激光導航設施管理機器人自動控制系統的研究

王艷莉， 曹仁勇， 耿長興

(1.江蘇農林職業技術學院，江蘇句容 212400； 2.蘇州大學，江蘇蘇州 215155)

十二五以來，我國大力發展設施農業和精準農業，促進了傳統農業的產業升級[1-2]。自動導航技術是實現設施農業機械自動化、智能化和信息化的關鍵技術，開發一套操作簡便、導航精度高、經濟適用的大棚管理機械自動導航系統成為設施農業生產中亟待解決的問題[3]。近年來激光導航技術得到廣泛的應用，具有定位精度高、可全時段工作、不受電磁干擾等優點[4]。CMU大學的Hamner、北海道大學的Barawid等采用激光掃描技術，實時采集果樹間的位置信息，利用霍夫變換設計導航路徑，基于PID控制器沿著擬合路徑完成車輛的自動行走，實現設施農業機械的自動導航[5-6]。

本研究以激光掃描儀作為自動導航設備，實時提取溫室大棚植物行間距信息，進行不同環境下設施管理機器人自動導航控制系統的研究。首先在大棚內設立幾處基點，通過激光掃描設備建立掃描直角坐標系，再應用最小二乘法對規劃路徑進行擬合，然后基于PID控制理論設計比例控制器，建立運動學模型，最后通過現場試驗驗證自動導航控制系統的可靠性。

1 管理機器人的導航系統設計

1.1 工作原理

在溫室內均勻布置4臺激光發射器和接收器，激光接收器安裝在管理機機架上，管理機器人在行進中實時檢測激光位置信號，這些信號數據持續傳遞給轉向控制器，反饋信號給計算機。激光接收器的左中右3個區域負責接收信號，當接收器左側收到激光信號時，則管理機向右偏移，此時轉向繼電器接收到左轉的指令，糾正機器偏移直到激光信號處于接收器中間區域；反之，當接收器右側收到激光信號，說明管理機向左偏移，只有當激光信號處于接收器的中間區域，說明此時機具正沿著激光垂直基準面直線行走，無需修改行走狀態[7]。綜上所述可知，激光信號通過發射器、接收器反饋信號進入工控系統，然后由RS232控制繼電器模組輸出開關信號，通過電磁繼電器控制并驅動電動推桿，實現左右轉向控制，按照工況要求實現導航和轉向控制。激光導航直線行走工作原理如圖1所示。

1.2 導航系統總體設計

設施管理機器人由1個擺線針輪減速電機來驅動旋耕刀，2個減速電機分別驅動左右兩端的履帶行走，由田園管理機作為執行機構，采用自主導航系統引導執行機構實現準直行走。導航系統由田園管理機(BAMA 1WG4D)、計算機(戴爾Ins14ZD-3526)、激光掃描儀(Micro-Epsilon MSC710-U)和減速電機(信捷DS2-AS)組成。

激光掃描設備放置在管理機前方，實時接收前方樹行的位置信息，計算機將這些信息數據分析規劃出導航路徑，PID控制器接收計算機的信息指令并控制2個電機轉速，從而實現管理機器人的自主導航。自主導航系統如圖2所示。激光掃描儀安裝在機架正前方，檢測溫室大棚內植株行的位置數據，這些數據信息反饋給PC機，用來生成導航路徑，轉向控制器用來控制管理機的轉向，確保沿著激光信號實現準直線自主行走。

2 導航路徑規劃

2.1 樹行位置信息確定

為了實現設施管理機器人的自主導航，首先要對溫室內樹行進行精確定位，設立幾處基準點，確定樹行與管理機的相對位置。經過激光掃描的圖像分析，凹點處為樹行的位置，根據此特征將樹行的位置信息在直角坐標中體現，從而確定植株的位置信息，根據凹陷點特征進行樹行位置的定位[8]。

將掃描儀的位置設為原點，建立直角坐標系如圖3所示，激光接收器可以在一個掃描周期掃過180°，每個數據的掃描區間是0.5°，一個周期內獲得361個位置信息，根據這些數據可以精確得到管理機的位置信息。R代表掃描區間任一點到掃描設備的長度，λ表示任一點的夾角，依據式(1)[9-10]計算出λi的數值，保存后即可知道大棚內樹行的位置數據。

λi=0.5(i-1)；i=2，…，361。

(1)

