溫室自主沿邊導航的移動平臺設計與試驗

居 錦，李萍萍，劉繼展，李 男，彭海軍

(1.江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013；2.南京林業大學 森林資源與環境學院，南京 210037)

0 引言

近年來，我國溫室技術不斷發展，溫室作為設施農業的主體，由于其空間狹小，人工往返作業量大、效率低，因此各類溫室移動作業機器人陸續出現，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機器人的移動基礎。

目前，溫室移動作業機器人大多是根據單一作業機器人配置或開發了相應的移動平臺，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. Van Henten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，但導航精度較低[1-11]。

隨著實際生產發展，對能夠進行多種作業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等人設計了柴油發動機提供動力的四輪獨立轉向平臺，并采用全球定位系統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車，但未對作業機具的裝配及自動作業進行研究[12-14]。

本文針對規范化溫室栽培槽、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 工作環境與設計要求

本研究主要是針對規范化建設的溫室環境，溫室移動平臺在栽培槽、高架間等行間的通道(見圖1)內行進作業。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)其能夠根據作業需求，搭載采摘、施藥、移栽、基質攤鋪等多種植株管理作業模塊，并滿足各作業模塊運動控制要求；

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。

(a) 栽培槽間通道 (b) 高架間通道

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。各作業模塊可通過多功能作業模塊接口(各作業模塊統一固定安裝的機械接口、為各作業模塊統一供電的電源接口、各作業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

當相應作業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根據所設計的沿邊導航程序調節左右伺服電機轉速，使其能夠沿著路沿行走，實現自動作業，如圖3所示。

圖3 溫室移動平臺工作原理圖

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勢：①腳輪數量多，能夠承載的載荷更大；②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

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1 200mm×600mm、驅動輪輪距480mm，回轉半徑為671mm。

1.驅動電機 2.直角行星減速器 3.萬向輪 4.溫室移動平臺

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以內的最大平整度約為3mm，則總的豎向位移誤差在7mm以內。

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接(見圖6)，再與移動平臺骨架底部聯接。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接 (b) 彈性支座

圖6 浮動支撐結構

Fig.6 The floating support structure

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工況下工作，因此骨架的強度需滿足不同作業模塊的最大載荷。使用CATIA建立移動平臺三維骨架模型，并將其導入Nx Nastran進行四面體網格劃分。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；所設計的作業模塊最大載重在250kg 以內，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Von mises應力云圖

圖8 車架變形云圖

由圖7和圖8可見：其骨架的最大應力為20.13MPa,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 多作業控制系統設計

3.1 雙控制模式

由于溫室道路環境比較復雜，全自動控制模式的移動平臺的實現困難大且成本較高。本研究提出了少量人工干預，大部分自動作業的‘遙控-自動作業’雙控制模式，即當作業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”功能(見圖9)，即可識別作業模塊，并執行相應模塊的控制程序，進行沿邊自動作業。

圖9 遙控器示意圖

3.2 多功能作業模塊接口設計

3.2.1 機械接口

溫室移動平臺所安裝的作業模塊是針對栽培槽、高架間的植株管理，無需地面作業，機械接口設置在移動平臺上方，主要實現移動平臺與各作業模塊之間的安裝、切換及相對固定。通過移動平臺上凸起的作業模塊接口(見圖2)嵌入各作業模塊上的統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模塊進行豎直方向的約束。

3.2.2 電氣接口

由于各作業模塊控制要求不一，若針對每種作業都在遙控器上設置對應的控制按鍵，遙控器所需的按鍵數量增加，也增大了農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，電源接口為作業模塊電器元件提供電力；信號接口用于作業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種作業模塊(見圖10)，其對應的2#、3#兩個引腳狀態分別為10、01、11。控制器根據引腳狀態自動選擇作業模塊子控制程序，無需遙控器進行設置。當移動平臺需搭載更多的作業模塊，可通過添加判斷的引腳，來識別更多的作業模塊，n個引腳的狀態可識別2n個作業模塊。

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，其接收作業模塊與移動平臺當前狀態的反饋信號，并輸出控制信號對作業模塊和移動平臺的執行元件進行控制。

