nèi)的 高精度定位 但受遮擋影響 慣性導(dǎo)航定位不受環(huán)境限 制 在溫室環(huán)境下 U W B和I M U數(shù)據(jù)的有效組合可 為溫室機(jī)器人作業(yè)過程提供穩(wěn)定的高精度數(shù)據(jù) 本文針對設(shè)施溫室空間狹小 植保機(jī)轉(zhuǎn)向困難 溫 室內(nèi)定位精度差等問題 設(shè)計(jì)一種基于U W B I M U組 合導(dǎo)航的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向的植保機(jī)器人 并通過純跟蹤 算法實(shí)現(xiàn)對預(yù)設(shè)軌跡的跟蹤控制 以實(shí)現(xiàn)設(shè)施溫室植 保環(huán)節(jié)的自動化 無人化作業(yè) 為設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化 智 能化發(fā)展提供技術(shù)與裝備支撐 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 設(shè)施壟作模式結(jié)構(gòu)特征 與露天田間環(huán)境不同 設(shè)施溫室為半結(jié)構(gòu)化的設(shè)施 農(nóng)業(yè)環(huán)境 其由鋼體框架搭建 頂部安裝外遮陽系統(tǒng) 1 0 設(shè)施溫室可被劃分為道路區(qū)域和種植區(qū)域兩部分 其中 道路區(qū)域?yàn)楣ぷ魅藛T和運(yùn)輸設(shè)備通行的水泥硬化路面 路面寬度為1 8 m 種植區(qū)域?yàn)閴抛髂Ｊ?中間分布若干 金屬立柱 設(shè)施溫室環(huán)境如圖1所示 圖1 設(shè)施溫室環(huán)境 F i g 1 G r e e n h o u s e f a c i l i t i e s e n v i r o n m e n t 設(shè)施溫室內(nèi)葉菜類種植的壟型多為寬平壟 如 圖2所示 該壟型壟距為1 4 5 0 m m 壟溝寬3 0 0 m m 壟頂寬1 0 5 0 m m 壟高1 5 0 m m 植保機(jī)械作業(yè)過程 需要跨壟行走 目前設(shè)施蔬菜起壟主要依靠人工操作 機(jī)械起壟 壟溝直線度誤差大 影響植保機(jī)械的壟間通 過性 同時溫室內(nèi)只有道路區(qū)域可進(jìn)行掉頭和換壟作 業(yè) 需要植保機(jī)具有較好的靈活轉(zhuǎn)向性 圖2 寬平壟結(jié)構(gòu) F i g 2 B r o a d b a n d r i d g e d s t r u c t u r e 1 2 整機(jī)結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述設(shè)施溫室結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向要求 設(shè)計(jì)一款可全 方位行駛的植保作業(yè)機(jī)器人 該機(jī)器人主要由噴霧模 塊 獨(dú)立驅(qū)動 轉(zhuǎn)向模塊 導(dǎo)航模塊以及控制模塊組成 第3期馮昊棟 等 壟作模式設(shè)施植保機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)7 3 總體結(jié)構(gòu)如圖3所示 其中噴霧模塊由折疊噴桿 電推 桿 隔膜泵 噴頭等組成 獨(dú)立驅(qū)動 轉(zhuǎn)向模塊由車輪 轉(zhuǎn) 向電機(jī) 蝸輪蝸桿減速器 角度傳感器 驅(qū)動電機(jī)等組 成 如圖4所示 導(dǎo)航模塊由上位機(jī) U W B模塊 I M U傳 感器 移動電源 安裝支架等組成 控制模塊由 S T M 3 2 F 4 0 7單片機(jī) 電機(jī)驅(qū)動器 繼電器 串口顯示器 等組成 其控制系統(tǒng)操作界面如圖5所示 植保機(jī)有兩 種控制模式 分別是遙控模式和自主導(dǎo)航模式 其中遙 控模式是通過遙控器發(fā)出信號 控制器接收信號后通過 控制電機(jī)驅(qū)動器和相應(yīng)繼電器遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)植保機(jī)的前進(jìn) 后退 轉(zhuǎn)向 噴霧打開 