基于嵌入式機理的農機自動導航控制系統研究

斯蕓蕓,詹躍明

(重慶能源職業學院,重慶 402260)

0 引言

隨著計算機嵌入式操作系統的不斷發展與進步,近年來被逐漸應用于各行各業中。為促進我國農業裝備智能化水平的提升,業內專家學者從不同層次、不同角度進行了精細化研究。為此,針對我國農業機器人的自動導航控制系統,筆者在借鑒學者研究成果的基礎及導航控制原理的條件下,從信號采集、協議匹配、通訊暢通及存儲高效的電路部件著手,并融入嵌入式機理,進行自動導航控制系統設計與研究。

1 自動導航控制系統結構

圖1為農業機器人的自動導航控制系統結構簡圖。由圖1可知:系統在電源模塊的支配下,通過STM控制處理器來實現導航系統的感知模塊、導航模塊及位移模塊的動作執行與信號傳輸,各部件間有效地配合,完成自動導航作業。

移動機器人導航技術涉及的主要內容為傳感技術及其信息融合、定位技術、導航、自主決策。表1列出了該農機自動導航控制系統的核心部件及參數值范圍。其中,起到關鍵控制作用的為慣性測量的3個模塊,通過三者的高精度配合,實現精度導航控制要求。

圖1 農業機器人自動導航系統結構組成簡圖

表1 農機自動導航控制系統核心部件及參數

續表1

通過改進應用上述技術,以實現農業機器人的定位和導航的最優化,針對控制系統的傳感器信息組合模塊進行分析,得出如圖2所示的機器人傳感器組信息融合控制流程簡圖。系統工作時,分別從攝像獲取裝置與光電感應裝置進行信息傳遞,經系列的路徑識別與軌跡提取,確認路徑信息的存在與否,在路徑識別失敗的狀態下進行光電傳感器信息融合,進而進行機器人運動位置誤差計算;然后,在控制決策的引導之下,完成機器人自動行進的導航控制與速度實現。

圖2 機器人傳感器組信息融合控制流程簡圖

2 嵌入式控制系統設計

2.1 嵌入式機理

當前應用較為廣泛的嵌入式操作系統主要包括VxWorks、LynsOS、WinCE、PalmOS、Linux等。經查閱資料并與現實生活與工農業應用實際對比可知,嵌入式系統具有使用成本低、結構層次分明、內核開放、運行穩定和豐富的網絡共享與支持等優點。因此,建立嵌入式控制系統的理論狀態方程為

結合MAX-MIN模糊分析算法和閉環的解耦控制運行機理,靈活控制該嵌入式農機自動導航控制系統的轉向、直行及避障等動作。其理論控制運動調節方程為

根據基于嵌入式機理的農機自動導航控制系統狀態與運動控制方程,給出該農機自動導航控制系統的設計流程,如圖3所示。

為實現預設目標,在導航系統建立既定連接與穩定框架的基礎上,從硬件配置和軟件設計兩大方面入手,進行嵌入式自動導航分析,通過編譯HDL文件、創建引腳分配、時序約束等完成FPGA的配置;通過增添源文件、編譯源文件,建立軟件控制工程,經調試運行后與導航控制的軌跡測算目標相嵌入,完成選定對象的控制要求。

2.2 硬件電路系統設計

進行農機自動導航控制系統的硬件電路系統設計時,寄存器對數據的獲取與存儲起到關鍵作用。表2給出該嵌入式導航控制系統的硬件寄存器設置情況,主要分為中斷使能、控制使能、線路寄存等。

圖3 基于嵌入式機理的自動導航控制系統設計流程

表2 嵌入式導航控制系統硬件寄存器設置

針對農業機器人導航控制系統的各類接口模塊,設計相應的接口電路,如圖4所示。GPS定位模塊的接口電路核心元件為NEQ-5Q,通過USB VDD、USB DP、USB DM接口,該芯片可以實現多功能的模塊數據信息解析和融合,很好地提升自動導航的定位精準性。

