基于多維感知的玉米大田巡檢平臺設(shè)計與試驗

班 超 董乃希 黃修煉 馬悅琦 姜龍騰 遲瑞娟

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的革新和農(nóng)機作業(yè)能力的升級,全天候智能巡檢移動平臺成為無人智慧農(nóng)業(yè)的重要支撐。玉米是保障國家糧食安全的重要大田作物[1-2],研制適用于玉米大田的智能巡檢平臺有利于解析作物葉面積[3-4]等指數(shù),為作物生長動態(tài)[5]、干旱脅迫[6]和病蟲害[7]等狀態(tài)做出評估,同時有助于提取作物行距和株距,為植保和收獲等環(huán)節(jié)提供導(dǎo)航輔助[8]。靈活的移動底盤和多維度的環(huán)境感知系統(tǒng)是完成巡檢任務(wù)的核心技術(shù),直接影響到巡檢平臺的智能巡檢監(jiān)測能力[9-10]。

KAYACAN等[11]開發(fā)了一種在玉米行間冠下的巡檢平臺,集成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global navigation satellite system,GNSS)、激光雷達(Light detection and ranging,LiDAR)和視覺等系統(tǒng),使平臺自動行駛于玉米行間并采集玉米生長信息。MUELLER-SIM等[12]設(shè)計了一種包含航姿參考系統(tǒng)(Attitude and heading reference system,AHRS)、GNSS、LiDAR和單目相機等傳感器的高粱巡檢平臺,能夠?qū)Υ蠓秶魑镞M行自動表型實現(xiàn)三維重建。ROURE等[13]研制了一種集成GNSS、AHRS、LiDAR、雙目相機和多光譜相機等傳感器的葡萄園巡檢平臺,實現(xiàn)自主導(dǎo)航對作物健康狀態(tài)進行監(jiān)測。

目前,國內(nèi)軌道型巡檢平臺在煤礦[14]、工業(yè)園[15]和變電站[16]等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟,在預(yù)設(shè)導(dǎo)軌和射頻識別標(biāo)簽的基礎(chǔ)上即可較好地完成任務(wù)。大田[17-18]和果園[19]等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域地表不平整且具有土壤保護性的要求,預(yù)設(shè)導(dǎo)軌等傳統(tǒng)方案受到限制[20],而GNSS/INS組合導(dǎo)航方案不能獲取平臺與作物的相對位置信息,容易在巡檢過程中損傷作物。因此,融入點云和圖像信息能夠為巡檢平臺自動駕駛提供導(dǎo)航輔助,同時為大田玉米智慧農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)提供豐富的作物及環(huán)境參數(shù)。

鑒于此,本研究針對玉米大田環(huán)境,圍繞作物生長動態(tài)、干旱脅迫和病蟲害等方面的巡檢需求,設(shè)計一種搭載GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達和工業(yè)相機的移動式玉米大田巡檢平臺,并在田間進行行駛性能試驗和環(huán)境感知試驗。

1 總體方案設(shè)計

玉米大田巡檢平臺由底盤總成和感知系統(tǒng)兩部分組成。為適應(yīng)農(nóng)田環(huán)境的不平整地面,底盤采用基于阿克曼原理的前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動形式。具體地,底盤總成分為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分。根據(jù)感知要求進行傳感器選型、時間同步配置,對信息采集的數(shù)據(jù)通信及處理軟件進行設(shè)計。底盤承載感知系統(tǒng)行駛于玉米大田,實現(xiàn)平臺對玉米田的智能巡檢監(jiān)測。本平臺總體設(shè)計框架如圖1所示。

