割草無人車Web端管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著綠色農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，以人工輔助的傳統(tǒng)割草方式難以滿足大量田地割草的需求，因此，實(shí)現(xiàn)割草無人車自動(dòng)化割草，對于田地和生態(tài)環(huán)境有著十分重要的意義。文章介紹了一種基于PHP的Web端管控系統(tǒng)，包括其結(jié)構(gòu)、功能以及具體實(shí)現(xiàn)方式。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無人車作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測，控制無人車的割草作業(yè)軌跡，對于故障狀態(tài)及時(shí)報(bào)警并采取相應(yīng)的措施，同時(shí)可以完成相應(yīng)的載荷任務(wù)。最后，根據(jù)使用該系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)試驗(yàn)所采集的數(shù)據(jù)參數(shù)，對系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：無人車；Web端管控系統(tǒng)；軟件結(jié)構(gòu)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.03.062

中圖分類號：TN 92，TP 31" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）03-0-03

Design of Web End Management and Control System for Unmanned Mowing Vehicle

LI Lijun1， HUANG Fuping1， WANG Ye2

（1.CLP Financial Equipment System （Shenzhen） Co.， Ltd.， Shenzhen 518103， China;

2. Nanjing University of Information Science and Technology， Nanjing 210044， China）

Abstract： With the continuous development of green agriculture， it is difficult to meet the demand of cutting grass in a large number of fields by the traditional way of cutting grass with artificial assistance. Therefore， it is of great significance for the field and ecological environment to realize automatic mowing of grass by unmanned vehicle. This paper introduces a Web management system based on PHP， including its structure， function and concrete implementation. The system can realize the real-time detection of the operating state of the unmanned vehicle， control the operating track of the unmanned vehicle， timely alarm and take corresponding measures for the fault state， and complete the corresponding load task. Finally， the safety， stability and adaptability of the system are analyzed according to the data parameters collected from the operation test.

Key words： driverless car; Web management system; software structure

0" 引言

在過去幾十年中，人們對機(jī)器人技術(shù)的研究取得了顯著的進(jìn)展。由于機(jī)器人可以執(zhí)行大量煩瑣的工作，因此，機(jī)器人在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、制造、物流等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，隨著社會對環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也不例外。農(nóng)業(yè)是一個(gè)規(guī)模龐大的行業(yè)，其中割草是一項(xiàng)非常耗時(shí)且煩瑣的工作，為了提高效率，割草機(jī)器人的研究成為當(dāng)前的熱點(diǎn)課題。割草機(jī)器人不僅可以節(jié)省人力，還能解決傳統(tǒng)割草方式對環(huán)境造成的負(fù)面影響。有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有力帶動(dòng)了機(jī)械除草新技術(shù)的發(fā)展[1]。機(jī)械割草不僅有助于減少人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，同時(shí)，它對于環(huán)境也是比較友好的，因?yàn)槠洳煌诨瘜W(xué)劑等其他方法，不會造成對環(huán)境的污染，也不會對人類的健康造成危害。因此，機(jī)械割草是一種更加環(huán)保、高效的割草方式[2-3]。

無人車Web端管控系統(tǒng)是無人車系統(tǒng)的重要組成部分。管控系統(tǒng)需要具有的功能包括實(shí)時(shí)監(jiān)管無人車的作業(yè)狀態(tài)、作業(yè)航跡、檢測通信鏈路，確保無人車在各種復(fù)雜的外界環(huán)境下可靠穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)有割草無人車管控系統(tǒng)主要包括用戶登錄模塊、地圖加載模塊、作業(yè)路徑規(guī)劃模塊等，通常由計(jì)算機(jī)硬件、通信數(shù)據(jù)鏈、輔助操控設(shè)備等組成，并與相對應(yīng)的軟件相配合，實(shí)現(xiàn)對無人車作業(yè)狀態(tài)的控制。

1" Web端管控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

管控系統(tǒng)采用基于瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)，用戶通過網(wǎng)頁瀏覽器訪問系統(tǒng)，并且系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)邏輯由服務(wù)器端處理。管控系統(tǒng)軟件將系統(tǒng)分為用戶操作模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊3個(gè)功能模塊。管控系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

