自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向多功能園林修剪機(jī)械設(shè)計(jì)

倪江楠，朱西方

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000)

0 引言

自主導(dǎo)航技術(shù)研究的一個(gè)重要方向是避障功能，要想使農(nóng)機(jī)作業(yè)有效地自主避開障礙物，首先是要對(duì)障礙物的距離、尺寸類型等進(jìn)行檢測(cè)[1-3]。雖然，這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，從不同環(huán)境模型到不同類型的傳感器，但是完全實(shí)用性的產(chǎn)品還沒(méi)有出現(xiàn)，其技術(shù)也有待于進(jìn)一步提高[4]。在農(nóng)機(jī)自主導(dǎo)航方面，要想實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃和避障功能，必須使農(nóng)機(jī)本身攜帶的傳感器具有障礙物信息識(shí)別功能[5-7]。近年來(lái)，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光傳感器可以為導(dǎo)航提供精度更高的信息；并且信息精度較高，由此在移動(dòng)自主導(dǎo)航機(jī)械中使用的也越來(lái)越多，將其使用在園林修剪機(jī)械的自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，可以有效地提高系統(tǒng)的性能[8-12]。

1 園林修剪機(jī)械激光傳感器定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用激光導(dǎo)航具有測(cè)量范圍大、光束直徑小、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，且激光雷達(dá)作業(yè)時(shí)不受環(huán)境的影響，在光線不好的環(huán)境中依然能保持較高的測(cè)量精度，因此在農(nóng)業(yè)中也開始被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用由于園林枝葉修剪屬于精細(xì)作業(yè)，作業(yè)速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度大，其自動(dòng)化作業(yè)需求較大。人工園林的枝葉修剪作業(yè)如圖1所示。

圖1 人工園林修剪作業(yè)場(chǎng)景圖Fig.1 The scene graph of pruning operation of artificial garden

采用人工作業(yè)，修剪過(guò)程較慢、作業(yè)強(qiáng)度較高，但園林修剪作業(yè)又往往是行列較為整齊的樹木，如果采用自動(dòng)轉(zhuǎn)向換行的修剪機(jī)械，可以大大地降低人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度[15-19]。本文設(shè)計(jì)了一種基于激光傳感器的自適應(yīng)移動(dòng)和轉(zhuǎn)向修剪機(jī)械，其作業(yè)流程如圖2所示。

根據(jù)激光測(cè)距自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向修剪機(jī)械的作業(yè)流程，設(shè)計(jì)了該機(jī)械作業(yè)裝置的整體框架，主要包括PC處理器、激光發(fā)射和接收裝置，以及CPLD時(shí)間間隔計(jì)時(shí)器等，如圖3所示。

激光測(cè)距自適應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用脈沖開關(guān)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)的自動(dòng)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能，通過(guò)CPLD計(jì)時(shí)部分完成裝置的自動(dòng)化控制，最后將控制結(jié)果通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)顯示[20-23]。

圖2 自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向流程圖Fig.2 The flow chart of adaptive moving steering

圖3 激光測(cè)距自適應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框架Fig.3 The adaptive steering system framework of laser ranging

2 激光測(cè)距和自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向原理

園林修剪機(jī)械的自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向主要依據(jù)激光測(cè)距和掃描原理，激光測(cè)距的原理比較簡(jiǎn)單[24-29]。假設(shè)激光發(fā)射器發(fā)出的激光在空氣中的傳播速度是V，其傳播過(guò)程如圖4所示。

當(dāng)激光達(dá)到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來(lái)，并被光電探測(cè)器接收，發(fā)射和接收共使用的時(shí)間為T，則測(cè)量距離為

S=VT/2

(1)

激光光強(qiáng)按高斯均勻分布，假設(shè)激光發(fā)射器的峰值功率為TtPt，發(fā)射的激光束的立體角為Ωt，激光的傳送距離為R，由此可以得到激光在輻射被測(cè)物體上的照度為

(2)

其中，Ta是表示激光在傳輸過(guò)程中每傳送距離為R時(shí)的大氣透過(guò)率，則

(3)

其中，σ(λSRv)為大氣消光系數(shù)。假定被測(cè)得的障礙物時(shí)理想的滿反射體，則其可以作為二次輻射源，輻射亮度與出射照度之間的關(guān)系為

(4)

若被測(cè)障礙物的漫反射率為ρ，則目標(biāo)的輻射出射度為Mm=ρEt，于是被測(cè)障礙物的輻射亮度為

(5)