圖1 巡檢平臺總體設(shè)計方案

2 底盤總成設(shè)計

我國等行距種植玉米的行距一般為50～60 cm,華北地區(qū)實施寬窄行種植技術(shù)的玉米寬行行距為80～90 cm,為避免巡檢平臺在工作過程中對玉米作物造成損傷,底盤寬度應(yīng)小于玉米寬行行距。本次設(shè)計的巡檢平臺面向?qū)捳蟹N植技術(shù)的玉米,因此底盤寬度選為60 cm。巡檢平臺通常以較低速度行駛于不平整的松軟路面,應(yīng)保持良好的轉(zhuǎn)向和直線行駛性能。經(jīng)過對玉米田環(huán)境分析,確定底盤總成按照表1所示的主要參數(shù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 底盤總成設(shè)計參數(shù)

圖2 底盤總成結(jié)構(gòu)圖

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1轉(zhuǎn)向方案與選型

底盤總成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用阿克曼轉(zhuǎn)向原理,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由橡膠前輪、前軸、主銷、梯形臂、轉(zhuǎn)向電機、絲桿滑臺、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向直拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂等組成。轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動絲桿滑臺,帶動轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿、梯形臂,從而使橡膠前輪繞主銷軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向電機選用57HBP80AL4型步進電機,絲桿滑臺能夠在200 mm的有效行程內(nèi)保證0.03 mm的移動精度,保證了轉(zhuǎn)向控制的精度。轉(zhuǎn)向前橋在完成轉(zhuǎn)向任務(wù)時,需要承載平臺重量和車輪與地面作用產(chǎn)生的阻力矩[21]。前橋中的前軸、主銷和梯形臂等結(jié)構(gòu)采用碳素鋼制造,轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向直拉桿采用無縫鋼管加工,各部件均具有良好的結(jié)構(gòu)強度,能夠應(yīng)對不平整農(nóng)田地面造成的顛簸與振動。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2轉(zhuǎn)向電機性能校核

前輪原地繞主銷旋轉(zhuǎn)時受到的阻力矩最大,故選取該工況對轉(zhuǎn)向電機進行校核。前輪轉(zhuǎn)向阻力矩計算式為[22]

(1)

式中Mr——轉(zhuǎn)向阻力矩,N·m

μ——車輪與土壤的靜摩擦因數(shù),取0.7

G——巡檢平臺前橋負荷,N

p——輪胎氣壓,kPa

按照巡檢平臺最大總質(zhì)量80 kg進行計算,假設(shè)質(zhì)量前后均勻分布,橡膠輪胎氣壓充至240 kPa,將數(shù)據(jù)代入公式(1)可得平臺原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mr為7.78 N·m。

絲桿傳動的推力計算式為

(2)

式中Fs——絲桿滑臺輸出推力,N

η——轉(zhuǎn)向電機傳動效率,取0.95

T——轉(zhuǎn)向電機輸出扭矩,N·m

L——絲桿螺距,m

已知轉(zhuǎn)向電機額定扭矩為2 N·m,絲桿螺距0.005 m,代入公式(2)得輸出推力約為2 387.6 N。轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度約為0.14 m,經(jīng)受力分析可知,對主銷處產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為334.3 N·m,遠遠大于阻力矩,滿足使用要求。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1驅(qū)動方案與選型

巡檢平臺驅(qū)動系統(tǒng)采用兩后輪驅(qū)動,考慮到巡檢平臺通常以低速行駛于不平整農(nóng)田地面,驅(qū)動輪選擇無刷有齒外轉(zhuǎn)子輪轂電機,內(nèi)含傳動比為1∶4.4的行星齒輪減速結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)低轉(zhuǎn)速大扭矩輸出,具有不發(fā)熱和運轉(zhuǎn)噪聲小等優(yōu)點,具體參數(shù)如表2所示。

表2 輪轂電機參數(shù)

輪轂電機的轉(zhuǎn)子布置在輪轂內(nèi)部,省略了外部的安裝空間,僅有長度為45 mm的輪軸,分別通過鋼板與鋁型材車身連接,如圖4所示。兩個輪轂電機分布式驅(qū)動,為巡檢平臺提供動力。轉(zhuǎn)彎時,兩側(cè)后輪因轉(zhuǎn)彎半徑不同,需要有不同的轉(zhuǎn)速,因此對兩后輪進行電子差速控制,以提高巡檢平臺穩(wěn)定性和靈活性,同時減輕輪胎磨損。