用戶操作模塊主要實(shí)現(xiàn)作業(yè)任務(wù)規(guī)劃功能、作業(yè)監(jiān)控功能、指令發(fā)送功能組成。根據(jù)割草作業(yè)地塊實(shí)際情況，通過管控系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃功能實(shí)現(xiàn)對作業(yè)地塊路徑全覆蓋。作業(yè)監(jiān)管功能可實(shí)時(shí)查看無人車的位置以及作業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，如電壓、速度、GPS信號強(qiáng)度等。數(shù)據(jù)通信模塊實(shí)現(xiàn)無人車和管控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要包括通信連接、通信協(xié)議制定、數(shù)據(jù)打包和解析3大功能。該模塊采用Gataway Worker網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對無人車的網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)包采用MAVLink通信協(xié)議，對需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包進(jìn)行打包和解析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的時(shí)效性，便于無人車的作業(yè)監(jiān)管。數(shù)據(jù)管理模塊包括用戶信息管理、無人車設(shè)備管理、作業(yè)任務(wù)管理等相關(guān)數(shù)據(jù)管理。

1.1 用戶操作模塊設(shè)計(jì)

用戶操作模塊完成與無人車交互的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)以及相關(guān)功能操作界面的布局設(shè)計(jì)功能，一個(gè)友好的用戶界面可以讓用戶操作方便。管控系統(tǒng)在界面上主要提供3個(gè)功能。

（1）用戶可根基作業(yè)地塊的需求，新建作業(yè)任務(wù)，設(shè)置作業(yè)半徑并在地圖上預(yù)覽。

（2）控制臺操作界面，可實(shí)時(shí)操控任務(wù)設(shè)備。控制臺操作模塊主要包含發(fā)啟動(dòng)、停止、發(fā)送任務(wù)、返航4個(gè)功能按鈕。用戶可以在控制臺上查看其權(quán)限下所有作業(yè)無人車的編號，在操作控制臺向指定無人車下發(fā)相關(guān)作業(yè)指令。

（3）作業(yè)監(jiān)控界面，顯示作業(yè)狀態(tài)，如作業(yè)時(shí)無人車的速度、無人車實(shí)時(shí)的位置、無人車各傳感模塊的工作狀態(tài)。在作業(yè)過程中，無人車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將存儲在Redis緩存中，管理系統(tǒng)可獲取Redis緩存中的數(shù)據(jù)并顯示出來。

1.2 數(shù)據(jù)通信模塊設(shè)計(jì)

管控系統(tǒng)通過4G網(wǎng)絡(luò)與無人車的DTU模塊進(jìn)行通信。當(dāng)管控軟件服務(wù)端需要向無人車下發(fā)作業(yè)任務(wù)時(shí)，Gateway Worker通信網(wǎng)關(guān)遵循預(yù)定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)獲取無人車的狀態(tài)信息。通信網(wǎng)關(guān)與無人車采用socket的通信機(jī)制[4]，服務(wù)器可以通過該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)一對一、一對多的長連接通信，便于后臺設(shè)備的監(jiān)管。數(shù)據(jù)通信模塊如圖2所示。

通信連接。系統(tǒng)軟件采用 MAVLink 通信協(xié)議，該協(xié)議是用于微型機(jī)器人與管控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的信息編組庫[5]。數(shù)據(jù)包主要包含以下部分：數(shù)據(jù)頭是由兩個(gè)byte組成，用于識別數(shù)據(jù)的有效性；數(shù)據(jù)長度是由一個(gè)byte組成，用于表示數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)的長度；反饋命令是由一個(gè)byte組成，用于指令I(lǐng)D的確認(rèn)；數(shù)據(jù)塊的字節(jié)個(gè)數(shù)根據(jù)作業(yè)任務(wù)決定，主要包含經(jīng)度、緯度和航向等相關(guān)信息。校驗(yàn)位由兩個(gè)字節(jié)組成，用于確保數(shù)據(jù)發(fā)送的準(zhǔn)確性。通信協(xié)議具體樣式如表1所示。