在實(shí)際測(cè)量障礙物時(shí)，可以利用激光掃描得到的輻射亮度，判斷障礙物的具體尺寸，然后結(jié)合距離信息，調(diào)整園林修剪機(jī)械的位姿和狀態(tài)，為了提高測(cè)量精度，還需要使用激光放大器。

圖4 激光測(cè)距原理圖Fig.4 The schematic diagram of laser ranging

如圖5所示：激光信號(hào)能量主要集中在一定的頻帶范圍內(nèi)，在實(shí)際使用時(shí)，可以根據(jù)障礙物可能的尺寸，選用合適的信號(hào)放大器。

圖5 激光信號(hào)功率譜密度Fig.5 The power spectral density of laster signal

圖6為園林修剪機(jī)械激光自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向原理的框架結(jié)構(gòu)圖。園林修剪機(jī)械的移動(dòng)和避障主要依據(jù)激光雷達(dá)的測(cè)距和掃描獲取障礙物的信息，然后通過(guò)地圖坐標(biāo)和自身位置坐標(biāo)的測(cè)試，預(yù)測(cè)自身距離。通過(guò)獲取的障礙物距離和特征尺寸信息，園林修剪機(jī)械通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)向和移動(dòng)距離，躲避障礙物，并實(shí)現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向和換行功能。

圖6 園林修剪機(jī)械激光自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向原理Fig.6 The principle of laser adaptive moving steering in garden pruning machine

3 修剪機(jī)械自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向性能測(cè)試

為了驗(yàn)證激光傳感器在自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向性能上使用的可行性，首先對(duì)基于激光傳感器的自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試儀器主要分為PC機(jī)和激光發(fā)射與接收裝置，如圖7所示。當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，通過(guò)激光掃描，PC機(jī)對(duì)障礙物的距離和尺寸信息進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，從而判斷出需要移動(dòng)的距離和轉(zhuǎn)向的角度。通過(guò)激光掃描得到的環(huán)境數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 激光測(cè)距移動(dòng)轉(zhuǎn)向測(cè)試Fig.7 The mobile steering test of laser ranging

圖8 激光掃描得到的數(shù)據(jù)Fig.8 The data obtained by laser scanning

利用PC機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，利用擬合特征曲線可以得到障礙物的特征信息。由掃描數(shù)據(jù)可知，該設(shè)備可以有效地對(duì)環(huán)境進(jìn)行掃描，得到障礙物的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，其使用在園林修剪機(jī)械設(shè)備上進(jìn)行自適應(yīng)移動(dòng)和轉(zhuǎn)向?qū)Ш绞强尚械摹?/p>

將自主移動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)Ш皆O(shè)備安裝在園林修剪機(jī)上作進(jìn)一步的測(cè)試(見圖9)，為了驗(yàn)證激光傳感器自動(dòng)作業(yè)機(jī)成功避障轉(zhuǎn)向率與傳統(tǒng)園林修剪機(jī)相比較的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得到了如表1所示的結(jié)果。

圖9 園林修剪機(jī)自動(dòng)作業(yè)測(cè)試Fig.9 The automatic work testing of garden pruning machine表1 園林修剪機(jī)自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向作業(yè)性能測(cè)試 Table 1 The performance test of adaptive shift steering for garden pruning machine

測(cè)試次數(shù)激光傳感器自動(dòng)作業(yè)機(jī)(成功避障轉(zhuǎn)向次數(shù))非激光傳感器自動(dòng)作業(yè)機(jī)(成功避障轉(zhuǎn)向次數(shù))500498487600595582700692679

續(xù)表1

由表1對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：采用激光傳感器自適應(yīng)移動(dòng)轉(zhuǎn)向的修剪作業(yè)機(jī)，其成功避障的次數(shù)要明顯高于非激光傳感器，且隨著測(cè)試次數(shù)的增加，其穩(wěn)定性好，滿足園林修剪機(jī)械自主導(dǎo)航的設(shè)計(jì)需要。

4 結(jié)論

將激光傳感器引入到了園林修剪機(jī)械定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)移動(dòng)和轉(zhuǎn)向方案，通過(guò)激光測(cè)距和障礙物特征掃描，實(shí)現(xiàn)了修剪機(jī)械的自動(dòng)化定位、避障和換行等作業(yè)能力。根據(jù)激光測(cè)距和掃描原理，設(shè)計(jì)了激光傳感器自適應(yīng)移動(dòng)和轉(zhuǎn)向裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了作業(yè)環(huán)境的激光掃描功能。最后，對(duì)激光傳感器自適應(yīng)移動(dòng)和轉(zhuǎn)向的精度進(jìn)行了測(cè)試，并將其與傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位裝置進(jìn)行了對(duì)比。測(cè)試結(jié)果表明：采用激光傳感器自主移動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，成功避障的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都有所提高，可以滿足園林修剪機(jī)械的作業(yè)需求。

[1] 王海青,姬長(zhǎng)英,顧寶興,等.基于機(jī)器視覺和支持向量機(jī)的溫室黃瓜識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(3): 163-167.