圖4 驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2輪轂電機性能校核

巡檢平臺通常處于勻速行駛狀態(tài),而且迎風(fēng)面積很小,可以忽略加速阻力和空氣阻力對平臺的影響,故本文僅對滾動阻力和坡度阻力進行分析。巡檢平臺受到的總阻力計算公式為[23]

F=Fp+Fi

(3)

其中

Fp=Wfcosi

(4)

Fi=Wsini

(5)

式中F——巡檢平臺受到的總阻力,N

Fp——巡檢平臺受到的滾動阻力,N

Fi——巡檢平臺受到的坡度阻力,N

W——巡檢平臺總重,N

f——滾動阻力系數(shù)

i——路面坡度角,(°)

巡檢平臺受到的滾動阻力是由輪胎和土壤變形產(chǎn)生的,在松軟玉米田行駛時較大,參考輪式玉米收獲機在工作時的滾動阻力系數(shù),取f=0.1[24]。另外,適合作物種植的耕地坡度角一般不超過10°,將參數(shù)代入公式(3)～(5)可得巡檢平臺受到的總阻力為217.70 N。

所需單個輪轂電機的輸出功率為

(6)

式中Pe——輪轂電機輸出功率,W

Ft——車輪驅(qū)動力,N

v——巡檢平臺行駛速度,m/s

η′——輪轂電機傳動效率,取0.85

設(shè)計巡檢平臺田間工作時移動速度為0.5 m/s,代入公式(6)可得所需電機輸出功率為Pe=64 W<250 W,說明選擇的輪轂電機滿足使用需求。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)硬件主要包括控制器、轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器、輪轂電機驅(qū)動器和遙控手柄模組。控制器是底盤總成的核心,影響巡檢平臺在行駛過程中的穩(wěn)定性。選用搭載ATmega328P芯片的Arduino UNO控制器,其工作電壓5 V,時鐘頻率為16 MHz,包含32 KB Flash和14個數(shù)字I/O引腳,其中有6個引腳可以輸出脈寬調(diào)制(Pulse width modulation,PWM)信號。控制系統(tǒng)硬件及信號框架如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件及信號框架

為精確控制轉(zhuǎn)向電機,采用恒力矩細分型驅(qū)動器,其接收Arduino UNO控制器輸出的方向信號(DIV)和PWM配置的速度信號(PUL),進行功率放大后使轉(zhuǎn)向電機工作。為閉環(huán)控制輪轂電機轉(zhuǎn)速,通過兩個可以輸出霍爾信號的驅(qū)動器分別對兩個輪轂電機進行控制,根據(jù)控制信號使后輪正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或制動。為應(yīng)對巡檢平臺特殊或意外行駛工況,采用2.4 GHz無線傳輸遙控手柄模組對巡檢平臺底盤進行臨時接管控制。模組包括手柄信號接收模塊和遙控手柄兩部分,二者有效傳輸距離可達到15 m。手柄信號接收模塊與Arduino UNO控制器相連,采用SPI協(xié)議傳輸遙控手柄按鍵指令。

2.3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

使用Arduino語言對Arduino UNO控制器進行軟件設(shè)計與開發(fā)。基于ros_lib庫將Arduino UNO控制器部署為ROS節(jié)點,根據(jù)ROS通訊機制和串口通訊協(xié)議,接收上位機路徑規(guī)劃后的運動控制指令,再向轉(zhuǎn)向電機和輪轂電機輸出DIV、PUL信號。對于轉(zhuǎn)向電機,“左轉(zhuǎn)”對應(yīng)DIV信號為低電平,“右轉(zhuǎn)”為高電平,PUL模擬數(shù)值為256;對于輪轂電機,“前進”對應(yīng)DIV信號為高電平,“后退”對應(yīng)DIV信號為低電平,PUL模擬數(shù)值根據(jù)標(biāo)定關(guān)系確定。

