溫室自主沿邊導航的移動平臺設計與試驗.pdf
<p>溫 室 自 主 沿 邊 導 航 的 移 動 平 臺 設 計 與 試 驗 居 錦 1 , 李 萍 萍 2 , 劉 繼 展 1 , 李 男 1 , 彭 海 軍 1 (1. 江 蘇 大 學 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 裝 備 與 技 術 教 育 部 重 點 實 驗 室, 江 蘇 鎮(zhèn) 江 212013; 2. 南 京 林 業(yè) 大 學 森 林 資 源 與 環(huán) 境 學 院, 南 京 210037) 摘 要: 本 研 究 根 據(jù) 規(guī) 范 化 建 設 的 溫 室 行 間 道 路 環(huán) 境 及 多 作 業(yè) 工 況 等 要 求, 開 發(fā) 了 六 輪 式 差 速 結 構 移 動 平 臺。 針 對 移 動 平 臺 的 承 載、 轉 彎 靈 活 性 等 要 求, 進 行 了 移 動 平 臺 承 載 結 構 設 計; 針 對 多 作 業(yè) 模 塊 換 接 與 操 控 簡 單 性 要 求, 設 計 了 多 功 能 作 業(yè) 模 塊 接 口 及 控 制 電 路。 同 時, 提 出 了 一 種 基 于 光 電 圓 弧 的 沿 邊 導 航 方 法, 通 過 側 向 布 置 的 光 電 圓 弧 來 獲 取 溫 室 移 動 平 臺 相 對 于 路 沿 的 位 姿 信 息, 并 基 于 此 位 姿 信 息 設 計 了 沿 邊 控 制 方 法。 最 后, 對 移 動 平 臺 進 行 了 直 線 行 走、 作 業(yè) 模 塊 搭 載 及 沿 邊 行 走 試 驗, 結 果 表 明: 移 動 平 臺 實 際 速 度 約 為 理 論 速 度 的92%, 能 夠 順 利 地 識 別 作 業(yè) 模 塊, 且 在0.15m/s 速 度 內(nèi) 沿 邊 行 走 的 位 置 偏 差 保 持 在-35+15mm, 能 夠 滿 足 一 般 溫 室 作 業(yè) 需 求。 關 鍵 詞: 溫 室 移 動 平 臺; 模 塊 接 口; 光 電 圓 弧; 沿 邊 導 航 中 圖 分 類 號: S625.3 文 獻 標 識 碼: A 文 章 編 號:1003-188X(2018)09-0081-07 0 引 言 近 年 來, 我 國 溫 室 技 術 不 斷 發(fā) 展, 溫 室 作 為 設 施 農(nóng) 業(yè) 的 主 體, 由 于 其 空 間 狹 小, 人 工 往 返 作 業(yè) 量 大、 效 率 低, 因 此 各 類 溫 室 移 動 作 業(yè) 機 器 人 陸 續(xù) 出 現(xiàn), 如 采 摘 機 器 人、 噴 藥 機 器 人、 移 栽 機 器 人 等, 而 移 動 平 臺 是 溫 室 移 動 作 業(yè) 機 器 人 的 移 動 基 礎。 目 前, 溫 室 移 動 作 業(yè) 機 器 人 大 多 是 根 據(jù) 單 一 作 業(yè) 機 器 人 配 置 或 開 發(fā) 了 相 應 的 移 動 平 臺, 其 結 構 形 式 和 導 航 方 法 各 異。 例 如, 楊 世 勝 等 人 設 計 的 噴 霧 機 器 人, 配 置 了 四 輪 獨 立 驅 動 的 電 磁 引 導 式 移 動 平 臺;E.J. VanHenten 等 人 研 制 的 黃 瓜 收 獲 機 器 人 和 王 曉 楠 等 人 研 制 的 番 茄 采 摘 機 器 人 配 置 了 沿 著 鐵 軌 導 航 的 移 動 平 臺, 其 運 動 軌 跡 固 定, 但 靈 活 性 與 通 用 性 不 足; 江 锽 等 人 研 制 的 溫 室 噴 霧 機 器 人 配 置 了 三 輪 結 構 的 移 動 平 臺, 并 基 于Kinect 視 覺 探 測 路 沿 實 現(xiàn) 了 自 主 行 走, 但 其 算 法 較 復 雜、 實 時 性 較 低; 葛 君 山 設 計 的 采 摘 機 器 人 配 置 了 四 輪 移 動 平 臺, 使 用GPS 導 航 方 法, 但 導 收 稿 日 期: 2017-05-15 基 金 項 目: 江 蘇 省 農(nóng) 業(yè) 科 技 支 撐 重 點 項 目(BE2014406); 國 家 自 然 科 學 基 金 項 目(51475212); 江 蘇 省 農(nóng) 業(yè) 科 技 自 主 創(chuàng) 新 資 金 項 目(CX(15)1020); 江 蘇 省 六 大 人 才 高 峰 項 目(JXQC- 008); 江 蘇 高 校 優(yōu) 勢 學 科 建 設 工 程 項 目( PAPD); 江 蘇 省 普 通 高 校 研 究 生 實 踐 創(chuàng) 新 計 劃 項 目(SJLX15 0507) 作 者 簡 介: 居 錦(1988-), 男, 江 蘇 揚 州 人, 碩 士 研 究 生,(E-mail) jujin19880626163.com。 