丘陵山地作物信息采集全向自平衡裝置的設計與試驗

聶昭成， 羅紅品， 劉威， 李光林

西南大學 工程技術學院，重慶 400715

精準農業是許多發達國家和發展中國家十分關注的方向, 精準農業的實現需要以盡可能完備、 齊全、 精確的農田信息為基礎, 其中包含了土壤、 作物、 微氣象等信息, 信息獲取是精準農業能夠大范圍應用并獲得高經濟收益的基本保障[1]． 光譜[2]信息是農業信息的主要采集內容, 其主要采集方式有無人機[3-5]空中采集和地面人工架設光譜設備采集． 前者存在大量的圖像拼接工作, 不僅增加了數據處理的工作量, 還可能帶有一定的累計誤差, 且價格較昂貴; 后者需要人力架設設備進行數據采集, 人力采集過程中需要隨時移動設備并調整設備高度、 角度等, 費時費力, 采集效率低下． 隨著果園機械化、 智能化水平的發展[6], 具有調平功能的作業平臺[7-8]對于農業生產的意義愈發重要．

國外對自動調平平臺研究起步較早, 技術相對成熟, 已經研發了適用于各種情況的多自由度并聯機構[9-10]． 以斯圖爾特平臺為代表的并聯機構[11]平臺, 有剛度大、 無累計誤差、 動態特性好等優點, 被認為是理想的平臺類型, 但運動耦合程度高、 控制難度大[12]的缺點也使得該平臺的應用受到了限制． 其他具有調平功能的實際產品, 比如澳大利亞Crendon Machiner公司生產的Squirrel系列工作平臺[13]、 英國NP Seymour公司生產的Windegger Picking Platforms[14]工作平臺, 行走部分都采用了輪式結構, 動力源有液壓和純電驅動多種形式, 但只能應用于平整度和通過性較好的果園中． 日韓等國因丘陵地區較多, 更多使用履帶式行走機構和液壓執行元件． 在國內相關研究中, 樊桂菊等[15]研究了拖拉機牽引的懸臂式調平平臺, 非行進狀態調平后最大誤差為1.74°, 呂昊暾等[16]針對調平平臺進行了自動調平前饋PID控制算法的研究, 運動過程中仰角最大誤差為3°． 目前采用的大多是液壓驅動[17-18]的調節方式, 且多數只有俯仰方向的運動, 然后通過二次調平[19]的方式進行調平． 上述裝置的液壓執行機構能耗高、 執行滯后、 超調且自重大、 調平精度差, 僅有俯仰方向調平功能, 需要手動對齊斜坡而不能完全自動調平, 無法滿足丘陵山地復雜工作環境下信息采集設備的需求．

因此, 設計一種可以在丘陵山地復雜工作環境下搭載信息采集設備的全向自動調平平臺, 對于提高丘陵山地作物信息采集效率, 降低設備移動架設的勞動強度有重要意義．

1 調平平臺的結構和工作原理

1.1 總體結構和要求

平臺三維模型如圖1所示, 機械結構主要包含上平臺、 下平臺、 立柱、 兩個直線推桿和其他連接件． 整體而言, 該機構屬于并聯機構, 能有效保證平臺的強度與剛度． 推桿一端通過鉸支座與下平臺鉸接, 另一端通過球鉸與上平臺鉸接, 同一平面的3個連接中心點為直角三角形的3個頂點． 仰角方向推桿支座距中心位置380 mm, 滾角方向為480 mm, 立柱與萬向節總高730 mm．

1.上平臺; 2.球鉸; 3.姿態傳感器; 4.萬向節; 5.支撐立柱; 6.直線推桿; 7.鉸支座; 8.下平臺; 9.控制系統．圖1 自平衡平臺三維模型

根據自平衡平臺的結構可知其運動特性與并聯機構一致, 該平臺是為搭載作物信息采集設備, 實現在丘陵山地地區替代人工架設采集設備而設計的． 下平臺固定在可行走的履帶車底盤, 并隨之移動, 根據丘陵山地的坡度變化進行自動調平, 其設計要求如下:

(1) 平臺額定負載為50 kg;

(2) 調平橫滾、 俯仰兩個方向上的傾斜角度, 正常工作范圍為±15°, 極限工作范圍±18°;

(3) 靜態調平精度小于等于0.3°, 動態調平精度小于等于3°．

1.2 調平工作原理

平臺傾斜角度可分解為仰角與滾角, 由兩個直線推桿進行控制, 當需要進行調平工作時, 由傳感器獲取當前上平臺姿態角度, 單片機判斷計算后發送信號給驅動器, 驅動對應的推桿電機執行運動, 在驅動過程中依據傳感器反饋的姿態信息進行實時調整, 兩個方向相互疊加后可形成各個方向不同角度的傾斜, 最終達到調平位置．

如圖2a所示, 兩條SPR支鏈(S為球副, P為移動副, R為轉動副)與支撐軸分別與上下平臺連接, SPR支鏈的旋轉副軸線互相垂直, 移動副驅動平臺運動, 建立如圖2a的并聯機構運動螺旋系[20]．

圖2 機構構型

根據旋量理論,$ij表示第i個鏈上的第j個運動副對平臺施加的約束螺旋,Li為第i個SPR支鏈的長度,α,β為支鏈與各自坐標系x軸的夾角． 在機構的不同位姿下, 以其中一個SPR支鏈為例, 如圖2b所示, 可得出各運動螺旋系和反螺旋系, 其中支鏈1的運動螺旋為:

(1)

對U1求互易積可得支鏈1的反螺系:

(2)

同理可得:

(3)