絲桿滑臺定位精度和控制器的時鐘精度較高,在標(biāo)定前輪0°位置的基礎(chǔ)上,使用電子量角器測量前輪在設(shè)定旋轉(zhuǎn)時間后的偏轉(zhuǎn)角度,擬合出二者關(guān)系如圖6所示,規(guī)定前輪0°位置向左旋轉(zhuǎn)的角度和時間為負,向右為正。根據(jù)擬合直線的表達式對轉(zhuǎn)向電機進行控制,旋轉(zhuǎn)角度控制精度優(yōu)于1.7°。

圖6 前輪偏轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)時間關(guān)系曲線

通過調(diào)節(jié)PWM占空比改變輪轂電機平均電壓使電機低速轉(zhuǎn)動,在不平整農(nóng)田地面具有較大扭矩。由于農(nóng)田地面環(huán)境復(fù)雜,兩個驅(qū)動輪與地面的附著力差異很大,為了提高底盤直線行駛性能,控制器通過霍爾信號之間的時間間隔計算轉(zhuǎn)速,并分別對兩個驅(qū)動輪使用位置PID算法閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速。僅通過電機廠家提供的參數(shù)無法建立電機在工作過程中的準(zhǔn)確模型,本研究采集輪轂電機實際工作轉(zhuǎn)速,使用Matlab的System Identification工具箱和PID Tuner工具箱整定PID參數(shù),得到如圖7所示的兩個驅(qū)動后輪動態(tài)特性曲線,左輪超調(diào)量為10.1%,右輪超調(diào)量7.6%,且動態(tài)響應(yīng)時間接近。

圖7 驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速動態(tài)響應(yīng)曲線

如果在行駛過程中出現(xiàn)意外工況,可以由遙控手柄接管控制,其軟件流程圖如圖8所示,首先對控制器GPIO引腳和SPI協(xié)議進行初始化,等待并解析無線遙控手柄的按鍵信號,再根據(jù)指令向電機驅(qū)動器輸出控制信號。當(dāng)控制器解析到手柄按下“前”或“后”的按鍵信號時,調(diào)整輪轂電機驅(qū)動器方向信號線的電平狀態(tài),并輸出指定速度對應(yīng)的PUL信號。當(dāng)控制器解析到手柄按下“左”或“右”的按鍵信號時,調(diào)整轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器方向信號的電平狀態(tài),同時輸出PUL信號使轉(zhuǎn)向電機以最大轉(zhuǎn)速工作。若控制器解析到手柄“停止”按鍵后,輸出信號使轉(zhuǎn)向電機和輪轂電機停止工作。

圖8 控制系統(tǒng)軟件流程圖

2.4 側(cè)向穩(wěn)定性評價

為了降低巡檢平臺的質(zhì)心,車載電源、控制器和電機驅(qū)動器等都安裝在底盤底部;采集系統(tǒng)(激光雷達、相機)質(zhì)量較輕,安裝立柱為密度較小的鋁合金材質(zhì),對巡檢平臺質(zhì)心高度影響較小。側(cè)翻臨界角φ是評價整機側(cè)向穩(wěn)定性的重要指標(biāo),巡檢平臺行駛速度低、急轉(zhuǎn)彎工況少,忽略速度和側(cè)向加速度的影響,選取側(cè)翻臨界狀態(tài)進行受力分析,分別對兩側(cè)車輪接地點取矩,得到側(cè)翻臨界角φ的計算公式為[25]

φ=arctan(B/(2H))

(7)

