基于藍球比賽運動的農業機器人避障系統設計

王經健

(鄭州工商學院,鄭州 450018)

0 引言

農業移動機器人智能化水平主要表現在避障能力的高低上,因而自主避障能力是農業機器人的主要研究課題之一。在農業生產中,為利于移動機器人在未知不可控的作業環境中作業,需要具有自主感知和自主規劃軌跡的能力,因此機器人必須具有高性能環境感知理解能力及避障算法的魯棒性。農業機器人在農業作業環境中移動時,常常會出現許多不可預見的情況。如果機器人不具備自主識別避障能力,只能按照人們規劃好的特定路線移動,在遇到不可控的情況時,機器人的運行軌跡就會受到干擾,導致機器人無法正常運行。因此,事先設定路徑農業機器人在農業生產上并不適用,農業機器人必須具有自主避障能力并具有自主規劃優先路徑的性能?；@球比賽前進中通過眼睛觀察前進路徑,并躲避對方球員的阻攔,確定躲避路徑到達目的地[1-3]。農業機器人設計的避障系統主體程序是識別障礙物及規劃移動路徑。農業機器人自主避障系統識別障礙物主要是通過農業機器人上的各類傳感器采集數據,避障系統根據避障中核心部分來計算設計路徑,選擇無障礙物路徑完成作業。農業機器人自主避障系統研究設計方法有很多,比較普遍的方法有行為控制法及模糊算法等[4-9]。其中,行為控制法的適用領域最廣泛,計算量小且效率高,是一種通用的動態算法;模糊算法[10-17]為新型的智能算法,智能化水平高,在復雜環境的表現良好。農業機器人避障系統設計要求要保證不會漏算導致無法檢測到障礙物,時效性強,能快速檢測障礙物和收集信息數據,確保實時避障及自主避障?；诨@球比賽運動的農業機器人避障系統的實現可通過傳感器收集環境數據信息,將數據分析計算并輸出,從而做出決策。

1 基于籃球比賽運動的避障策略

1.1 避障結構

基于籃球比賽運動的農業機器人避障系統的傳感器采用聲波傳感器進行測距,為防止傳感器漏報,可采用激光傳感器;但是該傳感器成本高昂,不適用在農業生產機器人使用。經全面考慮,可以采用多個聲波傳感器傳感器系統,綜合多個傳感器的的作用范圍,提高機器人的魯棒性[14]。傳感器的避障原理如圖1所示。農業機器人超聲波傳感器發射1組聲波脈沖信號,1個積分器開始計算發射時間,1個返回信號閾值就會被設定來接收回波信號, 這個閾值會隨著時間的增加而減小;在回波返回時,因能量消耗,聲波的強度會變小,故在發射聲波信號時為保證可以接收到回波信號,發射的聲波應設定一個較高的閾值。這其中還存在一個問題是:障礙物如果距離機器人的距離比較近時,聲波閾值還比較高就產生回波,接收器接收這個信號時就會產生誤差,認為該信號是剛剛發射聲波信號,而拒絕識別該信號,導致出現識別盲區,無法識別近距離的障礙物。還有一種情況是:障礙物轉彎角度上是光滑的表面,會將聲波轉角反射,而不是將聲波轉180°反射給農業機器人,接收器無法接收到聲波,便認為前方無障礙物,導致自主避障系統產生錯誤識別,此時聲波避障行為不能得以觸發。在該情況下采用紅外傳感器,其監測測距可以記錄紅外線未返回的區域,在遇到障礙物表面光滑或有轉角時紅外線沒有返回,接收裝置將記錄未返回信號。

圖1 傳感器系統原理

綜上考慮,采用多傳感器器融合的策略。機器人避障系統中所運用的傳感器通過發射的紅外光線或聲波在遇到障礙物反射回來信號,獲得以此信息分析環境地圖結構。

1)紅外傳感器。這類傳感器檢測范圍較大,不易受作業環境中可見光的影響,不易形成檢測盲區,且性價比高、適應性強。

2)聲波傳感器。這類傳感器的使用范圍在眾多傳感器的類型中是屬于大型的。超聲波是頻率較高的機械波,故穿透力強。對于作業環境中未知的障礙物,其類型無法事先知道,使用較低頻率的機械波可能導致無法穿透;而頻率高的超聲波可以穿透液體或不同性質的固體,在密度比較高的固體中穿透效果可達到幾十米,故超聲波傳感器在作業環境中存在較大障礙物的效果比較好,可為農業機器人提供完善收集的數據信息。但是,超聲波傳感器在遇到移動障礙物時會出現多普勒效應,無法完成數據信息的收集工作,需要配合紅外傳感器或視覺傳感器使用。

