陸空兩棲農業信息采集機器人設計

張呈宇

(重慶財經職業學院,重慶 402160)

0 引言

隨著我國農業機械化水平的提高和信息技術的發展,精準農業成為我們追求的目標。為了達到精準農業的目的,需要充分利用先進的技術對農業信息進行采集、存儲、傳遞等,以供農業工作者對農業信息的查閱和使用。其中,快速采集農業信息是很重要的一個環節,也是精準農業亟待解決的問題之一[1-2]。

農業信息采集一般包括農田地理環境、土壤、水質等與農作物息息相關的信息,種類較多,不確定性較大。目前,國內外有很多機構正在對信息采集的方法進行研究。日本、美國等發達國家采用農用機器人實現對農業信息的采集,且利用風向儀、安裝GPS接收器和聯動懸架機構等手段以適應復雜環境[3]。我國則是通過將傳感器安裝在大型農業設備進行農業信息采集[4],易造成土地板結,且適應性差,信息采集難度較大。因此,可以借鑒國外的經驗,采用質量較輕的機器人進行信息采集,并通過無線網絡與主控計算機連接,實現對機器人的遠程操控。該種機器人質量輕、易操控、動作靈活,不易對土地和農作物造成傷害。

進行農田信息采集時,需要適應不同的地理環境。若采用陸地機器人,則不能全方位、隨時采集環境信息,尤其在遇到較高的障礙物時,行動受限,大大制約了機器人對農田信息的采集。因此,可以采用陸空兩棲機器人進行作業,當遇到難以越過的障礙物時,以飛行的方式進行作業。本文將對陸空兩棲的農業信息采集機器人進行研究。

1 硬件設計

1.1 總體布局

陸空兩棲信息采集機器人主要由外部信息采集系統、內部信息采集系統、運動控制系統、控制器及數據收發系統組成,如圖1所示。機器人的設計需要滿足以下要求：①可以根據地形進行陸空兩棲運動;②可根據實際需要配置多種傳感器進行農業信息采集;③可進行遠程操控。

圖1 陸空兩棲農業信息采集機器人總體設計

1.2 外部信息采集系統

外部信息采集系統主要用于對所需要的農田信息進行采集,配置了測高器、定位系統和攝像頭,并根據需要安裝相關傳感器,包括溫濕度傳感器、光照強度傳感器等。機器人一般在陸地行駛采集信息,測高器隨時監測地勢高度,當遇到障礙物無法越過時,則自動轉換為飛行模式。定位系統用于實施定位機器人的位置坐標,并與采集的農業信息一一匹配;攝像機用于隨時監測周圍環境信息。

1.3 內部信息采集系統

內部信息采集系統包括轉速傳感器和慣性測量單元。其中,轉速傳感器用于檢測驅動電機的轉速,慣性測量單元用于監測機器人的平衡,并將機器人的信息傳遞給數據處理系統,用于對執行機構的控制。

1.4 控制器

控制器由數據處理系統和運動控制系統組成。數據處理系統對獲得的內、外部信息進行處理,包括將各傳感器信息轉換為設備可識別的數字信息,以及機器人要進行的動作,并將處理的信息結果傳遞給數據收發系統,同時向運動控制系統傳遞機器人的動作指令,由執行機構執行下一步動作。

1.5 執行機構

執行機構即為機器人本身,由地面移動機構和飛行機構組成,如圖2所示。

圖2 執行機構總體結構示意圖

地面執行機構為4個全向輪機構,使機器人在陸地可以任意方向行走,也可以原地轉彎,保證了機器人在陸地上的靈活性。配置4個驅動器以提高機器人的動力,同時配置懸架系統和減震系統,以提高機器人在行走時的減震性能。

飛行機構為四懸翼飛行機構,為使機器人的質量較輕,其材料選用碳素材料。飛行機構的配置不僅可以提高機器人的越障能力,還可以在空中進行全方位的信息采集,避免農田信息采集的缺失[5]。

1.6 數據收發系統

數據收發系統是對陸空機器人遠程操控的紐帶,采用無線傳感網絡連接遙控終端和數據處理系統進行農業信息的傳輸。工作人員通過遙控終端,利用顯示器的數據對機器人進行人工操控,也可以在機器人工作之前預設工作路線,機器人自動進行農業信息采集。

2 機器人控制算法

2.1 地面姿態控制

假設機器人所在的坐標系為XaOaYa,所在的慣性坐標系為XbObYb,則對于機器人有

Vby=ωbz·Xitc

其中,V1bx、V2bx分別為機器人的兩個主動輪在慣性坐標系的縱向速度;Vbx、Vby分別為機器人重心位置的縱向和橫向速度;ωbz為偏航角;Xitc為轉彎時中心在XaOa軸的投影。在對機器人運動進行計算時,可將其設定為幾個定值進行計算[6]。由于機器人為2個主動輪和2個從動輪,因此還存在以下關系,即