式中B——巡檢平臺輪距,m

H——巡檢平臺質(zhì)心高度,m

根據(jù)三維模型得到巡檢平臺質(zhì)心高度約為0.40 m,輪距為0.50 m,根據(jù)式(7)計算得到側(cè)翻臨界角為32.01°,接近GB 16151.1—2008《農(nóng)業(yè)機械運行安全技術(shù)條件 第1部分:拖拉機》對拖拉機全掛車運輸機組側(cè)翻臨界角大于35°的規(guī)定,一般情況下,巡檢平臺在工作過程中不會發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象,在復(fù)雜崎嶇的環(huán)境工作時,可在底盤增加配重塊以降低整機質(zhì)心。

3 多維感知系統(tǒng)設(shè)計

3.1 傳感器選型

高精度位姿信息是巡檢平臺工作于玉米大田環(huán)境的基礎(chǔ),為應(yīng)對農(nóng)田不平整路面,選用華測CGI610型內(nèi)置高精度微機電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system,MEMS)的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng),支持多模多頻衛(wèi)星定位技術(shù),能夠?qū)崟r、高頻地檢測姿態(tài),包括航向角、俯仰角和橫滾角。監(jiān)測玉米株高、行距和株距等信息需要高精度測距傳感器,采用速騰聚創(chuàng)32線車規(guī)級混合固態(tài)激光雷達RS-LiDAR-32發(fā)射的激光獲取周圍物體距離信息,點云測距精度優(yōu)于3 cm。通常利用機器視覺技術(shù)識別作物干旱脅迫和病蟲害,本文使用支持外部硬件觸發(fā)的Basler acA1920-40gc工業(yè)相機配合Computar V0826-MPZ鏡頭采集二維彩色圖像。各傳感器工作性能穩(wěn)定,能夠應(yīng)對大田環(huán)境中沙塵、花粉和飛蟲等自然因素的干擾,主要參數(shù)如表3所示。

3.2 時間同步方案

各傳感器時間同步是非常重要的,如果每個傳感器按照自身內(nèi)部時鐘源進行工作,采集到的異構(gòu)數(shù)據(jù)之間存在較大時間偏差,不利于多維數(shù)據(jù)融合感知。雖然在啟動時對各傳感器同時進行初始化能夠在一定程度上對齊時間戳,但是由于各自時鐘源存在鐘漂,會導(dǎo)致時間戳隨著運行時間的增長而發(fā)生相互偏離[26]。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)按照地面監(jiān)控系統(tǒng)維護的高精度原子鐘時間進行工作,具有很高的時間精度,而且可以通過GPRMC格式報文和秒脈沖信號(Pulse per second,PPS)為其他設(shè)備進行授時。設(shè)置CGI610的PPS脈寬為20 ms,GPRMC串口波特率為9 600 b/s,且在PPS上升沿500 ms內(nèi)完成,符合RS-LiDAR-32激光雷達外部授時要求,其原理如圖9所示。同時,將PPS信號接入一個單獨用來觸發(fā)相機拍攝圖像的Arduino UNO相機觸發(fā)器。相機觸發(fā)器在接收到PPS信號后向相機I/O口輸出10 Hz方波信號,實現(xiàn)相機外部硬觸發(fā)拍照。

圖9 時間同步原理示意圖

3.3 感知系統(tǒng)信息采集

3.3.1數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)

上位機、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達、工業(yè)相機及觸發(fā)器構(gòu)成感知系統(tǒng),數(shù)據(jù)內(nèi)容和通信結(jié)構(gòu)如圖10所示。上位機采用便攜式計算機(Intel Core i5-7300處理器、8 GB DDR4內(nèi)存、256 GB固態(tài)硬盤),Ubuntu 20.04系統(tǒng)安裝ROS Noetic,用于采集、處理和存儲傳感器數(shù)據(jù)。受限于Arduino UNO控制器的內(nèi)存空間和計算能力,將組合導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差分后的位置信息和姿態(tài)信息由USB協(xié)議傳輸至上位機,以參與巡檢平臺路徑跟蹤的解算。激光雷達接駁盒接入組合導(dǎo)航系統(tǒng)GRPMC報文和PPS信號,再將激光雷達采集的點云由RJ45接口傳入上位機,傳輸過程采用UDP協(xié)議。工業(yè)相機在10 Hz頻率下拍攝圖像時,需要支持巨型幀的千兆以太網(wǎng)進行傳輸,而選用的上位機僅有一個RJ45接口,所以使用RTL8156外置網(wǎng)卡將一個USB3.0接口轉(zhuǎn)為千兆以太網(wǎng)接口RJ45,以接收數(shù)據(jù)。