[2] 王輝,毛文華,劉剛,等.基于視覺組合的蘋果作業(yè)機(jī)器人識(shí)別與定位[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(12): 165-170.

[3] 魏澤鼎,賈俊國(guó),王占永.基于視覺傳感器的棉花果實(shí)定位方法[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(6):66-68,112.

[4] 高春城.我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的資源環(huán)境問(wèn)題與展望[J].當(dāng)代生態(tài)農(nóng)業(yè),2013,3(4):151-154.

[5] 萬(wàn)寶瑞.當(dāng)前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)與建議[J].農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,2014,4(1):110-114.

[6] 徐茂,鄧蓉.國(guó)內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展比較[J].北京農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,29(2):75-79.

[7] 劉峰.脈沖半導(dǎo)體激光測(cè)距機(jī)的研制與應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2003:32(2)118-122.

[8] 彭宇,蘇弘,董成富.一種適用于高速窄脈沖的峰值保持電路[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2007,27(2): 254-256.

[9] 馮國(guó)旭,常保成.高精度激光測(cè)距技術(shù)研究[J].激光與紅外,2007,37(11):1137-1140.

[10] 孫杰,潘繼飛.高精度時(shí)間間隔測(cè)量方法綜述[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007,15(2):145-148.

[11] 周武林,岳永堅(jiān).基于時(shí)幅轉(zhuǎn)換插入法的脈沖激光測(cè)距[J].光電工程，2008,35(7):104-115.

[12] 余冬菊,蘇玉萍.基于 FPGA 的數(shù)字 TDC 設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技信息，2008,(8):122-123.

[13] 張延,黃佩誠(chéng).高精度時(shí)間間隔測(cè)量技術(shù)與方法[J].天文學(xué)進(jìn)展，2006,23 (1):12-14.

[14] 雷武虎,劉松秋.一種高精度大范圍時(shí)間測(cè)量電路的實(shí)現(xiàn)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2004,24(5):449-452.

[15] 王艷,唐秀芳.基于昆蟲協(xié)作機(jī)理的分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能方法[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,37(6): 826-832.

[16] 張迎勝,單志龍.線性回歸在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中的應(yīng)用研究[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2014,35(7): 1500-1504.

[17] 趙景堂,杜國(guó)明,李秀海.基于總體最小二乘法的二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法[J].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào),2015,29(1): 21-22.

[18] 陳榮,管吉興,張喜明.數(shù)字Costas環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2010,40(3):24-26.

[19] 孫言強(qiáng),王曉東,周興銘.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的干擾攻擊[J].軟件學(xué)報(bào),2012,23(5):1207-1221.

[20] 何文清,嚴(yán)昌榮,劉爽,等.典型棉區(qū)地膜應(yīng)用及污染現(xiàn)狀的研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(8): 1618-1622.

[21] 王學(xué)農(nóng),史建新,郭俊先,等.懸掛式棉稈粉碎還田摟膜機(jī)摟膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(1):135-140.

[22] 方磊.我國(guó)棉田生態(tài)污染及其防治對(duì)策[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2007,13(12):56-58.

[23] 任淑英,徐林芳,馬中啟,等.殘膜回收機(jī)在皇宮鎮(zhèn)的推廣應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)化,2007(4):15.

[24] 高杰.殘膜回收機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械化,2007(4):180-189.

[25] 劉成蓮.殘膜回收技術(shù)的研究與分析[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備,2009(12):20-21.

[26] 許斯軍,曹奇英.基于可視圖的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2011(3):220-222.

[27] 尹建軍,武傳宇,YangSimonX,等.番茄采摘機(jī)器人機(jī)械臂避障路徑規(guī)劃[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012(12):171-175.

[28] 姬偉,程風(fēng)儀,趙德安,等.基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手避障方法[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(11):253-259.

[29] 周芳,朱齊丹,趙國(guó)良.基于改進(jìn)快速搜索隨機(jī)樹法的機(jī)械手路徑優(yōu)化[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011(11):30-35.