關(guān)閉 噴桿折疊等功能 當(dāng)植保 機(jī)到達(dá)指定位置時 通過切換操作界面啟動自主模式 植保機(jī)開始跟蹤預(yù)定軌跡 上位機(jī)實(shí)時處理偏差并將驅(qū) 動信號傳輸至底盤控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航行走作業(yè) 圖3 植保機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 F i g 3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f p l a n t p r o t e c t i o n m a c h i n e s t r u c t u r e 1 獨(dú)立驅(qū)動 轉(zhuǎn)向模塊 2 機(jī)架 3 噴桿結(jié)構(gòu) 4 U W B模塊 圖4 獨(dú)立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖 F i g 4 S c h e m a t i c d i a g r a m o f i n d e p e n d e n t s t e e r i n g d r i v i n g m e c h a n i s m 1 回轉(zhuǎn)鋼架 2 支撐鋼架 3 支撐板 4 蝸輪蝸桿減速器 5 轉(zhuǎn)向電機(jī) 6 驅(qū)動電機(jī) 7 驅(qū)動輪 圖5 植保機(jī)控制系統(tǒng)操作界面 F i g 5 O p e r a t i o n i n t e r f a c e o f t h e c o n t r o l s y s t e m o f t h e p l a n t p r o t e c t i o n m a c h i n e 1 3 工作原理 設(shè)施植保機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示 操作 人員通過遙控器控制植保機(jī)到達(dá)溫室道路區(qū)域的指定 位置后 植保機(jī)切換到自主模式 然后上位機(jī)發(fā)出指 令 噴桿自動展開并噴霧 植保機(jī)開始跟蹤預(yù)定軌跡 上位機(jī)通過U W B輸入位置信息和I M U輸入的航向 信息計(jì)算出橫向偏差和航向偏差 通過純跟蹤算法計(jì) 算出車身角速度發(fā)送至底盤控制器 上位機(jī)與底盤控 制器通過C A N總線協(xié)議進(jìn)行通訊 控制器根據(jù)接收到 的車身角速度通過運(yùn)動學(xué)模型計(jì)算出四輪的轉(zhuǎn)角和速 度 通過C A N接口與電機(jī)驅(qū)動器傳輸數(shù)據(jù) 實(shí)時調(diào)整 車輪轉(zhuǎn)向 實(shí)現(xiàn)植保機(jī)沿作業(yè)軌跡導(dǎo)航行駛 S T M 3 2通過I O接口為噴霧模塊提供控制信號 完成 噴霧啟停控制 噴桿折疊控制 遙控模式下 遙控器信 號以R S 4 8 5通信方式發(fā)送遙控信號到底盤控制器 圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 F i g 6 C o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e b l o c k d i a g r a m 設(shè)施植保機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示 表1 植保機(jī)主要技術(shù)參數(shù) T a b 1 M a i n t e c h n i c a l p a r a m e t e r s o f p l a n t p r o t e c t i o n m a c h i n e 參數(shù)數(shù)值 整車尺寸 長 寬 高 m m m m m m 1 6 5 0 1 6 0 0 8 5 0 整機(jī)質(zhì)量 k g 4 0 0 隔膜泵額定壓力 M P a 1 0 2 0 藥箱容量 L 1 5 最大爬坡度 3 0 工作電壓 V 6 0 最大速度 m s 1 1 5 續(xù)航時間 h 5 2 溫室調(diào)頭 換壟工況與運(yùn)動學(xué)模型 2 1 溫室調(diào)頭換壟工況分析與路徑規(guī)劃 