通 訊 作 者: 劉 繼 展(1976-), 男, 河 北 衡 水 人, 研 究 員, 博 士 生 導 師,(E -mail)liujizhan163.com。 航 精 度 較 低 1-11 。 隨 著 實 際 生 產(chǎn) 發(fā) 展, 對 能 夠 進 行 多 種 作 業(yè) 的 通 用 自 主 移 動 平 臺 開 始 提 出 了 需 求。 例 如, 瓦 赫 寧 根 大 學 的T.Bakkert 等 人 設 計 了 柴 油 發(fā) 動 機 提 供 動 力 的 四 輪 獨 立 轉 向 平 臺, 并 采 用 全 球 定 位 系 統(tǒng) 確 定 相 對 路 徑 位 置 和 方 向, 其 體 積 較 大, 多 用 于 大 田 等 寬 敞 的 作 業(yè) 空 間; 徐 麗 明 等 提 出 了 可 加 裝 不 同 機 具 的 溫 室 四 輪 多 功 能 作 業(yè) 車, 但 未 對 作 業(yè) 機 具 的 裝 配 及 自 動 作 業(yè) 進 行 研 究 12-14 。 本 文 針 對 規(guī) 范 化 溫 室 栽 培 槽、 高 架 行 間 等 狹 窄 通 道 及 多 種 植 株 管 理 作 業(yè) 要 求, 設 計 了 一 款 承 載 強 兼 具 轉 向 靈 活 性 的 移 動 平 臺, 能 夠 方 便 地 搭 載 和 識 別 作 業(yè) 模 塊, 且 提 出 了 一 種 基 于 光 電 開 關 圓 弧 陣 列 的 沿 邊 導 航 方 法。 最 后, 進 行 了 直 線 行 走、 作 業(yè) 模 塊 搭 載 和 沿 邊 行 走 試 驗, 獲 得 了 良 好 的 效 果。 1 溫 室 移 動 平 臺 總 體 設 計 1.1 工 作 環(huán) 境 與 設 計 要 求 本 研 究 主 要 是 針 對 規(guī) 范 化 建 設 的 溫 室 環(huán) 境, 溫 室 移 動 平 臺 在 栽 培 槽、 高 架 間 等 行 間 的 通 道( 見 圖1) 內(nèi) 行 進 作 業(yè)。 所 設 計 的 溫 室 移 動 平 臺 應 該 滿 足 以 下 需 求: 1) 承 載 結 構 滿 足 各 作 業(yè) 模 塊 的 載 荷 要 求, 且 轉 彎 靈 活 性 高, 適 應 溫 室 狹 窄 空 間; 2) 其 能 夠 根 據(jù) 作 業(yè) 需 求, 搭 載 采 摘、 施 藥、 移 栽、 基 質 攤 鋪 等 多 種 植 株 管 理 作 業(yè) 模 塊, 并 滿 足 各 作 業(yè) 模 · 1 8 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 塊 運 動 控 制 要 求; 3) 能 夠 在 栽 培 槽、 新 型 高 架 栽 培 等 行 間 通 道 自 動 沿 著 路 沿 邊 行 走 作 業(yè)。 (a) 栽 培 槽 間 通 道 (b) 高 架 間 通 道 圖1 溫 室 行 間 通 道 Fig.1 Theentercloseingreenhouse 1.2 移 動 平 臺 設 計 總 方 案 移 動 平 臺 采 用 中 間 兩 驅 動 輪、 前 后 各 兩 萬 向 輪 的 六 輪 式 差 速 結 構, 使 用 鋰 電 池 供 電, 通 過 無 線 遙 控 器 模 塊 及PLC 控 制 器 對 兩 驅 動 電 機 進 行 控 制。 各 作 業(yè) 模 塊 可 通 過 多 功 能 作 業(yè) 模 塊 接 口( 各 作 業(yè) 模 塊 統(tǒng) 一 固 定 安 裝 的 機 械 接 口、 為 各 作 業(yè) 模 塊 統(tǒng) 一 供 電 的 電 源 接 口、 各 作 業(yè) 模 塊 電 氣 信 號 集 成 的 信 號 接 口) 與 移 動 平 臺 相 連 接, 如 圖2 所 示。 1. 機 械 接 口 2. 限 位 卡 鉗 3. 急 停 按 鈕 4. 運 行 指 示 燈 5. 信 號 接 口 6. 電 源 接 口 7. 電 量 表 8. 萬 向 輪 9. 驅 動 輪 10. 骨 架 圖2 溫 室 移 動 底 盤 結 構 示 意 圖 Fig.2 Thestructureofgreenhousemobileplatform 當 相 應 作 業(yè) 模 塊 加 載 至 移 動 平 臺 后, 可 通 過 遙 控 駛 入 溫 室 的 行 間 道 路, 由 光 電 開 關 圓 弧 陣 列 獲 取 移 動 平 臺 相 對 于 路 沿 的 位 姿 信 息 并 反 饋 給PLC 控 制 器; 然 后,PLC 根 據(jù) 所 設 計 的 沿 邊 導 航 程 序 調(diào) 節(jié) 左 右 伺 服 電 機 轉 速, 使 其 能 夠 沿 著 路 沿 行 走, 實 現(xiàn) 自 動 作 業(yè), 如 圖 3 所 示。 