基于物聯網的果園避障除草機定位導航控制系統研究

劉玉潔，陳 聰

(珠海城市職業技術學院，廣東 珠海 519090)

0 引言

物聯網是互聯網的應用拓展，它通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，把人與機器緊密地聯系在一起，利用傳感器技術在很多領域實現了智能化自動控制和可視化遠程控制等，是計算機和互聯網之后信息產業最重要的發展方向。物聯網技術基于大量的微型傳感器和無線傳感網絡，也逐漸被應用在農業領域，如很多農機的自動化控制及遠程監測。自動割草機是近幾年研發的一種新型農機器具，其利用無線傳感技術可以實現割草的自動化控制。除草機如果采用物聯網技術對其進行改造，可以實現除草機的自動化作業。紅外線傳感器是物聯網中最常用的傳感器，可以從尺寸方面降低器件的外觀尺寸，利用紅外線發射端，可以檢測到兩個方向的障礙物的環境信息，將障礙物信息反饋給除草機，實現除草機自動避開障礙物的功能。

1 除草機果園果樹及障礙物定位導航算法

基于測距的方法有TOA、AOA和RSSI等。AOA技術是利用多天線陣列技術，利用多個發射和接收點對未知節點進行測算，根據裝置之間的相對方位和交點，測定未知節點的相對距離。

基于AOA的除草機障礙物定位原理如圖1所示。其定位原理較為簡單，但較容易受到噪聲等外界因素的影響，其定位精度不能滿足高精度定位的需求，因此可以結合RSSI測距定位算法。

圖1 基于AOA的障礙物定位原理

RSSI定位主要是基于發射和接受到信號的強度，根據信號的損耗估算離障礙物的距離，這是因為信號強度在傳播過程中隨著距離的增加而衰減。其計算公式為

(1)

其中，Pt、Pr分別表示除草機天線的發射功率和接收功率；Gt、Gr分別表示除草機發射天線和接收天線的天線增益；λ為表示信號載波波長；R為表示信號傳輸距離。基于距離的定位方法容易受到外界環境因素的影響而產生波動，除了基于距離的定位方法，利用物聯網技術還可以采用三邊測量和極大似然估計得方法。三邊測量方法主要是利用很多已知位置的傳感器節點，通過位置坐標聯立方程，確定位置節點的位置坐標，如圖2所示。

圖2 三邊測量法原理

如圖2所示，根據三邊測量法的基本原理，假設A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)3個節點的位置已知，D(x,y)是未知節點，未知節點與參考節點之間的距離用d1、d2、d3來表示，則可以通過聯立方程得到

(2)

用前兩個方程分別減第3個方程，將方程組線性化為

AX=b

(3)

其中

(4)

可以利用最小二乘法求解方程組，最后得到位置坐標。根據這種原理，還可以采用極大似然估計的方法來確定多個未知節點的距離。假設已知n個參考節點的坐標分別為(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，它們到未知節點(x,y)的距離分別為d1，d2，…，dn，則有

(5)

用方程組中前n-1個方程減去第n個方程，將方程組線性化為

AX=b

(6)

其中

(7)

用最小二乘法求解方程組，可以得到位置節點的坐標，即障礙物的具體位置坐標，根據障礙物的位置坐標，可以采用自主導航的方法，有效地躲避障礙物，其原理如圖3所示。

圖3 除草機避障原理

在輸入除草機期望行駛的方向后，根據障礙物的距離，通過紅外線傳感器可以對方向偏差進行調整，利用反饋調節的方式使除草機的移動更加精確。除草機在移動時可以利用舵機調整方向，以前方障礙物的距離作為偏差用于增量式PID計算，控制舵機的占空比，從而使除草機可以通過改變一定的角度來變化行駛方向，達到自動控制的目的。

2 智能割草機定位導航和避障實驗測試

為了驗證基于物聯網技術的除草機器人自主定位導航和避障的可行性，設計了智能割草機的避障導航實驗。同時，設計了智能割草機的機械結構，搭載了基于WSN無線傳感網絡節點定位的導航模塊，其結構如圖4所示。

為了執行割草任務，需要針對智能割草機車體的實際情況，設計專用的割草機構。此外，為了適應不同草坪，割草刀盤還應具備高度調節、刀片更換等功能。

如圖5所示，為了簡化測試，本次主要以直線運行的方式對除草機的定位和避障性能進行測試。在除草機遇到障礙物時，傳感器會測算出障礙物的具體位置，除草機會在原地改變一定的角度后繼續行駛。除草機是否能夠成功避障，主要依賴于障礙物節點的定位精度，因此首先對無線傳感網絡的定位性能進行了測試，得到了如表1所示的測試結果。

圖4 智能割草機機械結構圖

圖5 直線運行方式測試

通信方式傳輸距離/m傳輸速度/kB·s-1藍牙305000Wi-Fi10011000電磁波212000Zigbee150270

通過測試發現：基于不同的通信方式其傳輸距離和傳輸速度有所不同，通過對比發現Wi-Fi具有通信距離長、傳輸速度快等優勢，可以滿足通信需求，因此本次選用Wi-Fi作為通信方式。

表2表示除草機定位誤差和避障成功率的測試結果。由測試結果可以看出：采用基于物理網技術的定位導航算法，除草機具有較高的定位精度，避障成功率較高，可以滿足智能化除草機的設計需求。

表2 定位誤差和避障成功率測試

3 結論

為了提高除草機自動化和智能化程度，將物聯網技術引入到了除草機的自動化設計過程中，采用無線傳感網絡的節點定位技術，實現了除草機的自主避障功能。為了選擇合適的通信方式，對各種通信方式進行了驗證，最終選擇了Wi-Fi通信方式，并對除草機的定位誤差和避障成功率進行了驗證。由測試結果可以看出：基于物聯網技術，除草機具有較高的定位和導航精度，定位的誤差最大僅為4.13%，低于5%，避障成功率達到了95%以上，可以滿足果園除草作業的需求。