當(dāng)植保機(jī)在進(jìn)入溫室后需要在狹窄道路區(qū)域進(jìn)行 調(diào)轉(zhuǎn)車頭動作和換行作業(yè) 設(shè)計(jì)的四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向植保 機(jī)可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向和平移換行作業(yè) 如圖7所示 當(dāng) 植保機(jī)行駛至位置點(diǎn)A時 切換到自主模式 上位機(jī) 打開串口 開始接收U W B定位數(shù)據(jù)和I M U數(shù)據(jù) 植 保機(jī)開始跟蹤AB段軌跡 當(dāng)?shù)竭_(dá)B處時 控制器控 制植保機(jī)的各車輪轉(zhuǎn)動至特定角度 以原地轉(zhuǎn)向的方 式實(shí)現(xiàn)車頭旋轉(zhuǎn)9 0 令車頭與噴霧作業(yè)路徑平行 然 后轉(zhuǎn)向輪回正 植保機(jī)繼續(xù)沿著既定作業(yè)路徑BC跟 蹤 當(dāng)植保機(jī)行駛至C點(diǎn)時 車輪反向行駛 植保機(jī) 開始回航 當(dāng)植保機(jī)回航至B點(diǎn)時 控制器發(fā)出指 令 控制底盤的各輪相同方向轉(zhuǎn)動9 0 以一種平行運(yùn) 動的方式實(shí)現(xiàn)換壟作業(yè) 此時車頭方向仍與路徑BC 7 4 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 5年 保持平行 當(dāng)植保機(jī)移動到下一直線跟蹤路徑起點(diǎn)D 時 轉(zhuǎn)向輪回正 同理 按上述控制方法完成剩余的既 定作業(yè)路徑 當(dāng)植保機(jī)回航行駛至點(diǎn)F點(diǎn)后再平移運(yùn) 動到補(bǔ)給點(diǎn)處完成作業(yè)任務(wù) 植保機(jī)停止所有運(yùn)動 圖7 溫室工況圖 F i g 7 G r e e n h o u s e c o n d i t i o n s 綜上 當(dāng)植保機(jī)需要掉頭運(yùn)動時 如行至B點(diǎn)處 可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向控制 當(dāng)植保機(jī)需要換壟作業(yè)時 如行至D處 可實(shí)現(xiàn)平移換壟控制 原地轉(zhuǎn)向和平移 換壟方式簡單靈活 能縮短轉(zhuǎn)向和換行時間 解決狹小 溫室內(nèi)需要較大轉(zhuǎn)向空間的問題 有較強(qiáng)的適用性 植保機(jī)自主導(dǎo)航模式工作時 上位機(jī)發(fā)出控制信 號 植保機(jī)開始跟蹤提前規(guī)劃好的行駛路徑 如圖7所 示 行駛路徑包括噴霧作業(yè)路徑 回航路徑和換行路 徑 AB BD DF為預(yù)設(shè)換行路徑 BC DE FG為噴 霧作業(yè)路徑 CB ED GF IH為回航路徑 植保機(jī) 在噴霧作業(yè)路徑時 自動啟動水泵并噴出藥液 在橫移 換壟路徑和回航路徑時 自動關(guān)閉水泵并停止噴藥 圖7中箭頭方向表示植保機(jī)行駛方向 2 2 四輪轉(zhuǎn)向植保機(jī)運(yùn)動學(xué)模型 運(yùn)動學(xué)模型是植保機(jī)運(yùn)動控制的基礎(chǔ) 1 5 設(shè)計(jì) 的植保機(jī)由4個直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動 由4個轉(zhuǎn)向電機(jī) 提供轉(zhuǎn)向力矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向 在噴霧作業(yè)過程中 底盤能 按照上述所規(guī)劃的路徑行駛 誤差小且軌跡平滑 每 個獨(dú)立驅(qū)動模塊的車輪轉(zhuǎn)向角度和車輪的速度必須相 互協(xié)調(diào) 否則會導(dǎo)致車體變形 為滿足以上要求 需要 建立底盤運(yùn)動學(xué)模型 基于阿克曼原理的低速轉(zhuǎn)向模型是農(nóng)用底盤常用 的轉(zhuǎn)向模式 1 2 為保持實(shí)時控制效果 使瞬心預(yù)設(shè)在 底盤中軸線的延長線上 