圖3 溫 室 移 動 平 臺 工 作 原 理 圖 Fig.3 Theworkingprincipleofgreenhousemobileplatform 2 移 動 平 臺 承 載 結 構 設 計 2.1 移 動 平 臺 輪 系 總 布 置 本 研 究 將 使 用 中 間 兩 驅 動 輪、 前 后 各 兩 萬 向 輪 的 六 輪 式 差 速 結 構, 其 控 制 算 法 簡 單 且 相 對 于 一 般 四 輪 式 差 速 結 構 有 兩 個 優(yōu) 勢: 腳 輪 數(shù) 量 多, 能 夠 承 載 的 載 荷 更 大; 可 以 繞 自 身 中 心 旋 轉, 回 轉 半 徑 最 小( 見 圖4), 靈 活 性 更 高 15 。 (a) 四 輪 式 差 速 結 構 (b) 六 輪 式 差 速 結 構 圖4 回 轉 半 徑 比 較 Fig.4 Thecomparisonofradiusofgyration 受 寬 度 限 制, 直 角 行 星 減 速 器 與 驅 動 電 機 相 連 接 沿 移 動 平 臺 的 縱 向 布 置, 鋰 電 池 和 控 制 系 統(tǒng) 電 器 分 別 布 置 于 兩 端 以 保 證 整 體 載 荷 均 勻, 如 圖5 所 示。 所 設 計 的 移 動 平 臺 長 寬 為1200mm×600mm、 驅 動 輪 輪 距 480mm, 回 轉 半 徑 為671mm。 · 2 8 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 1. 驅 動 電 機 2. 直 角 行 星 減 速 器 3. 萬 向 輪 4. 溫 室 移 動 平 臺 5. 鏈 輪 6. 鏈 條 7. 驅 動 輪 圖5 溫 室 移 動 平 臺 總 布 置 示 意 圖 Fig.5 Layoutdiagramofgreenhousemobileplatform 2.2 萬 向 輪 浮 動 支 撐 結 構 移 動 平 臺 行 走 時 由 于 輪 胎 氣 壓 不 等、 樣 機 制 造 誤 差、 載 荷 差 異 及 路 面 不 平 等 因 素, 很 難 保 證 兩 驅 動 輪 著 地 的 同 時4 個 萬 向 輪 也 同 時 著 地, 勢 必 造 成 其 行 走 穩(wěn) 定 性 不 足。 為 此, 本 研 究 設 計 了 萬 向 輪 浮 動 支 撐 結 構, 以 補 償4 個 萬 向 輪 豎 直 方 向 的 位 移 量, 保 證 車 輪 與 地 面 有 效 地 接 觸。 2.2.1 豎 向 位 移 誤 差 分 析 驅 動 輪 氣 壓 不 等、 制 造 誤 差、 載 荷 差 異 因 素 屬 于 樣 機 內(nèi) 部 原 因, 最 大 負 載 與 空 載 情 況 下 引 起 的 極 限 豎 向 位 移 誤 差 約 為4mm; 路 面 不 平 因 素 而 來 自 外 界, 與 路 面 的 平 整 度 有 關, 實 際 測 得 溫 室 水 泥 路 面 的1.2m 以 內(nèi) 的 最 大 平 整 度 約 為3mm, 則 總 的 豎 向 位 移 誤 差 在 7mm 以 內(nèi)。 2.2.2 浮 動 支 撐 結 構 設 計 溫 室 移 動 平 臺 的4 個 萬 向 輪 分 別 與4 個 彈 性 支 座 使 用 螺 紋 聯(lián) 接( 見 圖6), 再 與 移 動 平 臺 骨 架 底 部 聯(lián) 接。 其 中, 彈 性 支 座 是 一 個 具 有 一 定 剛 度 的 彈 性 阻 尼 元 件, 其 內(nèi) 部 主 要 有 彈 簧、 橡 膠 墊 等 組 成, 載 荷 范 圍45 80kg, 豎 向 剛 度52.3N/m, 豎 直 方 向 最 大 位 移 補 償 約 10mm。 (a) 萬 向 輪 與 彈 性 支 座 聯(lián) 接 (b) 彈 性 支 座 圖6 浮 動 支 撐 結 構 Fig.6 Thefloatingsupportstructure 安 裝 時, 應 保 證 最 大 載 荷 情 況 下 的 兩 驅 動 輪 底 面 與 彈 性 支 座 壓 縮 量 為3mm 時 的 萬 向 輪 底 面 在 同 一 平 面。 2.3 承 載 骨 架 設 計 與 強 度 校 核 移 動 平 臺 需 要 在 多 種 作 業(yè) 工 況 下 工 作, 因 此 骨 架 的 強 度 需 滿 足 不 同 作 業(yè) 模 塊 的 最 大 載 荷。 