2.3 軟件控制系統設計

依據硬件電路部件配置,進行該嵌入式智能導航控制系統的軟件編程。有效的后臺運行是實現農機精準運動的核心,此處給出軟件控制程序指令片段:

STATUS s3cIntLvlVecChk(int* pLevel, int* pVector)

{

int newLevel, intPendMask=0×00000001, count;

UNIT32 isr;

S3C_REG_READ (rINTPND, newLevel);

if((newLevel &BIT_ALLMSK) = =0)

{

S3C_REG_WRITE(rPRIORITY, DEFAULT_PMST);

return ERROR;

}

for (count =0, isr=S3C_INTNUMLEVELS-1;

count< S3C_INTNUMLEVELS;count++)

{

if(intPendMask &newLevel) break;

isr--;

intPendMask<<=1;

}

*pVector=isr;

return OK;

}

針對農機自動導航控制系統的濾波環節,設計出農業機器人自動導航系統的濾波系統簡圖,如圖5所示。陀螺儀、加速度計、磁強度計三者在小波去噪聲核心算法的運行下,子濾波器與GPS導航控制濾波的檢測信號結合,實現了自動導航控制系統的最優融合濾波,提高了信號的真實度,降低了失真性。

圖5 農業機器人自動導航系統濾波系統簡圖

針對農機自動導航控制系統的監控實現環節,對該監控子系統的終端功能實現進行分解,得到如圖6所示的農業機器人自動導航監控系統的組件,主要包含串口通信與數據處理、路徑規劃與參數調節、文件讀寫與動態顯示、人機交互界面四大模塊。各模塊通過一定的符合數據控制要求的電路依照導航監控機理銜接起來,從而實現監控終端設計。

圖6 農業機器人自動導航監控系統終端功能實現圖

3 嵌入式自動導航測試

3.1 條件設置

進行基于嵌入式的農業機器人自動導航控制系統測試試驗,并提出如下要求:

①軟件控制的微處理器主頻必須保證200MHz左右; ②配備專業穩定的CPU電源芯片與復位芯片;③保證SD存儲和串口接通信號良好;④提供必備外圍設備的驅動程序;⑤系統的軟硬件裝置初始化操作等。

3.2 過程分析

通過給定該導航控制試驗系統的加速度計、陀螺儀及磁強計的關鍵參數及技術指標,進行試驗分析,參數選取如表3所示。

表3 嵌入式農機自動導航控制系統加速度裝置參數選取

基于嵌入式機理的農機自動導航控制系統測試表明:選定穩定匹配的VxWorks嵌入式操作系統,并經過對各個運行模塊的任務合理分配,可以實現自動導航控制系統的優化設計。此實時任務可分解為:

1)姿態解算和定位任務;

2)MEMS慣性部件的數據采集任務;

3)小波去噪任務;

4)各類導航控制數據存儲任務;

5)GPS的數據采集與解析任務。

經選取農業機器人試驗裝置的直行與轉角兩種狀態下的誤差為評價參數,形成如表4所示的嵌入式農機自動導航控制系統的試驗數據。由表4可知:經過嵌入式機理的應用,自動導航控制系統的各項評價參數均有所提升,拐角平均誤差由原來的1.35m減少至0.38m,直行平均誤差可以由原來的0.97m減少至0.18m,整體運行試驗良好。

表4 嵌入式農機自動導航控制系統試驗數據統計

4 結論

1) 通過分析當前農機自動導航控制系統的結構組成,并運用嵌入式操作機理,建立了基于嵌入式的農機自動導航控制的狀態與運動方程,從硬件電路與軟件控制進行系統設計研究。

2) 利用建立的農機自動導航控制系統進行導航控制測試,結果表明:選定的農業機器人運行拐角平均誤差和直行平均誤差均有所減少,系統整體運行效果良好。