簡化后的低速轉(zhuǎn)向模型如 圖8所示 底盤低速向左繞旋轉(zhuǎn)中心O 旋轉(zhuǎn) 四輪轉(zhuǎn) 向底盤的運(yùn)動分解關(guān)系推導(dǎo)如式 1 式 4 所示 1 3 a r c t a nL2R B 1 2 4 a r c t a nL2R B 2 v1 v2 R B2 2 L 2 4 3 v3 v4 R B2 2 L 2 4 4 式中 L 底盤的軸距 B 底盤的輪距 vi 4個車輪的速度 i 1 2 3 4 i 4個車輪的轉(zhuǎn)角 i 1 2 3 4 R 繞瞬心O 旋轉(zhuǎn)半徑 底盤角速度 當(dāng)植保機(jī)底盤進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動 圖9 時 底盤 形心即為旋轉(zhuǎn)中心 各輪的旋轉(zhuǎn)半徑和速度相同 且每 個車輪的速度與豎直方向的夾角相同 并根據(jù)底盤的 輪距和軸距 可由三角函數(shù)得出 即為O 圖8 簡化阿克曼低速轉(zhuǎn)向模型 F i g 8 L o w s p e e d A c k e r m a n s t e e r i n g m o d e l 圖9 原地轉(zhuǎn)向運(yùn)動學(xué)模型 F i g 9 I n s i t u s t e e r i n g k i n e m a t i c m o d e l t a n BL 5 由式 5 可得 a r c t a nBL 0 7 3 6 r a d 6 當(dāng)斜行 圖1 0 時各輪的轉(zhuǎn)速相同 偏轉(zhuǎn)角相同且 不為0 即 v1 v2 v3 v4 7 1 2 3 4 8 當(dāng)橫移換壟運(yùn)動時 偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)至9 0 即 1 2 3 4 9 0 9 圖10 斜行運(yùn)動學(xué)模型 F i g 1 0 O b l i q u e k i n e m a t i c s m o d e l 第3期馮昊棟 等 壟作模式設(shè)施植保機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)7 5 3 導(dǎo)航控制策略 3 1 導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)原理 植保機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)組成如圖1 1所示 包括上位機(jī) U W B定位模塊 I M U傳感器 角度傳感器和四輪轉(zhuǎn)向 植保機(jī) 圖11 植保機(jī)及導(dǎo)航系統(tǒng)組成 F i g 1 1 P l a n t p r o t e c t i o n a i r c r a f t a n d n a v i g a t i o n s y s t e m c o m p o n e n t s U W B定位模塊包括1個U W B定位標(biāo)簽 4個 U W B定位基站 移動電源和基站安裝支架 其中 U W B定位基站通過安裝支架固定于定位區(qū)域邊緣作 為定位參考點(diǎn) U W B定位標(biāo)簽為1個U W B無線傳 感器 安裝于植保機(jī)車身頂部對稱軸線上并通過串口 與上位機(jī)通訊 U W B標(biāo)簽通過與定位基站進(jìn)行無線 通信 獲得與各定位基站間的距離信息 植保機(jī)機(jī)身 上安裝I M U傳感器并通過串口與上位機(jī)通訊 用于實(shí) 時測量車身的航向信息 首先確定預(yù)設(shè)軌跡 將該軌跡以二維數(shù)組的形式 存儲到上位機(jī)中 和上位機(jī)相連的U W B標(biāo)簽實(shí)時接 收與定位基站的距離信息 據(jù)此可計(jì)算出植保機(jī)當(dāng)前 的位置坐標(biāo) 再由前視距離來獲得軌跡跟蹤的目標(biāo)點(diǎn) 通過分析I M U采集到的當(dāng)前姿態(tài)信息得出航向信息 從而確定目標(biāo)方向 通過純跟蹤算法計(jì)算出植保機(jī)角 速度并發(fā)送至底盤控制器 控制器根據(jù)運(yùn)動學(xué)模型計(jì) 算出四輪的轉(zhuǎn)角和速度 實(shí)現(xiàn)植保機(jī)導(dǎo)航 