使 用CAT- IA 建 立 移 動 平 臺 三 維 骨 架 模 型, 并 將 其 導 入NxNas- tran 進 行 四 面 體 網(wǎng) 格 劃 分。 由 于 移 動 平 臺 的 萬 向 輪 是 安 裝 在 柔 性 的 支 座 上, 只 給 予 對 左 右 驅 動 輪 車 架 安 裝 軸 孔 固 定 約 束; 所 設 計 的 作 業(yè) 模 塊 最 大 載 重 在250kg 以 內(nèi), 分 析 時 在 骨 架 上 方 設 置250kg 均 布 載 荷; 驅 動 輪 支 架 材 料 使 用304 不 銹 鋼, 車 架 其 余 部 位 均 采 用 鋁 合 金T6061。 求 解 可 得 到 車 架 的 應 力、 變 形 云 圖, 如 圖7 和 圖8 所 示。 圖7 車 架Vonmises 應 力 云 圖 Fig.7 Vonmisesstressnephogramofframe 圖8 車 架 變 形 云 圖 Fig.8 Deformationnephogramofframe 由 圖7 和 圖8 可 見: 其 骨 架 的 最 大 應 力 為20.13 MPa,骨 架 兩 端 的 最 大 變 形 為0.151mm; 而T6061 鋁 型 材 的 屈 服 極 限 約55MPa,304 不 銹 鋼 的 屈 服 極 限 約 205MPa, 能 夠 滿 足 載 荷 要 求。 3 多 作 業(yè) 控 制 系 統(tǒng) 設 計 3.1 雙 控 制 模 式 由 于 溫 室 道 路 環(huán) 境 比 較 復 雜, 全 自 動 控 制 模 式 的 移 動 平 臺 的 實 現(xiàn) 困 難 大 且 成 本 較 高。 本 研 究 提 出 了 · 3 8 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 少 量 人 工 干 預, 大 部 分 自 動 作 業(yè) 的 遙 控- 自 動 作 業(yè) 雙 控 制 模 式, 即 當 作 業(yè) 模 塊 加 載 至 移 動 平 臺 后, 通 過 手 動 遙 控 駛 入 溫 室 行 間 通 道, 隨 后 通 過 遙 控 器 的“ 一 鍵 作 業(yè)” 功 能( 見 圖9), 即 可 識 別 作 業(yè) 模 塊, 并 執(zhí) 行 相 應 模 塊 的 控 制 程 序, 進 行 沿 邊 自 動 作 業(yè)。 圖9 遙 控 器 示 意 圖 Fig.9 Theremotecontrolschematic 3.2 多 功 能 作 業(yè) 模 塊 接 口 設 計 3.2.1 機 械 接 口 溫 室 移 動 平 臺 所 安 裝 的 作 業(yè) 模 塊 是 針 對 栽 培 槽、 高 架 間 的 植 株 管 理, 無 需 地 面 作 業(yè), 機 械 接 口 設 置 在 移 動 平 臺 上 方, 主 要 實 現(xiàn) 移 動 平 臺 與 各 作 業(yè) 模 塊 之 間 的 安 裝、 切 換 及 相 對 固 定。 通 過 移 動 平 臺 上 凸 起 的 作 業(yè) 模 塊 接 口( 見 圖2) 嵌 入 各 作 業(yè) 模 塊 上 的 統(tǒng) 一 位 置 凹 槽 來 進 行 水 平 方 向 約 束, 再 使 用 移 動 平 臺 兩 端 的 限 位 卡 鉗 對 作 業(yè) 模 塊 進 行 豎 直 方 向 的 約 束。 3.2.2 電 氣 接 口 由 于 各 作 業(yè) 模 塊 控 制 要 求 不 一, 若 針 對 每 種 作 業(yè) 都 在 遙 控 器 上 設 置 對 應 的 控 制 按 鍵, 遙 控 器 所 需 的 按 鍵 數(shù) 量 增 加, 也 增 大 了 農(nóng) 民 按 錯 按 鍵 的 概 率 和 操 作 難 度。 通 過 電 氣 接 口,PLC 可 直 接 識 別 作 業(yè) 模 塊, 無 需 遙 控 器 進 行 其 他 設 置。 電 氣 接 口 包 括 電 源 接 口 與 信 號 接 口。 其 中, 電 源 接 口 為 作 業(yè) 模 塊 電 器 元 件 提 供 電 力; 信 號 接 口 用 于 作 業(yè) 模 塊 的 選 擇 和 信 號 傳 輸, 包 括 判 斷 位 與 信 號 位。 1) 判 斷 位。 判 斷 位 用 于 作 業(yè) 模 塊 的 選 擇, 如 移 動 平 臺 需 加 載 移 栽、 施 藥、 基 質 攤 鋪3 種 作 業(yè) 模 塊( 見 圖 10), 其 對 應 的2#、3# 兩 個 引 腳 狀 態(tài) 分 別 為10、01、11。 控 制 器 根 據(jù) 引 腳 狀 態(tài) 自 動 選 擇 作 業(yè) 模 塊 子 控 制 程 序, 無 需 遙 控 器 進 行 設 置。 