1.電源接口 2.信號接口

3.3 控制電路設計

圖11為控制系統電氣原理圖。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來對識別作業模塊；X2～X10，為光電開關狀態的輸入端，PLC控制器由光電開關狀態來獲取溫室移動平臺相對于路沿的位姿信息。X12～X17為遙控器的輸入，可對溫室移動平臺前進、后退、左轉、右轉、停止及作業控制，當按下作業按鍵，移動平臺即可進入相應的作業程序對伺服電機進行調控，進而沿邊自動作業。

圖11 控制系統電氣原理圖

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θ的圓弧均勻布置7個光電開關檢測點A1～A7形成光電圓弧，由光電圓弧的狀態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)。其中，光電開關檢測點A2、A3、A5、A6之間的區域為目標區域(見圖12)，即當檢測點A3～A5探測到路沿外側而使光電開關被觸發、狀態發生變化，其它檢測點未探測到路沿時，路沿處于目標區域，此時移動該平臺處于比較理想的沿邊行走狀態。

1.道路邊沿 2.目標區域 3.移動平臺

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，通過調節7個光電開關量程來獲得光電圓?。会槍ο鲁谅费乜蓪⒐怆婇_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

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Aa～Ab(1≤a≤b≤7)的光電開關檢測點探測到路沿外側，則被觸發的光電開關數量為

Nd=b-a+1

(1)

顯然，Nd=3時，移動平臺與路沿距離適中；當Nd增大，移動平臺向路沿靠近，反之則遠離。

同時，被觸發的光電開關中間序號為

Nf=(b+a)/2

(2)

顯然，Nf=4時，移動平臺近似平行于路沿；當Nf增大，表明移動平臺頭部偏離路沿，反之則偏向路沿。根據Nd、Nf的閾值可將移動平臺的位姿分為如下幾個狀態，如表1所示。

表1 移動平臺位姿狀態

4.3 沿邊調控方法

針對表1所示移動平臺9種不同位姿狀態，當路沿跨出理想目標帶時，采取相應的調控軌跡模式。其具體調節如圖14所示。

1)過遠外偏A、正位外偏B、過近內偏I狀態下，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E。

3)過遠內偏G、正位內偏H、過近外偏C狀態下，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, 再按2)進行調節。

(a) 狀態A、B調控軌跡 (b) 狀態C調控軌跡

(c) 狀態D調控軌跡 (e) 狀態F調控軌跡

(f) 狀態G、H調控軌跡 (g) 狀態I調控軌跡

5 樣機與試驗

5.1 樣機開發

樣機使用兩組48V20AH鋰電池供電，使用無錫信捷XDM-60T10-E/C PLC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；選用萬虹中業科技公司的8路遙控模塊。表2為樣機的主要技術參數。

表2 溫室移動平臺的主要技術參數

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業裝備工程實驗樓內水平度良好的水磨石地面。使移動平臺從沿同一位置出發，設置初始速度為0.05m/s行駛1m，用秒表記錄所用時間t1，并測得橫向位移量y1，重復以上步驟5次，可得時間t1～t5，橫向位移量y1～y5；再將初始速度調節為0.1、0.15m/s重復以上試驗。

表3 直線行走數據表

由表3可發現：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、一鍵作業控制，測試表明：樣機搭載各作業模塊后啟停順利、行走平穩、車輪同時著地，且能夠順利識別作業模塊并執行相應的自動作業程序。

(a) 基質攤鋪模塊 (b) 移栽模塊

5.2.2 沿邊導航

為方便試驗開展，選取江蘇大學農業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θ=20°、R=3 291mm在移動平臺沿邊一側均勻布置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Δy=60mm,姿態偏差為Δγ=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

試驗結果表明：隨著速度增加，其調控的誤差曾增大趨勢，但未出現移動平臺位姿劇烈震蕩、調控不穩現象。在0.15m/s的速度內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,基本能夠滿足溫室內一般作業要求，實現了實時、低成本導航。

表4 移動平臺行走軌跡誤差表

6 結論

1)基于溫室內的行間道路環境、多作業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模塊，進而選擇并執行相應的控制程序，實現沿邊導航作業。

2)創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控方法，實現了實時、低成本的沿邊導航，具有重要的創新意義和實際價值。進一步研究，可對光電圓弧進行參數優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。后續研究可在移動平臺上安裝運動狀態反饋傳感器，如速度、加速度等，形成閉環控制能夠獲得更好的沿邊效果。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0081-EA