圖1 2 圖12 導(dǎo)航控制原理 F i g 1 2 N a v i g a t i o n c o n t r o l s c h e m a t i c 3 2 純跟蹤模型 目前農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航控制方法為P I D控制 1 3 模糊 控制 1 4 模糊P I D控制 1 5 純跟蹤控制 1 6 和最優(yōu)控 制 1 7 等 P I D控制可靠性高 但控制參數(shù)整定繁瑣復(fù) 雜 模糊控制需要根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)制定其控制規(guī)則 追 蹤誤差一般較大 難以快速修正 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最 優(yōu)控制非常依賴訓(xùn)練樣本 需要大量訓(xùn)練樣本才能保 證路徑追蹤效果 設(shè)施內(nèi)空間狹小 障礙物多 在提前規(guī)劃好底盤行 駛軌跡的同時需要控制算法具有響應(yīng)速度快 魯棒性 好的優(yōu)點(diǎn) 植保機(jī)室內(nèi)作業(yè)軌跡多為直線軌跡 路徑 較單一 選用簡單的控制算法就能滿足設(shè)施內(nèi)導(dǎo)航要 求 并節(jié)省上位機(jī)程序處理的時間 純跟蹤算法主要 是通過對底盤進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模建立直觀的幾何模型進(jìn) 行公式推導(dǎo) 只需要調(diào)整參數(shù)找到最合適的前視距離 就可以達(dá)到良好的跟蹤效果 因此采用純跟蹤控制來 解決路徑跟蹤問題 純跟蹤模型如圖1 3所示 AB線為跟蹤路徑 底盤 質(zhì)點(diǎn)為C點(diǎn) 過C點(diǎn)作AB垂線 垂足為D 從D點(diǎn)沿 AB線一定距離為預(yù)瞄點(diǎn)P 過C點(diǎn)作Y軸的垂線 并 與CP的中垂線相交于點(diǎn)O 即為期望轉(zhuǎn)向中心 圖13 純跟蹤模型 F i g 1 3 P u r e t r a c k i n g m o d e l CP 轉(zhuǎn)向半徑和圓心角分別為R和 則有幾 何關(guān)系 2 1 0 Ld s i n R s i n 2 1 1 整理得 R Ld2 s i n 1 2 Ld xP xC 2 yP yC 2 1 3 式中 xP yP 預(yù)瞄點(diǎn)P在U W B坐標(biāo)系下的坐 標(biāo) xC yC 植保機(jī)質(zhì)心C點(diǎn)的坐標(biāo) 可通過 U W B測距值計(jì)算出具體位置 由圖1 3可以推導(dǎo)出角速度的表達(dá)式為 2LX vL d 2 1 4 式中 質(zhì)點(diǎn)處的角速度 v 控制點(diǎn)處的線速度 Ld 前視距離 LX 預(yù)瞄點(diǎn)在坐標(biāo)系下的X軸向距離 結(jié)合推導(dǎo)出的運(yùn)動分解公式 可以將質(zhì)點(diǎn)處的線 速度和角速度分解為4個車輪的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)角控制量 橫向偏差和航向偏差都是在U W B和I M U信息解 析計(jì)算得到的數(shù)值 由圖1 3可知 前視距離Ld為直角 7 6 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2 0 2 5年 CDP的斜邊CP 其中直角邊DC為橫向偏差d DP 為重要的控制模型參數(shù) 經(jīng)實(shí)際測試取定值1 5 m 3 3 位置解算算法 將U W B定位基站安裝在同一高度 采用T W T O F雙向飛行時間法測量U W B定位標(biāo)簽與U W B定 位基站間的距離 1 8 根據(jù)標(biāo)簽與各定位基站的距離以 及各基站的位置坐標(biāo) 得到平面4點(diǎn)的定位方程組 如 式 1 5 所示 x x0 2 y y0 2 d0 2 x x1 2 y y1 2 d1 2 x x2 2 y y2 2 d2 2 x x3 2 y y3 2 d3 2 1 5 式中 xi yi 基站坐標(biāo) i 1 2 3 x y 標(biāo)簽坐標(biāo) d0 d1 