圖10 數(shù)據(jù)通信示意圖

3.3.2信息采集軟件

使用C++編程語言編寫各傳感器的ROS功能包,并分別對應(yīng)一個任務(wù)執(zhí)行節(jié)點,由節(jié)點控制中心進行維護,以便于對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理。根據(jù)CGI610輸出的報文格式進行字段分割,解析數(shù)據(jù)中的位置和姿態(tài)信息,并分別寫入符合ROS格式的話題中。對于RS-LiDAR-32,根據(jù)驅(qū)動內(nèi)核rs_driver將原始點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為包含三維坐標(biāo)、反射強度、掃描線序號和時間戳的XYZIRT格式,并調(diào)用點云庫PCL的接口將點云轉(zhuǎn)換為ROS消息類型。對于Basler acA1920-40gc,以pylon二次開發(fā)組件為基礎(chǔ),基于OpenCV庫將獲取的圖像轉(zhuǎn)為ROS格式并發(fā)布。各傳感器節(jié)點對應(yīng)的話題名稱及消息類型如表4所示。

表4 各傳感器話題信息

4 田間試驗

將上位機、組合導(dǎo)航系統(tǒng)接收機、4G天線、定位天線、定向天線、激光雷達和工業(yè)相機等設(shè)備安裝于巡檢平臺底盤總成,巡檢平臺整備狀態(tài)如圖11所示。

圖11 巡檢平臺整備狀態(tài)

4.1 底盤行駛性能試驗

4.1.1轉(zhuǎn)向性能試驗

于2022年10月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實驗站(40°08′11″ N,116°10′45″ E)粗平整后的地面進行最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗。分別將巡檢平臺前輪向左、向右轉(zhuǎn)到極限位置后,以速度0.4～0.7 m/s自轉(zhuǎn)一圈,在地面形成輪胎運動軌跡,如圖12所示。測量外側(cè)軌跡中心圓的直徑,可以得到單次運動的最小轉(zhuǎn)彎半徑。

由于松軟土壤會受到車輪影響發(fā)生變形,而且地表不平坦會導(dǎo)致測量誤差,本次試驗重復(fù)5次并記錄試驗結(jié)果如表5所示。求得向左平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 922 mm,右轉(zhuǎn)平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 736 mm,在農(nóng)田環(huán)境中具有較好的轉(zhuǎn)向靈活性。

表5 最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗結(jié)果

4.1.2最大爬坡度試驗

最大爬坡度是巡檢平臺田間通過性和動力性的重要考核指標(biāo),根據(jù)玉米田常見坡度,在農(nóng)田機耕道邊緣堆積10°和15°斜坡進行試驗,試驗現(xiàn)場如圖13所示。

圖13 最大爬坡度試驗現(xiàn)場

試驗過程中,巡檢平臺能夠從坡底的農(nóng)田行駛至機耕道,而且不發(fā)生傾翻現(xiàn)象,表明巡檢平臺最大爬坡度大于26.7%(爬坡角15°),滿足設(shè)計參數(shù)和農(nóng)田行駛要求。

4.1.3行駛速度控制精度試驗

設(shè)定巡檢平臺目標(biāo)行駛速度為0.5 m/s,分別在開環(huán)控制和PID速度閉環(huán)控制模式下行駛,上位機通過串口記錄組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的速度信息。分別截取巡檢平臺在兩種控制模式下前30 s移動速度,變化過程如圖14所示,開環(huán)控制模式下平均移動速度為0.587 m/s,誤差為17.4%;PID速度閉環(huán)控制模式下平均速度為0.523 m/s,誤差為4.6%,表明PID閉環(huán)控制有效提升了底盤速度控制精度。