數(shù)據(jù)解析。數(shù)據(jù)解析是數(shù)據(jù)通信中重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)中包含著無人車所有的狀態(tài)信息和控制指令。上行的數(shù)據(jù)包是由管控系統(tǒng)發(fā)送給無人車的數(shù)據(jù)，主要包含作業(yè)指令、作業(yè)任務(wù)、經(jīng)緯度信息等。下行的數(shù)據(jù)包是無人車發(fā)送給管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包，主要包含經(jīng)緯度、速度、GPS信號值等數(shù)據(jù)。在管控系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)包后，會首先進(jìn)行校驗(yàn)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。待校驗(yàn)完成后，系統(tǒng)會讀取并解析數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)，流程如圖3所示。

1.3 數(shù)據(jù)管理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理模塊主要負(fù)責(zé)將作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析，將作業(yè)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、任務(wù)詳情、無人車設(shè)備狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，利用數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)分析。

（1）數(shù)據(jù)儲存模塊主要負(fù)責(zé)保存來自無人車的數(shù)據(jù)，以便在完成作業(yè)任務(wù)后進(jìn)行回放分析和作業(yè)軌跡查看。這些數(shù)據(jù)對無人車作業(yè)的分析和評估非常重要，存儲數(shù)據(jù)主要包括用戶的賬號信息、無人車相關(guān)信息、任務(wù)方案等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，既要保證數(shù)據(jù)的完整性和安全性，又要滿足系統(tǒng)的高效使用。數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的重要組成部分，對整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵作用。本系統(tǒng)軟件采用MySQL數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)分析：對作業(yè)數(shù)據(jù)分析，以評估其在完成作業(yè)任務(wù)時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)的情況。分析基于完成作業(yè)任務(wù)后所存儲的數(shù)據(jù)，可以幫助人們了解作業(yè)過程中發(fā)生的情況，特別是當(dāng)突發(fā)事件導(dǎo)致無人車未按預(yù)定軌跡完成作業(yè)時(shí)，人們可根據(jù)上傳的數(shù)據(jù)分析并確定故障原因，通過圖表顯示多種類型的數(shù)據(jù)，可以使數(shù)據(jù)更為簡單直觀。

1.4 軟件模塊實(shí)現(xiàn)

本W(wǎng)eb端系統(tǒng)采用PHP語言實(shí)現(xiàn)，主要實(shí)現(xiàn)的功能有：①作業(yè)任務(wù)管理，負(fù)責(zé)完成任務(wù)的新建、打開、刪除以及航線的添加、編輯、刪除；②地圖管理，負(fù)責(zé)完成地圖瓦片加載和緩存；③日志管理，負(fù)責(zé)日志管理和顯示；④設(shè)備管理，負(fù)責(zé)管理各個(gè)無人車狀態(tài)。無人車與管控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸包含了網(wǎng)絡(luò)通信和串口通信兩種。無人車將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)采用Redis緩存數(shù)據(jù)庫存儲割草無人車實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和通信會話數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)解析程序解析之后被存儲到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲文件中，并通過異步消息機(jī)制將解析后的運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋到Web端軟件界面中。

2" 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了確保該無人車管控系統(tǒng)的有效性，需對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在戶外選擇一塊較寬闊的田地，對割草無人車進(jìn)行實(shí)際作業(yè)測試。本管控系統(tǒng)軟件經(jīng)過無人車試驗(yàn)，驗(yàn)證的結(jié)果如表2所示。

經(jīng)過作業(yè)試驗(yàn)，5臺無人車同時(shí)進(jìn)行作業(yè)任務(wù)，Web端管控系統(tǒng)的CPU占有率處于較低的狀態(tài)，該軟件系統(tǒng)運(yùn)行可靠。

3" 結(jié)束語

本文根據(jù)割草無人車的實(shí)際需求，對其Web端管控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了系統(tǒng)的描述。管控系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)對無人車的航跡控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測以及故障報(bào)警和緊急處理，提高了割草無人車作業(yè)的效率。通過硬件平臺的結(jié)合，管控系統(tǒng)軟件具有較好的實(shí)現(xiàn)效果。■

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