當 移 動 平 臺 需 搭 載 更 多 的 作 業(yè) 模 塊, 可 通 過 添 加 判 斷 的 引 腳, 來 識 別 更 多 的 作 業(yè) 模 塊, n 個 引 腳 的 狀 態(tài) 可 識 別2 n 個 作 業(yè) 模 塊。 2) 信 號 位。 信 號 位 用 于 反 饋 信 號 和 控 制 信 號 的 傳 輸。 移 動 平 臺 的 控 制 器 選 擇 相 應 模 塊 的 控 制 程 序 后, 其 接 收 作 業(yè) 模 塊 與 移 動 平 臺 當 前 狀 態(tài) 的 反 饋 信 號, 并 輸 出 控 制 信 號 對 作 業(yè) 模 塊 和 移 動 平 臺 的 執(zhí) 行 元 件 進 行 控 制。 1. 電 源 接 口 2. 信 號 接 口 圖10 電 氣 接 口 示 意 圖 Fig.10 Theelectricalinterfaceschematic 3.3 控 制 電 路 設 計 圖11 為 控 制 系 統(tǒng) 電 氣 原 理 圖。 伺 服 電 機 采 用 位 置 控 制 模 式, 共 陽 極 接 線 法 與PLC 相 連 接, 分 別 通 過 PLC 的Y0、Y1 端 口 輸 出 高 速 脈 沖 對 其 進 行 運 動 控 制; X0、X1 為 模 塊 選 擇 端 口,PLC 通 過X0、X1 兩 端 口 的 高 低 電 平 狀 態(tài) 來 對 識 別 作 業(yè) 模 塊;X2X10, 為 光 電 開 關 狀 態(tài) 的 輸 入 端,PLC 控 制 器 由 光 電 開 關 狀 態(tài) 來 獲 取 溫 室 移 動 平 臺 相 對 于 路 沿 的 位 姿 信 息。 X12X17 為 遙 控 器 的 輸 入, 可 對 溫 室 移 動 平 臺 前 進、 后 退、 左 轉、 右 轉、 停 止 及 作 業(yè) 控 制, 當 按 下 作 業(yè) 按 鍵, 移 動 平 臺 即 可 進 入 相 應 的 作 業(yè) 程 序 對 伺 服 電 機 進 行 調(diào) 控, 進 而 沿 邊 自 動 作 業(yè)。 圖11 控 制 系 統(tǒng) 電 氣 原 理 圖 Fig.11 Theelectricalschematicdiagramofcontrolsystem · 4 8 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 4 基 于 光 電 圓 弧 的 沿 邊 導 航 設 計 4.1 光 電 圓 弧 的 布 置 本 研 究 按 半 徑 R、 總 角 度 的 圓 弧 均 勻 布 置7 個 光 電 開 關 檢 測 點 A 1 A 7 形 成 光 電 圓 弧, 由 光 電 圓 弧 的 狀 態(tài) 反 饋 移 動 平 臺 相 對 于 路 沿 的 位 姿( 光 電 開 關 在 路 沿 兩 側 處 于 不 同 的 狀 態(tài))。 其 中, 光 電 開 關 檢 測 點 A 2 、 A 3 、 A 5 、 A 6 之 間 的 區(qū) 域 為 目 標 區(qū) 域( 見 圖12), 即 當 檢 測 點 A 3 A 5 探 測 到 路 沿 外 側 而 使 光 電 開 關 被 觸 發(fā)、 狀 態(tài) 發(fā) 生 變 化, 其 它 檢 測 點 未 探 測 到 路 沿 時, 路 沿 處 于 目 標 區(qū) 域, 此 時 移 動 該 平 臺 處 于 比 較 理 想 的 沿 邊 行 走 狀 態(tài)。 1. 道 路 邊 沿 2. 目 標 區(qū) 域 3. 移 動 平 臺 圖12 光 電 圓 弧 理 想 目 標 區(qū) 域 示 意 圖 Fig.12 Thetargetareaofphotoelectricarc 溫 室 栽 培 槽、 高 架 等 行 間 的 通 道 路 沿 按 其 形 狀 可 分 為 凸 起 路 沿 和 下 沉 路 沿 兩 種, 針 對 凸 起 路 沿 可 將 光 電 開 關 沿 同 一 水 平 面 布 置, 通 過 調(diào) 節(jié)7 個 光 電 開 關 量 程 來 獲 得 光 電 圓 弧; 針 對 下 沉 路 沿 可 將 光 電 開 關 垂 直 安 裝, 通 過 將7 個 光 電 開 關 在 水 平 面 的 圓 弧 布 置 來 獲 得 光 電 圓 弧, 如 圖13 所 示。 (a) 凸 起 路 沿 (b) 下 沉 路 沿 1. 移 動 平 臺 2. 光 電 開 關 3. 