圖14 兩種控制模式下移動速度變化曲線

4.1.4直線行駛試驗

選取圖15所示農(nóng)田進行直線行駛試驗,以拉直的線纜作為參考直線,取15 m長度并沿直線撒白面粉作為標(biāo)識,在兩端地面插入紅色標(biāo)志旗,同時垂直于參考直線放置鋁型材,作為巡檢平臺直線行駛的起止位置標(biāo)志。巡檢平臺前方固定一個裝有白面粉的塑料瓶,使其在行駛過程中撒落面粉形成運動軌跡。設(shè)定兩個紅旗的位置分別為點A、B,量取距離點A、B各60 cm的兩點A′和B′作為巡檢平臺直線行駛的起止點,直線A′B′為導(dǎo)航線。

圖15 直線行駛試驗場地

使巡檢平臺在PID控制模式下沿導(dǎo)航線行駛后,測量運動軌跡終點到參考直線的橫向偏移量,重復(fù)5次試驗得0.603、0.726、0.652、0.585、0.613 m。結(jié)果顯示,巡檢平臺直線行駛15 m時,平均偏移量為0.636 m,單位距離平均偏移率為4.24 cm/m,偏移率較小。

4.2 感知系統(tǒng)環(huán)境感知試驗

4.2.1傳感器數(shù)據(jù)采集試驗

于2022年10月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實驗站(40°07′57″ N,116°10′40″E)進行感知系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集試驗。啟動感知系統(tǒng)各傳感器ROS功能包后,可以在圖16所示的界面實時顯示環(huán)境感知數(shù)據(jù),包括組合導(dǎo)航系統(tǒng)串口輸出的融合位姿信息(a)、MEMS原始數(shù)據(jù)(b)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)(c)、RVIZ工具調(diào)取的相機圖像(d)和激光雷達點云(e)信息。

圖16 RVIZ可視化界面

4.2.2三維點云建圖試驗

試驗環(huán)境中玉米作物的果實已經(jīng)收獲,植株和葉片干枯,但是依然保持原行距和株距立于玉米田中。根據(jù)A-LOAM算法對玉米田間道路環(huán)境進行建圖,利用數(shù)據(jù)集中前10 s點云數(shù)據(jù)(100幀)的建圖結(jié)果如圖17所示。可以清晰地看出巡檢平臺周圍的玉米植株生長高度(a)及作物行(b),也可以根據(jù)長條狀無點云區(qū)域(c)分辨出機耕道旁的灌溉渠。

圖17 三維點云地圖

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種用于玉米大田的移動巡檢平臺。該平臺以Arduino UNO控制器協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)完成田間運動,搭載了包括上位機、GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達和工業(yè)相機的多維感知系統(tǒng)。

(2)田間行駛性能試驗表明:左轉(zhuǎn)平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 922 mm,右轉(zhuǎn)平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 736 mm,轉(zhuǎn)彎路徑無偏移現(xiàn)象,轉(zhuǎn)向可靠;最大爬坡度大于26.7%,動力性和通過性滿足一般行駛條件;PID控制下平均行駛速度為0.523 m/s,與期望速度0.5 m/s的誤差為4.6%;直線行駛15 m的平均偏移量為0.636 m,單位行駛距離平均偏移率為4.24 cm/m,偏移率較小。

(3)環(huán)境感知試驗表明:感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)采集軟件有效,能夠?qū)⒏鱾鞲衅鲾?shù)據(jù)可視化顯示和保存。根據(jù)100幀激光點云數(shù)據(jù)建立的玉米田三維點云地圖可以較好地反映出玉米植株生長高度、行距、株距和溝渠等環(huán)境特征。