本農業機器人避障系統設計主要為紅外傳感器和超聲波傳感器融合使用,再輔助視覺傳感器。

1.2 避障系統的行為設計

農業機器人的避障系統的基本行為包括紅外和聲波避障行為、沿墻走行為、緊急停止行為、逃離行為。不同的行為具有不同的優先級,緊急停止行為的優先級最高, 避障行為的優先級第二,沿墻走行為的優先級第三。

1)緊急停止行為。緊急停止行為觸發的依據是根據移動機器人事先設定的障礙物測定緊急停止距離,當傳感器監測到障礙物的距離達到緊急停止距離時,觸發緊急停止行為,移動機器人立即停駛。其原理為:農業移動機器人傳感器監測到的與障礙物的距離check,當障礙物與機器人的距離到達緊急距離時觸發停止stop.

2)避障行為。避障行為是通過紅外和聲波傳感器監測到障礙物的距離、尺寸等因素后控制機器人左右行駛。當監測到障礙物在右邊時,控制機器人左轉;當障礙物在左側時,機器人右轉。在避障時需考慮移動障礙物,結合運動學控制移動機器人以圓弧形路徑避開移動的障礙物。

3)沿墻走行為。機器人的沿墻走行為借助機器人左右兩側的紅外傳感器控制,在左右兩側傳感器監測左右兩側有障礙物時觸發,即當紅外傳感器監測到左側有障礙物時進入左側有墻移動模式。該行為狀態在機器人工作開始時就一直存在,當監測左右有障礙物時才觸發是左側有墻還是右側有墻狀態。在監測左右都存在障礙物時,機器人采取曲線前進模式,如果機器人的轉向過大,導致傳感器無法監測障礙物,機器人就會進入迷失模式;在處于迷失模式時,機器人會不斷的尋找障礙物,直到搜索到障礙物,返回開始狀態。

4)逃離行為。機器人的逃離行為的執行模式有后退、前進及旋轉,在遇到障礙物時即為有效,可根據障礙物的運動狀態執行不同的模式。

2 模糊邏輯控制算法的行為控制

模糊邏輯控制是一種智能控制方法,主要包括以下4部分:①模糊化;②模糊規則庫;③模糊推理;④去模糊化模糊化。

模糊控制策略采用三輸入二輸出的模式控制機器人沿墻走行為,輸入變量為a1、a2、a3分別表示機器人右前方、正前方、左前方障礙物的距離;機器人的轉向通過控制輪胎實現,故左右兩個輪胎需要兩個電機控制,左電機轉速V1和右電機轉速V2為兩個輸出變量,輸入變量a1、a2、a3的模糊字跡為Mx={near,med.far},其表示不同的距離。輸出變量左電機轉速V1和右電機轉速V2的模糊子集為Fy={back, stop, forword},其表示后退、停止、前進。根據傳感器的測距范圍,輸入量的論域X1,X2,X3均為{0,5}。輸出量Y1、Y2論域均為{-10,10}。

在機器人監測到有墻時,進入沿墻走行為狀態,再根據左右沿墻走規則,選擇左或右沿墻走行為。

模糊控制算法采用重心法去模糊化,設定隸屬度完成去模糊化。

3 仿真試驗

以四輪機器人為試驗對象,安裝聲波傳感器和個紅外傳感器。試驗場所為一個15m×3m平臺,設有障礙物1、2、3、4。機器人起始點為S,目標點為G。

仿真試驗中,移動機器人首先進行沿墻走行為,當機器人到達O點時檢測到障礙物1,驅動右輪加速左轉,到達P、Q點時觸發避障行為,到達L點時再次進入沿墻走行為到達終點G。仿真試驗結果如圖1所示。

圖2 農業機器人自主避障仿真試驗

在避障系統設計時,還需要考慮路徑尺寸是否允許機器人通過及轉彎時的穩定性等約束條件。

4 結論

進行了基于籃球比賽運動的避障系統農業機器人控制系統設計,參考籃球比賽中運球前進時的自主避障行為,使機器人可以自主識別障礙物,并實時規劃出最優路徑,以完成移動作業。采用模糊邏輯控制算法設計出低成本的自主避障方法,提高了移動機器人避障系統的智能化。同時,通過試驗驗證了該系統的有效性、實用性和實時性。