車 輪 圖13 光 電 開 關 的 路 沿 檢 測 示 意 圖 Fig.13 Curbdetectionusingoptoelectronicswitch 4.2 基 于 光 電 圓 弧 的 位 姿 檢 測 原 理 假 設 移 動 平 臺 沿 邊 行 走 過 程 中, 標 號 為 A a A b (1 a b7) 的 光 電 開 關 檢 測 點 探 測 到 路 沿 外 側, 則 被 觸 發(fā) 的 光 電 開 關 數(shù) 量 為 N d = b - a +1 (1) 顯 然, N d =3 時, 移 動 平 臺 與 路 沿 距 離 適 中; 當 N d 增 大, 移 動 平 臺 向 路 沿 靠 近, 反 之 則 遠 離。 同 時, 被 觸 發(fā) 的 光 電 開 關 中 間 序 號 為 N f =( b + a) /2 (2) 顯 然, N f =4 時, 移 動 平 臺 近 似 平 行 于 路 沿; 當 N f 增 大, 表 明 移 動 平 臺 頭 部 偏 離 路 沿, 反 之 則 偏 向 路 沿。 根 據(jù) N d 、 N f 的 閾 值 可 將 移 動 平 臺 的 位 姿 分 為 如 下 幾 個 狀 態(tài), 如 表1 所 示。 表1 移 動 平 臺 位 姿 狀 態(tài) Table1 Thepositionstateofgreenhousemobileplatform 姿 態(tài) 位 置 N d 3 N f 4 G 過 遠 內(nèi) 偏 H 正 位 內(nèi) 偏 I 過 近 內(nèi) 偏 4.3 沿 邊 調(diào) 控 方 法 針 對 表1 所 示 移 動 平 臺9 種 不 同 位 姿 狀 態(tài), 當 路 沿 跨 出 理 想 目 標 帶 時, 采 取 相 應 的 調(diào) 控 軌 跡 模 式。 其 具 體 調(diào) 節(jié) 如 圖14 所 示。 1) 過 遠 外 偏 A、 正 位 外 偏 B、 過 近 內(nèi) 偏 I 狀 態(tài) 下, 控 制 光 電 圓 弧 目 標 帶 的 中 心 點 D 沿 圓 弧 軌 跡 像 路 沿 切 近, 直 至 光 電 圓 弧 進 入 狀 態(tài) E。 2) 過 遠 不 偏 D、 過 近 不 偏 F 狀 態(tài) 下, 分 別 控 制 D 點 由 道 路 內(nèi) 側 沿 航 向 角 為 8 、 6 , 偏 距 e 2 的 圓 弧 軌 跡 向 路 沿 行 走, 直 至 光 電 圓 弧 狀 態(tài) 變 化, 再 按1) 調(diào) 節(jié)。 3) 過 遠 內(nèi) 偏 G、 正 位 內(nèi) 偏 H、 過 近 外 偏 C 狀 態(tài) 下, 先 將 偏 移 到 移 動 平 臺 與 路 沿 平 行 的 過 遠 不 偏 D、 過 近 不 偏 F 狀 態(tài), 再 按2) 進 行 調(diào) 節(jié)。 (a) 狀 態(tài)A、B 調(diào) 控 軌 跡 (b) 狀 態(tài)C 調(diào) 控 軌 跡 · 5 8 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 (c) 狀 態(tài)D 調(diào) 控 軌 跡 (e) 狀 態(tài)F 調(diào) 控 軌 跡 (f) 狀 態(tài)G、H 調(diào) 控 軌 跡 (g) 狀 態(tài)I 調(diào) 控 軌 跡 1. 行 走 軌 跡 2. 路 沿 3. 移 動 平 臺 圖14 不 同 位 姿 調(diào) 控 示 意 圖 Fig.14 Controlingmethodofdifferentpositionandorientation 5 樣 機 與 試 驗 5.1 樣 機 開 發(fā) 樣 機 使 用 兩 組48V20AH 鋰 電 池 供 電, 使 用 無 錫 信 捷XDM-60T10-E/CPLC 作 為 主 控 制 器; 伺 服 電 機 選 用 北 京 飛 利 美60FSM-04030-48 直 流 伺 服 電 機, 配 備FWS400 全 數(shù) 字 伺 服 驅 動 器; 光 電 開 關 使 用 歐 姆 龍 E3Z-D61,NPN 輸 出 型 漫 反 射 式 光 電 開 關, 量 程 100mm; 選 用 萬 虹 中 業(yè) 科 技 公 司 的8 路 遙 控 模 塊。 表 2 為 樣 機 的 主 要 技 術 參 數(shù)。 表2 溫 室 移 動 平 臺 的 主 要 技 術 參 數(shù) Table2 Themaintechnicalparametersofgreenhousemobileplatform 項 目 單 位 參 數(shù) 值 外 形 尺 寸 mm 1200×600×540 整 車 載 重 kg 250 最 高 行 駛 速 度 m/s 1 離 地 高 度 mm 80 電 池 規(guī) 格 48V20Ah 車 體 回 轉 半 徑 mm 671 5.2 試 驗 安 排 5.2.1 樣 機 行 走 性 能 試 驗 1) 直 線 行 走 試 驗。 