農業搬運機器人控制系統設計*

宋 敏，陳志丁，陳志偉

（天津職業技術師范大學，天津300222）

隨著經濟的快速發展，城鎮化建設的不斷推進，越來越多的農民希望能夠從繁雜、重復的生產活動中解放出來。農用機器人的出現順應了時代發展的潮流，能夠極大地緩解農民繁重的勞動。本課題組在追求解放勞動力的同時，采用燃料電池代替普通電池驅動機器人進行工作，減少了環境污染，降低了消耗成本，提高了生產效率。導航定位技術是智能機器人所要解決的核心技術之一，迄今為止其手段主要為圖像、光、聲、電磁等原理方法的運用，根據機器人工作的空間環境、介質性質、行走距離、定位精度、對信號的敏感性等方面要求，確定解決問題的合理方式是其重點[1]。

1 總體方案設計

本設計為農業搬運機器人控制系統，能夠實現目標區域的自主定位以及規避障礙物的功能，適用于多種農業耕作場所。能夠實現對任務目標的路徑優化，提高了耕作的安全性、工作的可靠性以及工作效率。利用超聲波傳感器檢測行駛方向障礙，實現對搬運目標的精準定位。系統總體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

2 燃料電池特點

燃料電池與一般的電池相比具體有如下特點：

1）價格低、效率高、性價比高。燃料電池能夠將燃料的化學能直接轉化為電能，它的燃料-電能轉換效率較高，注意這里不是電化學效率，而是熱能充分利用后轉換為電效率。如果直接使用氫氣，其電能轉換效率超過50%；如果發電設施與燃氣渦輪機并用，則整體效率可超過60%；如果再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過85%。要知道，核電的熱-電轉換效率不到30%，火電的大約在40%，很多熱能都浪費了。

2）燃料電池的電站建設占地面積小，建設周期短，添加速度快，不必像充電電池一樣等待較長時間。

3）燃料電池的電站獨立性較強，各種規模都能建設，十分方便。既適合集中式電站，也能夠作為分布式電站建設，也可以像充電樁一樣在小區、工廠、單位等地方建設。

4）電站的功率調節靈活，只要調節燃料供給量，就可以低負荷運行或者滿負荷運行。

5）燃料的適應面廣泛，能夠適用多種燃料。

6）經濟環保，燃料電池產生的水和二氧化碳可以直接進行排放，不會對環境造成二次污染。

從目前來看，燃料電池集合了眾多的優勢于一身，它已經引起人們的極大關注。由燃料電池構成的發電系統對電力工業都具有極大的吸引力[2]。

3 定位及導航

移動機器人路徑規劃的簡化可視圖環境建模方法，通過綜合考慮環境中障礙物的位置與移動機器人起點和終點的關系，剔除對路徑規劃結果不影響的障礙物，簡化了環境模型的表示，達到了減少移動機器人候選路徑數量的目的，提高了后續的路徑規劃算法的效率[3]。統一采用GPS衛星定位模塊進行定位，并進行SLAM建圖，采用行車圖路徑規劃的方法進行了地圖的轉換，如圖2所示，并找出了所有的可通行路徑。

圖2 行車圖路徑規劃

采用A*算法從所有路徑中分析，找到最優路徑自主導航，如圖3所示。正是由于它本身的重要性，自主定位導航技術在機器人控制系統中有著重要的作用。除了機器人行業，自主導航也廣泛應用在汽車的無人駕駛技術當中。

圖3 A*搜索算法

移動機器人通過內部的傳感器可以確定自己的位置，通過外置的傳感器可以感知周邊的環境，利用地圖能夠在環境中進行自主的移動。GPS定位通過衛星信號能夠確定機器人的所在位置，內置的陀螺儀和編碼器能夠確定機器人的位置和姿態，能夠為機器人導航提供最基本的數據要求。本系統涉及定位裝置主要有超聲波導航定位、GPS定位系統。

3.1 超聲波

隨著傳感器技術的發展，各種測距傳感器都被研究者用在移動機器人上。目前，常用的有電磁雷達、激光雷達、紅外傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器等[4]。超聲波是頻率高于20 kHz一種聲波，波長短于常見聲波，有較好方向性，在所有照明條件下甚至是陽光直射條件下均能完美工作，能可靠探測任何顏色的物體，包括透明物體。超聲波由單片機控制其發生端發出超聲波，當超聲波在傳送過程中遇到障礙物時進行反射，接收端收到超聲波信號。單片機在發出信號控制發送端工作時開始計時，接收到超聲波時停止計時，該時間乘以超聲波的傳送速度就能計算出傳播距離，S=Tv/2，其中T為超聲波發射和接收的時間差；v為超聲波在介質中傳播的波速。

超聲波傳感器具有檢測精度高的特點，可以達到毫米級別，并且檢測范圍廣，價格低，使用場合要求較低，能夠適應大部分的工作場合，被廣泛地應用到移動機器人的導航避障、定位中。由于超聲波檢測時數據量較低，所以采集速度快，可以適用于高速移動的機器人當中。

超聲波傳感器中采用熱敏電阻檢測環境溫度，由于超聲波傳遞速度受溫度的影響較大，通過檢測的溫度結果對超聲波的檢測距離進行數據補償，具有溫度補償的超聲波傳感器能夠適用于絕大部分的場合，而且適應能力較強。超聲波定位原理如圖4所示。超聲波具有很強的方向性,有利于回波檢測識別，使得超聲波測距被廣泛應用,尤其應用于汽車雷達、掃地機器人等各種電子產品，而這些產品逐漸成為人們的生活必需品，同時，人們對這些電子設備的高精度性能提出了更高的要求[5]。采用超聲波傳感器進行避障，采用勢場圖法處理超聲波的數據，如圖5所示，自動加權調整規劃好的路徑，達到自動避障的目的。

圖4 超聲波定位原理圖

3.2 避障系統

圖5 勢場圖法

4 總結

綜上所述，燃料電池驅動農業搬運機器人的研究發展對減少空氣污染、節約有效燃油資源、減少勞動力成本等具有十分重要的意義。同時，燃料電池可以實現機器人自動能源供應，延長機器人工作時間，省去為機器人更換電池的人力。