2.2 樹行路徑擬合算法

根據前面對樹行信息的精確定位，采用最小二乘法對管理機的導航路徑進行擬合。首先將大棚內植株選取中線為規劃路線，從兩植株行選定接近管理機的3個點，依據式(2)計算出擬合路徑的信息數據。式中，(xLm，yLm)，(xRn，yRn)分別為左右兩行植株的組合點坐標；m，n=1，2，3；k=1，2，…，9。(xk，yk)即為式(2)擬合出的坐標點，從而獲得管理機的擬合路徑，擬合結果如圖4所示。

(2)

根據計算的坐標點(xk，yk)取橫向偏差最小平方和δ=∑(yk-y)2，從直線方程y=ax+b可推導出：

δ=∑(yk-ax-b)2。

(3)

式(3)中對a、b進行求導數計算，得：

(4)

對式(4)求導，得：

(5)

擬合結果如圖4所示。

3 導航控制

在控制系統的應用中，PID控制算法是應用最廣泛的一種算法，PID控制器是根據PID控制原理對整個控制系統進行偏差調節，從而使被控變量的實際值與工藝要求的預定值一致。同時，控制器具有參數易調整、算法簡單、魯棒性強、系統無靜差等優點[9-10]。基于以上特點，本研究的導航控制器是采用PID算法理論實現的，管理機的行走導航控制是應用PLC控制系統進行控制設計，設計出的導航系統流程如圖5所示。

本研究在PID控制理論的基礎上，依據PLC控制系統進行導航設計，假定大棚管理機在行走時發生的偏移量可以忽略，排除土地狀況對導航的影響因素，建立了大棚管理機械的運動學模型(圖6)[11]。S為管理機的目標路徑，θ為管理機航向偏差，L為管理機前后軸的距離，l為管理機前軸中心距離航向點B的距離。依據此管理機的運動模型，推導出管理機的運動學方程式[12]：

(6)

按照管理機器人在大棚內的行走特點和影響因素，當其行走路徑與擬合路徑存在偏差時，可依據式(6)計算出偏差值，通過控制電機轉速來調整偏差值，從而實現對導航車輛的方向控制。本研究取α=kpζp，kp為運動模型比例系數，從而從圖6中可以推出該項的比例控制方程為：

α=k1d+k2sinθ。

(7)

管理機器人在行走過程中的橫向偏差由運動學方程得出，將其作為輸入量，依據式(7)可計算出管理機前輪轉角，即為輸出量。導航的自動控制就是通過電機的不同轉速來實現管理機導航的自動控制，電機轉速是由直流伺服電機將轉速信號發送給電機驅動器來實現控制的。

4 結果與分析

在完成擬合路徑的基礎上，2017年11月設施大棚管理機器人在江蘇農博園內草莓大棚內進行了實機試驗，試驗模擬現場耕作情境，溫室的長度約為50 m，樹行間距為2 m。通過預先試驗，設定式(7)中，k1=2.8，k2=0.7；取L=2.53 m，l=0；采樣周期300 ms；管理機速度0.14 m/s。通過多次試驗最后統計數據見表1。圖7所示為計算出的平均橫向偏差數據變化圖。

表1 橫向偏差統計結果

從表1統計數據可以看出，8次試驗結果的偏差在 -0.08～0.15之間，平均偏差0.037，標準差的平均值為0.024 0。將上述表1數據輸入到Origin軟件中生成橫向平均偏差圖，從圖7可以看出，負向橫向偏差出現在3.5 m之后，隨后正向橫向偏差在8.5 m和12 m處出現峰值，之后峰值慢慢變小直至30 m處接近0。結合表1和圖7進行分析，溫室大棚內的植株種植存在一定的偏差，偏差范圍在-0.10～0.15 m之間，在8.5 m和12 m處植株行間距增大偏離中線，致使規劃的路徑相差較大，橫向偏差達最大，這就說明植株行的整齊度直接影響計算機擬合路徑的準確性。從圖7反映的偏差可以充分說明擬合路徑的偏差與大棚內環境相吻合，本研究所設計的自動導航控制系統具有一定和可靠性和精確度。根據溫室大棚內的耕作要求，圖7的最大誤差0.15 m完全滿足要求，對于設施管理機器人的作業具有廣泛的適用性和可靠性。

5 結論

本研究以設施管理機器人為研究對象，以實現機器人自動導航為目標，采用了激光導航技術，實時采集大棚內的樹行信息數據，應用激光掃描進行精確定位，并應用最小二乘法對導航路徑進行擬合，設計了PID控制器，進行管理機的實地試驗。試驗數據表明，管理機器人在大棚內自動行走30 m，速度0.35 m/s，測得最大偏差為0.20 m。因此，該激光導航控制系統采集位置信息快速、準確，對于設施管理機器人的自動行走適用性強，可靠性高。