d2 d3 標(biāo)簽到基站Ai的測距值 對式 1 5 簡化可得到關(guān)于標(biāo)簽坐標(biāo) x y 的線 性方程組 其矩陣表示形式為 Ax B 1 6 其中x xi yi T 式中 x 標(biāo)簽位置坐標(biāo) 其中矩陣A和矩陣B具體形式如式 1 7 和 式 1 8 所示 A 2 x1 x0 2 y1 y0 2 x2 x1 2 y2 y1 2 x3 x2 2 y3 y2 1 7 B x1 2 x0 2 y1 2 y0 2 d1 2 d0 2 x2 2 x1 2 y2 2 y1 2 d2 2 d1 2 x3 2 x2 2 y3 2 y2 2 d3 2 d2 2 1 8 使用最小二乘法求解式 1 9 可得到基于當(dāng)前 U W B標(biāo)簽的二位坐標(biāo)計(jì)算值x x ATA 1ATB 1 9 3 4 卡爾曼濾波預(yù)處理U W B測距值 設(shè)施溫室內(nèi)存在若干金屬支柱 植保機(jī)移動過程 中 安裝在機(jī)身上的U W B標(biāo)簽與安裝在溫室內(nèi)的 U W B定位基站之間由于金屬立柱的遮擋會產(chǎn)生非視 距誤差 同時由于傳感器自身屬性會產(chǎn)生隨機(jī)系統(tǒng)誤 差 所以植保機(jī)在溫室作業(yè)過程中獲得的U W B測距 數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理 卡爾曼濾波器用于預(yù)處理測距值 并抑制導(dǎo)致 U W B距離值突變的隨機(jī)系統(tǒng)誤差和一些非視距距離 誤差 使用t 1和t的測距值的差值作為測量向量 將x1 0設(shè)置為初始狀態(tài) 并建立離散狀態(tài)模型用于 測距值濾波 xt Azxt 1 Wt zt Hxt Vt 2 0 式中 Az 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣 Az 1 dt 0 1 H 系統(tǒng)測量矩陣 并且H 1 0 Wt Vt 當(dāng)前的過程噪聲和測量噪聲 Wt N 0 Qt Vt N 0 Rt 基于離散狀態(tài)模型的先驗(yàn)估計(jì)產(chǎn)生預(yù)測狀態(tài)x t 和預(yù)測協(xié)方差P t x t Azxt 1 2 1 P t AzPt 1AzT Qt 2 2 式中 xt 1 瞬時t 1最佳狀態(tài)估計(jì) Qt 瞬時t過程噪聲的協(xié)方差矩陣 卡爾曼增益Kt從系統(tǒng)中獲得 如式 2 3 所示 Kt P tH HP tHT Rt 1 2 3 式 2 3 表明 預(yù)測協(xié)方差P t與卡爾曼增益Kt呈 正相關(guān) 觀測噪聲Rt與卡爾曼增益Kt呈負(fù)相關(guān) 因 此 當(dāng)測量矢量誤差增大時 當(dāng)前時刻的卡爾曼增益 Kt將減小 更新狀態(tài)x t和協(xié)方差Pt產(chǎn)生結(jié)果如 式 2 4 和式 2 5 所示 x x t 1 Kt zt H x t x t 1 2 4 Pt 1 H Kt P t 2 5 x t表示當(dāng)前狀態(tài)下的最優(yōu)估計(jì) 并且x t和Pt將 在時刻t 1參與先驗(yàn)估計(jì) 直到濾波結(jié)束 4 試驗(yàn)與結(jié)果分析 4 1 自動導(dǎo)航作業(yè)試驗(yàn) 為檢驗(yàn)植保機(jī)的自動導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 在 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院楊渡試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn) 試驗(yàn)材 料 設(shè)施植保機(jī) 上位機(jī) U W B定位模塊 I M U傳感 器等 溫室內(nèi)的試驗(yàn)場地為四邊形壟田區(qū)域 尺寸為 2 0 m 2 0 m U W B定位基站位于試驗(yàn)場地4個角 落 U W B基站安裝高度為2 m 建立導(dǎo)航坐標(biāo)系 各 基站坐標(biāo)分別為A0 0 0 A1 2 0 0 A2 0 2 0 A3 2 0 2 0 單位為m U W B定位標(biāo)簽安裝在植保機(jī) 頂部對稱軸線上 