由 于 車 輪 安 裝 誤 差、 制 作 誤 差、 輪 胎 氣 壓 差 異 等 多 種 因 素, 移 動 平 臺 左 右 車 輪 實 際 速 度 與 理 論 車 速 不 等, 對 后 續(xù) 沿 邊 導 航 不 利, 為 此 進 行 直 線 行 走 試 驗。 試 驗 路 面 選 取 江 蘇 大 學 農(nóng) 業(yè) 裝 備 工 程 實 驗 樓 內(nèi) 水 平 度 良 好 的 水 磨 石 地 面。 使 移 動 平 臺 從 沿 同 一 位 置 出 發(fā), 設 置 初 始 速 度 為0.05m/s 行 駛1m, 用 秒 表 記 錄 所 用 時 間 t 1 , 并 測 得 橫 向 位 移 量 y 1 , 重 復 以 上 步 驟5 次, 可 得 時 間 t 1 t 5 , 橫 向 位 移 量 y 1 y 5 ; 再 將 初 始 速 度 調(diào) 節(jié) 為0.1、0.15m/s 重 復 以 上 試 驗。 表3 直 線 行 走 數(shù) 據(jù) 表 Table3 Thedataoflinearwalking 速 度 /m·s -1 橫 向 位 移 偏 差 y n /mm 平 均 時 間 t /s 0.05 12 6 -4 -5 -6 21.59 0.1 8 11 -9 3 -14 11.12 0.15 -10 -13 -8 15 -7 7.25由 表3 可 發(fā) 現(xiàn): 隨 著 速 度 的 增 加, 移 動 平 臺 的 橫 向 位 移 偏 差 曾 增 大 趨 勢, 但 在0.15m/s 內(nèi) 橫 向 最 大 偏 差 為15mm, 直 線 行 駛 性 能 比 較 良 好。 由3 種 理 論 速 度 下 平 均 時 間 t 可 計 算 出 實 際 速 度 分 別 為0.046、0.089、 0.138m/s, 約 為 理 論 速 度 的92%。 2) 作 業(yè) 模 塊 搭 載 試 驗。 將 所 完 成 的 攤 鋪 模 塊 和 移 栽 模 塊 搭 載 至 本 樣 機( 見 圖15), 使 用 遙 控 器 對 其 進 行 前 進、 后 退、 左 轉、 右 轉、 停 止、 一 鍵 作 業(yè) 控 制, 測 試 表 明: 樣 機 搭 載 各 作 業(yè) 模 塊 后 啟 停 順 利、 行 走 平 穩(wěn)、 車 輪 同 時 著 地, 且 能 夠 順 利 識 別 作 業(yè) 模 塊 并 執(zhí) 行 相 應 的 自 動 作 業(yè) 程 序。 (a) 基 質 攤 鋪 模 塊 (b) 移 栽 模 塊 圖15 作 業(yè) 模 塊 搭 載 示 意 圖 Fig.15 Operationmodulesloadingonthemobileplatform 5.2.2 沿 邊 導 航 為 方 便 試 驗 開 展, 選 取 江 蘇 大 學 農(nóng) 業(yè) 裝 備 工 程 學 院 實 驗 樓 旁 的 水 泥 路 沿, 其 與 上 所 述 溫 室 下 沉 路 沿 特 征 相 同, 路 沿 的 臺 階 高 度 約14cm。 按 =20 °、 R=3291mm 在 移 動 平 臺 沿 邊 一 側 均 · 6 8 · 2018 年9 月 農(nóng) 機 化 研 究 第9 期 勻 布 置7 個 光 電 開 關, 并 在 移 動 平 臺 后 部 中 心 線 位 置 安 裝 一 沙 漏 用 于 記 錄 移 動 平 臺 軌 跡; 移 動 平 臺 初 始 橫 向 位 置 偏 差 為 y=60mm, 姿 態(tài) 偏 差 為 =0 °, 設 置 其 左 右 輪 初 始 速 度 分 別 為0.05、0.1、0.15m/s 進 行 沿 邊 行 走 試 驗, 如 圖16 所 示。 1. 移 動 平 臺 2. 下 沉 路 沿 3. 光 電 開 關 4. 光 電 開 關 圓 弧 5. 光 電 開 關 支 架 6. 沙 漏 7. 車 體 中 心 線 圖16 移 動 平 臺 沿 邊 行 駛 實 驗 示 意 圖 Fig.16 Theexperimentofmobileplatformwalkingalongcurbline 試 驗 結 果 表 明: 隨 著 速 度 增 加, 其 調(diào) 控 的 誤 差 曾 增 大 趨 勢, 但 未 出 現(xiàn) 移 動 平 臺 位 姿 劇 烈 震 蕩、 調(diào) 控 不 穩(wěn) 現(xiàn) 象。 在0.15m/s 的 速 度 內(nèi) 移 動 平 臺 實 際 位 置 與 絕 對 離 理 想 位 置 偏 差 能 夠 保 持 在-35+15mm( 見 表4), 其 偏 差 的 絕 對 值 的 均 值 在16.9mm 以 內(nèi), 基 本 能 夠 滿 足 溫 室 內(nèi) 一 般 作 業(yè) 要 求, 實 現(xiàn) 了 實 時、 低 成 本 導 航。 