激光導航設施管理機器人自動控制系統(tǒng)的研究

王艷莉， 曹仁勇， 耿長興

(1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院，江蘇句容 212400； 2.蘇州大學，江蘇蘇州 215155)

十二五以來，我國大力發(fā)展設施農(nóng)業(yè)和精準農(nóng)業(yè)，促進了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級[1-2]。自動導航技術是實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)機械自動化、智能化和信息化的關鍵技術，開發(fā)一套操作簡便、導航精度高、經(jīng)濟適用的大棚管理機械自動導航系統(tǒng)成為設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問題[3]。近年來激光導航技術得到廣泛的應用，具有定位精度高、可全時段工作、不受電磁干擾等優(yōu)點[4]。CMU大學的Hamner、北海道大學的Barawid等采用激光掃描技術，實時采集果樹間的位置信息，利用霍夫變換設計導航路徑，基于PID控制器沿著擬合路徑完成車輛的自動行走，實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)機械的自動導航[5-6]。

本研究以激光掃描儀作為自動導航設備，實時提取溫室大棚植物行間距信息，進行不同環(huán)境下設施管理機器人自動導航控制系統(tǒng)的研究。首先在大棚內(nèi)設立幾處基點，通過激光掃描設備建立掃描直角坐標系，再應用最小二乘法對規(guī)劃路徑進行擬合，然后基于PID控制理論設計比例控制器，建立運動學模型，最后通過現(xiàn)場試驗驗證自動導航控制系統(tǒng)的可靠性。

1 管理機器人的導航系統(tǒng)設計

1.1 工作原理

在溫室內(nèi)均勻布置4臺激光發(fā)射器和接收器，激光接收器安裝在管理機機架上，管理機器人在行進中實時檢測激光位置信號，這些信號數(shù)據(jù)持續(xù)傳遞給轉向控制器，反饋信號給計算機。激光接收器的左中右3個區(qū)域負責接收信號，當接收器左側收到激光信號時，則管理機向右偏移，此時轉向繼電器接收到左轉的指令，糾正機器偏移直到激光信號處于接收器中間區(qū)域；反之，當接收器右側收到激光信號，說明管理機向左偏移，只有當激光信號處于接收器的中間區(qū)域，說明此時機具正沿著激光垂直基準面直線行走，無需修改行走狀態(tài)[7]。綜上所述可知，激光信號通過發(fā)射器、接收器反饋信號進入工控系統(tǒng)，然后由RS232控制繼電器模組輸出開關信號，通過電磁繼電器控制并驅動電動推桿，實現(xiàn)左右轉向控制，按照工況要求實現(xiàn)導航和轉向控制。激光導航直線行走工作原理如圖1所示。

1.2 導航系統(tǒng)總體設計

設施管理機器人由1個擺線針輪減速電機來驅動旋耕刀，2個減速電機分別驅動左右兩端的履帶行走，由田園管理機作為執(zhí)行機構，采用自主導航系統(tǒng)引導執(zhí)行機構實現(xiàn)準直行走。導航系統(tǒng)由田園管理機(BAMA 1WG4D)、計算機(戴爾Ins14ZD-3526)、激光掃描儀(Micro-Epsilon MSC710-U)和減速電機(信捷DS2-AS)組成。

激光掃描設備放置在管理機前方，實時接收前方樹行的位置信息，計算機將這些信息數(shù)據(jù)分析規(guī)劃出導航路徑，PID控制器接收計算機的信息指令并控制2個電機轉速，從而實現(xiàn)管理機器人的自主導航。自主導航系統(tǒng)如圖2所示。激光掃描儀安裝在機架正前方，檢測溫室大棚內(nèi)植株行的位置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)信息反饋給PC機，用來生成導航路徑，轉向控制器用來控制管理機的轉向，確保沿著激光信號實現(xiàn)準直線自主行走。

2 導航路徑規(guī)劃

2.1 樹行位置信息確定

為了實現(xiàn)設施管理機器人的自主導航，首先要對溫室內(nèi)樹行進行精確定位，設立幾處基準點，確定樹行與管理機的相對位置。經(jīng)過激光掃描的圖像分析，凹點處為樹行的位置，根據(jù)此特征將樹行的位置信息在直角坐標中體現(xiàn)，從而確定植株的位置信息，根據(jù)凹陷點特征進行樹行位置的定位[8]。

將掃描儀的位置設為原點，建立直角坐標系如圖3所示，激光接收器可以在一個掃描周期掃過180°，每個數(shù)據(jù)的掃描區(qū)間是0.5°，一個周期內(nèi)獲得361個位置信息，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以精確得到管理機的位置信息。R代表掃描區(qū)間任一點到掃描設備的長度，λ表示任一點的夾角，依據(jù)式(1)[9-10]計算出λi的數(shù)值，保存后即可知道大棚內(nèi)樹行的位置數(shù)據(jù)。

λi=0.5(i-1)；i=2，…，361。

(1)