V1bx=V3bx,V2bx=V4bx,V1by=V3by,V2by=V4by

其中,Vibx、Viby(i=1,2,3,4)分別為機器人的主動輪和從動輪在慣性坐標系的橫向和縱向速度。通過對上式求解可得

V1by=V2by=(a-Xitc)·ωbz

V1by=V2by=(a-Xitc)·ωbz

V3by=V4by=(b+Xitc)·ωbz

2.2 飛行姿態控制

為保證機器人能夠起飛,且在空中完成飛行時要求的動作,首先需要對其推力進行估算。機器人的馬達與扇葉轉動配合使機器人完成飛行動作。機器人受到的推力F為

(CL0+CLα+α)]

其中,n為機器人馬達所配的扇葉數量;T為單個葉片可以提供的推力;K為馬達系數;Ct為馬達扇葉尖端處的長度;CLO為機器人升力為零時的攻角系數;CLα為升力上升的斜率;α為馬達扇葉的攻角。

通過利用采集到的機器人四旋翼的各個角度,對機器人的飛控系統建立數學模型。首先,利用四元數算法將采集到的角度轉換為機器人的實際偏角。機器人繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉角ξ、μ、σ分別為

ξ=arcsin[2(δ0·δ2-δ1·δ3)]

機器人繞X軸、Y軸和Z軸的旋轉角在地坐標系的余弦分別為

通過以上關系式可以計算得出機器人四旋翼的空間坐標系,即

2.3 機器人穩定姿態自調整

為實現機器人姿態的自調整,采用PID控制算法進行調整[7-8]。機器人地面運動的PID控制算法流程圖如圖3所示。

圖3 地面運動PID控制算法流程圖

圖3中,Vset和ωset分別表示設定的機器人的運動狀態;ω1和ω2分別表示控制器測得的電機轉速;Vx、Vy、ωz分別表示由IMU測得機器人的速度和轉速;ω11和ω22分別表示轉速傳感器測得的機器人車輪轉速;Vx1、Vy1和ωz1分別為濾波器測得的機器人的速度和轉速。該模糊PID控制算法包括兩個PID控制模塊和一個參數分配器。

機器人在飛行過程中的姿態控制主要包括角度的控制和高度的控制。角度的控制為串級PID控制算法,由PID控制算法的外環角度控制環和內環角度控制環共同進行飛行姿態角度的控制。飛行姿態角度的滾轉角、偏航角等角度的控制方法近似,以偏航角為例,其控制流程如圖4所示。機器人的飛行高度利用測高計進行測量,并通過PID控制算法進行控制,由此可以完成對機器人的地面和飛行狀態的姿態控制。

(a) 角度控制

3 試驗結果

根據陸空兩棲農業信息采集機器人的性能要求,需要對其進行試驗測試。試驗思路如下：①測試機器人運動模塊是否可以完成陸空兩棲運動;②測試機器人是否可以進行準確的農業信息采集。

3.1 運動模塊測試

將機器人在陸地進行測試,在陸地布置不同尺寸的障礙物,尺寸分別為寬度為1m和2m的正方體。首先使機器人在陸地進行左右前后和原地打轉的動作,再將其按照直線行駛,并在中途設置障礙物,檢驗機器人是否能夠根據障礙物尺寸改變運動狀態。機器人的運動試驗結果如表1所示。

表1 機器人運動試驗結果

由表1可知：該機器人可以完成陸地的直行、轉向運動,當遇到障礙物時可以自動調整運動狀態為飛行模式,并可控制完成需要的各項運動,包括直行和轉向,該運動模塊可以為機器人信息采集提供良好的運動支持。

3.2 信息采集模塊測試

在運動模塊的測試環境下,對路徑上設定的坐標位置的溫度、濕度、高度和光照強度進行測試,并手動對這些坐標位置的農業信息進行測試,對比顯示器的參數和手動采集的結果,驗證機器人的農業信息采集結果的準確性。測試結果表2所示。

表2 機器人信息采集結果

由表2可知：機器人的信息采集結果的誤差很小,均小于2%,可以滿足農業工作人員對于農業信息采集的要求。

4 結論

1)陸空兩棲農業信息采集機器人主要由外部信息采集系統、內部信息采集系統、運動控制系統、控制器及數據收發系統組成。

2)機器人通過地面移動機構完成地面的行走,飛行機構提高越障能力,采用PID控制算法進行陸地和飛行姿態的控制,提高了運動穩定性。

3)試驗結果表明：該機器人可以完成陸地和飛行的控制,且能完成農業信息的全方位采集,滿足農業人員對農業信息采集機器人的性能要求。