試驗(yàn)前進(jìn)行上位機(jī) 傳感器 控制電 源等各控制系統(tǒng)部件的安裝和檢查 設(shè)定噴霧路徑 回 航路徑和換行路徑 植保機(jī)分別按照0 5 m s 1 0 m s 1 5 m s的速度行駛 采樣頻率為1 0 H z 植 保機(jī)出發(fā)的初始位置為A0 5 5 初始橫向 航向偏差 均為0 沿指定方向行駛 同一初始狀態(tài)的試驗(yàn)重復(fù) 3次 各數(shù)據(jù)求平均值 上位機(jī)記錄實(shí)際跟蹤軌跡并 和規(guī)劃軌跡進(jìn)行比較 計(jì)算橫向偏差 植保機(jī)實(shí)際規(guī) 第3期馮昊棟 等 壟作模式設(shè)施植保機(jī)器人設(shè)計(jì)與導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)7 7 劃軌跡如圖1 4所示 圖14 植保機(jī)導(dǎo)航試驗(yàn)路徑 F i g 1 4 P i l o t p a t h f o r p l a n t p r o t e c t i o n a i r c r a f t n a v i g a t i o n 4 2 試驗(yàn)結(jié)果分析 對導(dǎo)航橫向偏差的平均值和最大值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分 析 最大偏差是在整個試驗(yàn)過程中橫向偏差最大值 平均偏差是從試驗(yàn)開始到結(jié)束的橫向偏差均值 植保機(jī)可在噴霧路徑下自動打開噴霧功能 在換 行路徑處實(shí)現(xiàn)平移換行控制 在回航路徑下植保機(jī)自 動關(guān)閉噴霧功能 不同速度下實(shí)際軌跡與規(guī)劃軌跡的 橫向偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示 植保機(jī)分別以 0 5 m s 1 0 m s和1 5 m s的速度跟蹤規(guī)劃軌跡 最 大橫向偏差平均值分別為0 0 9 4 m 0 1 0 6 m 0 1 4 8 m 平均橫向偏差分別為0 0 2 8 m 0 0 4 1 m 0 0 6 8 m 在不同速度下 路徑跟蹤精度基本滿足溫室 植保作業(yè)要求 表2 橫向偏差試驗(yàn)結(jié)果 T a b 2 T e s t r e s u l t s o f l a t e r a l d e v i a t i o n 速度 m s 1 試驗(yàn)序號最大偏差 m平均偏差 m 0 5 1 0 0 9 3 0 0 2 6 2 0 1 0 1 0 0 3 5 3 0 0 8 9 0 0 2 3 平均值0 0 9 4 0 0 2 8 1 0 1 0 1 0 9 0 0 3 5 2 0 0 9 6 0 0 2 9 3 0 1 1 3 0 0 4 8 平均值0 1 0 6 0 0 4 1 1 5 1 0 1 5 2 0 0 7 4 2 0 1 4 8 0 0 6 7 3 0 1 4 5 0 0 6 3 平均值0 1 4 8 0 0 6 8 從圖1 5可以看出 植保機(jī)在前期實(shí)際作業(yè)行駛 時 橫向偏差有所增大 主要原因 植保機(jī)底盤設(shè)施內(nèi) 在作業(yè)時 由于道路區(qū)域和壟作區(qū)域之間有一定的高 度差 導(dǎo)致車身產(chǎn)生傾斜或滑移 植保機(jī)受到路面平 整度的影響 導(dǎo)致I M U傳感器獲取車體位姿信息產(chǎn)生 突變 影響導(dǎo)航性能 雖然顛簸地面不平對傳感器的 定位精度造成一定影響 但是試驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)的導(dǎo)航精 度和穩(wěn)定性對于植保作業(yè)是可以接受的 在不同速度 下的導(dǎo)航精度基本滿足溫室植保作業(yè)要求 后期將持 續(xù)改進(jìn)控制算法 不斷降低相關(guān)因素對導(dǎo)航控制的影 響 持續(xù)提高導(dǎo)航的控制精度 以適應(yīng)更加復(fù)雜溫室結(jié) 構(gòu)環(huán)境的自主移動要求和機(jī)械化作業(yè)需求 圖15 導(dǎo)航橫向偏差 F i g 1 5 N a v i g a t i o n l a t e r a l d e v i a t i o n 5 結(jié)論 1 針對