2.2 樹行路徑擬合算法

根據(jù)前面對樹行信息的精確定位，采用最小二乘法對管理機的導航路徑進行擬合。首先將大棚內(nèi)植株選取中線為規(guī)劃路線，從兩植株行選定接近管理機的3個點，依據(jù)式(2)計算出擬合路徑的信息數(shù)據(jù)。式中，(xLm，yLm)，(xRn，yRn)分別為左右兩行植株的組合點坐標；m，n=1，2，3；k=1，2，…，9。(xk，yk)即為式(2)擬合出的坐標點，從而獲得管理機的擬合路徑，擬合結果如圖4所示。

(2)

根據(jù)計算的坐標點(xk，yk)取橫向偏差最小平方和δ=∑(yk-y)2，從直線方程y=ax+b可推導出：

δ=∑(yk-ax-b)2。

(3)

式(3)中對a、b進行求導數(shù)計算，得：

(4)

對式(4)求導，得：

(5)

擬合結果如圖4所示。

3 導航控制

在控制系統(tǒng)的應用中，PID控制算法是應用最廣泛的一種算法，PID控制器是根據(jù)PID控制原理對整個控制系統(tǒng)進行偏差調節(jié)，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。同時，控制器具有參數(shù)易調整、算法簡單、魯棒性強、系統(tǒng)無靜差等優(yōu)點[9-10]。基于以上特點，本研究的導航控制器是采用PID算法理論實現(xiàn)的，管理機的行走導航控制是應用PLC控制系統(tǒng)進行控制設計，設計出的導航系統(tǒng)流程如圖5所示。

本研究在PID控制理論的基礎上，依據(jù)PLC控制系統(tǒng)進行導航設計，假定大棚管理機在行走時發(fā)生的偏移量可以忽略，排除土地狀況對導航的影響因素，建立了大棚管理機械的運動學模型(圖6)[11]。S為管理機的目標路徑，θ為管理機航向偏差，L為管理機前后軸的距離，l為管理機前軸中心距離航向點B的距離。依據(jù)此管理機的運動模型，推導出管理機的運動學方程式[12]：

(6)

按照管理機器人在大棚內(nèi)的行走特點和影響因素，當其行走路徑與擬合路徑存在偏差時，可依據(jù)式(6)計算出偏差值，通過控制電機轉速來調整偏差值，從而實現(xiàn)對導航車輛的方向控制。本研究取α=kpζp，kp為運動模型比例系數(shù)，從而從圖6中可以推出該項的比例控制方程為：

α=k1d+k2sinθ。

(7)

管理機器人在行走過程中的橫向偏差由運動學方程得出，將其作為輸入量，依據(jù)式(7)可計算出管理機前輪轉角，即為輸出量。導航的自動控制就是通過電機的不同轉速來實現(xiàn)管理機導航的自動控制，電機轉速是由直流伺服電機將轉速信號發(fā)送給電機驅動器來實現(xiàn)控制的。

4 結果與分析

在完成擬合路徑的基礎上，2017年11月設施大棚管理機器人在江蘇農(nóng)博園內(nèi)草莓大棚內(nèi)進行了實機試驗，試驗模擬現(xiàn)場耕作情境，溫室的長度約為50 m，樹行間距為2 m。通過預先試驗，設定式(7)中，k1=2.8，k2=0.7；取L=2.53 m，l=0；采樣周期300 ms；管理機速度0.14 m/s。通過多次試驗最后統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。圖7所示為計算出的平均橫向偏差數(shù)據(jù)變化圖。

表1 橫向偏差統(tǒng)計結果

從表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，8次試驗結果的偏差在 -0.08～0.15之間，平均偏差0.037，標準差的平均值為0.024 0。將上述表1數(shù)據(jù)輸入到Origin軟件中生成橫向平均偏差圖，從圖7可以看出，負向橫向偏差出現(xiàn)在3.5 m之后，隨后正向橫向偏差在8.5 m和12 m處出現(xiàn)峰值，之后峰值慢慢變小直至30 m處接近0。結合表1和圖7進行分析，溫室大棚內(nèi)的植株種植存在一定的偏差，偏差范圍在-0.10～0.15 m之間，在8.5 m和12 m處植株行間距增大偏離中線，致使規(guī)劃的路徑相差較大，橫向偏差達最大，這就說明植株行的整齊度直接影響計算機擬合路徑的準確性。從圖7反映的偏差可以充分說明擬合路徑的偏差與大棚內(nèi)環(huán)境相吻合，本研究所設計的自動導航控制系統(tǒng)具有一定和可靠性和精確度。根據(jù)溫室大棚內(nèi)的耕作要求，圖7的最大誤差0.15 m完全滿足要求，對于設施管理機器人的作業(yè)具有廣泛的適用性和可靠性。

5 結論

本研究以設施管理機器人為研究對象，以實現(xiàn)機器人自動導航為目標，采用了激光導航技術，實時采集大棚內(nèi)的樹行信息數(shù)據(jù)，應用激光掃描進行精確定位，并應用最小二乘法對導航路徑進行擬合，設計了PID控制器，進行管理機的實地試驗。試驗數(shù)據(jù)表明，管理機器人在大棚內(nèi)自動行走30 m，速度0.35 m/s，測得最大偏差為0.20 m。因此，該激光導航控制系統(tǒng)采集位置信息快速、準確，對于設施管理機器人的自動行走適用性強，可靠性高。