表4 移 動 平 臺 行 走 軌 跡 誤 差 表 Table4 Thewalkingtrajectoryerrorofmobileplatform 速 度 /m·s -1 位 置 偏 差 y n /mm 均 值 方 差 姿 態(tài) 偏 差 - n /(°) 均 值 方 差 偏 差 范 圍 /mm 0.05 11.3 208 2.64 2.65 -23+10 0.10 13.7 289 2.79 3.47 -28+12 0.15 16.9 406 3.12 4.12 -35+15 6 結 論 1) 基 于 溫 室 內(nèi) 的 行 間 道 路 環(huán) 境、 多 作 業(yè) 工 況 等 要 求 設 計 了 一 中 間 兩 驅 動 輪、 前 后 各 兩 萬 向 輪 的 六 輪 式 差 速 結 構 溫 室 移 動 平 臺, 能 夠 搭 載 并 識 別 多 種 植 株 管 理 作 業(yè) 模 塊, 進 而 選 擇 并 執(zhí) 行 相 應 的 控 制 程 序, 實 現(xiàn) 沿 邊 導 航 作 業(yè)。2) 創(chuàng) 新 地 提 出 了 基 于 光 電 圓 弧 的 位 姿 檢 測 方 法, 并 設 計 了 移 動 平 臺 沿 邊 調(diào) 控 方 法, 實 現(xiàn) 了 實 時、 低 成 本 的 沿 邊 導 航, 具 有 重 要 的 創(chuàng) 新 意 義 和 實 際 價 值。 進 一 步 研 究, 可 對 光 電 圓 弧 進 行 參 數(shù) 優(yōu) 化 以 提 高 沿 邊 導 航 精 度。 3) 研 究 中 只 對 下 沉 路 沿 開 展 了 沿 邊 導 航 實 驗, 對 于 溫 室 普 遍 存 在 的 凸 起 路 沿, 該 方 法 也 同 樣 適 用。 后 續(xù) 研 究 可 在 移 動 平 臺 上 安 裝 運 動 狀 態(tài) 反 饋 傳 感 器, 如 速 度、 加 速 度 等, 形 成 閉 環(huán) 控 制 能 夠 獲 得 更 好 的 沿 邊 效 果。 參 考 文 獻: 1 楊 世 勝, 張 賓, 于 曙 風, 等. 電 磁 誘 導 農(nóng) 用 噴 霧 機 器 人 路 徑 導 航 系 統(tǒng) 的 設 計 與 實 現(xiàn)J. 機 器 人,2007(1):78-81, 87. 2 VanHentenEJ,VanTuijlBAJ,HemmingJ,etal.Field testofanautonomouscucumberpickinrobotJ.Biosystems Engineering,2003,86(3):305-313. 3 王 曉 楠, 伍 萍 輝, 馮 青 春, 等. 番 茄 采 摘 機 器 人 系 統(tǒng) 設 計 與 試 驗J. 農(nóng) 機 化 研 究,2016,38(4):94-98. 4 江 锽. 基 于Kinect 的 溫 室 噴 霧 機 器 人 視 覺 導 航 定 位 系 統(tǒng) 的 研 究D. 北 京: 北 京 林 業(yè) 大 學,2015. 5 葛 君 山. 基 于 單 片 機 和GPS 定 位 的 自 主 導 航 采 摘 機 器 人 設 計J. 農(nóng) 機 化 研 究,2016,38(12):237-241. 6 梁 常 勝. 農(nóng) 業(yè) 機 械 導 航 技 術 發(fā) 展 探 究J. 中 國 農(nóng) 業(yè) 信 息, 2016(20):84. 7 趙 穎, 陳 兵 旗, 王 書 茂 基 于 機 器 視 覺 的 耕 作 機 器 人 行 走 目 標 直 線 檢 測J. 農(nóng) 業(yè) 機 械 學 報,2006,37(4):83-86. 8 宋 瑞 子.GPS/INS 組 合 導 航 系 統(tǒng) 中 誤 差 及 精 度 研 究M. 哈 爾 濱: 哈 爾 濱 工 程 大 學,2002. 9 周 俊, 張 鵬, 宋 百 華. 農(nóng) 業(yè) 機 械 導 航 中 的GPS 定 位 誤 差 分 析 與 建 模J. 農(nóng) 業(yè) 機 械 學 報,2010,41(4):189-192, 198. 10 劉 國 有. 農(nóng) 業(yè) 機 械 導 航 中 的GPS 定 位 誤 差 分 析J. 時 代 農(nóng) 機,2016(1):7-8. 11 王 志 文, 郭 戈. 移</p>
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