對于U鏈(U為萬向副), 其運動螺旋為:

(4)

對U3求互易積得反螺旋有4個:

(5)

(6)

式中,M為機構自由度,n為構件數,g為運動副數,fi為第i個運動副的自由度,μ為過約束數目． 在本文中n=6,g=7,μ=2． 計算可得即M=2, 與螺旋理論分析結果一致． 綜上所述, 上述機構有著2轉動(2R)的工作能力, 其自由度為2．

1.3 推桿行程及控制調整極限角度

運動學上主要通過尋求逆解的方法對并聯機構進行分析, 即已知動平臺位姿, 求解各執行關節變量． 設下平臺中心為坐標系o-xyz的坐標原點,y軸指向支鏈1,x軸指向支鏈2, 坐標系o′-x′y′z′則為上平臺的平臺中心,x′,y′與下平臺指向一致, 支鏈1與上下平臺連接點為A,A′, 支鏈2與上下平臺連接點為B,B′, 如圖2c所示, 則o′-x′y′z′相對于o-xyz的旋轉變換矩陣為:

(7)

其中α,β分別為繞x和y軸轉角, 在本文中分別為滾角和仰角．

從圖2c可看出, SPR支鏈的腿長L1, 即移動副P的長度．

(8)

(9)

(10)

L1_min≈605.99 mmL1_max≈854.39 mmΔL1= 248.40 mm

L2_min≈631.78 mmL2_max≈828.45 mmΔL2= 196.67 mm

即推桿行程至少為248.4 mm, 考慮到行程和負載需求一定的余量, 行程選用300 mm, 計算可得整體極限位姿約為±18°．

2 調平平臺的控制

2.1 控制系統設計

調平平臺的控制系統部分采用單片機控制, 主控芯片為STM32F103VET6, 推桿、 姿態傳感器、 步進電機驅動參數如表1．

表1 各部件參數特性

驅動器與推桿電機同軸安裝, 接收單片機脈沖信號后對步進電機進行驅動, 在步進電機軸尾部加裝徑向磁鐵用于驅動器的板載磁編碼器讀取反饋． 姿態傳感器自身坐標系x軸、y軸分別與上平面仰角、 滾角平行安裝． 自動調平控制原理圖如圖3．

圖3 自動調平控制原理圖

目標控制角度默認為滾角、 仰角都為0°, 當姿態傳感器檢測到上平臺角度與設定角度不一致時, 控制器通過脈沖、 使能和方向3個輸出信號控制相應驅動器工作, 驅動器則驅動直線推桿電機并保證其不丟步與正常情況下不堵轉, 其中脈沖頻率決定電機轉速, 使能決定是否運動, 方向決定電機旋轉方向． 主控芯片開發環境為Keil5, C語言, 在程序編寫時, 啟用MPU6050的DMP特性, 降低主控MCU的計算壓力并在有新數據的時候在INT引腳上產生中斷信號, 其中包含了卡爾曼濾波算法． 控制系統結構如圖4．

圖4 控制系統結構圖

2.2 硬件資源分配、 配置和電機矩頻特性分析

板上外設選用了GPIO、 串口通訊、 IIC通訊和定時器, 其中GPIO用于限位、 啟停按鈕、 驅動器使能、 方向、 LED, 串口通訊用于連接電腦便于監控系統狀態, IIC通訊用于MPU6050與主控芯片的通訊． 定時器為高級定時器TIM8, 使用兩個通道用于脈沖輸出, 其掛載于APB2總線, 時鐘頻率fTIM8_CLK為72 MHz． 預分頻因子TIM_PRESCALER設定為3, 初始計數溢出值為0XFFFF, 向上計數, 不分頻, 重復計數器設置為0, 使用比較輸出模式, 極性為高電平, 互補通道也為高電平, 空閑電平為低電平． 設置快速下計數翻轉值為90, 慢速為360． 翻轉頻率以下式進行參數計算:

(11)

在偏離設定位置角度大于0.2°的情況下, 推桿電機將使用快速模式, 此時步進驅動器接受到的脈沖頻率為100 KHz, 而慢速情況下為25 KHz． 42步進電機閉環典型矩頻特性曲線[22], 以雷賽公司的同類產品為例, 在轉速500 rpm時對應的脈沖頻率在32細分下約為53 KHz, 本文采用的低速運行頻率25 KHz, 約為235 rpm, 經過減速后推桿末端執行速度約為3.5 mm/s, 高速100 KHz, 約為938 rpm, 經過減速后推桿末端執行速度約為14 mm/s, 均處于典型矩頻特性曲線中扭矩較高位置．

2.3 程序設計和調平策略

程序設計是控制系統的核心部分, 對系統有重大影響, 程序主要循環由傳感器與主控的通訊、 兩軸的插補和外部可視化3部分組成． 姿態傳感器將姿態信息傳遞到主控芯片后, 插補程序進行響應, 同時外部LED燈進行周期閃爍表示調平過程的進行． 在系統開始運行時, 程序將會對系統進行初始化, 包括板上外設和傳感器的初始化, 然后在啟動調平功能后開始循環調平, 該程序流程圖如圖5所示．

圖5 程序流程圖

為了保護平臺上的設備, 整體動作過程要求盡量平穩且快速． 本文采取直線插補[23]的方式進行調平, 在調平過程使用逐點比較法, 使整個過程按照一定的步驟向平衡方向靠攏． 直線插補示意圖如圖6所示．

圖6 直線插補示意圖

假設調平過程在第一象限中, 目標點設為g, 以固定的步長1進行移動． 初始偏差為y方向進給步數的負值, 每次進給后若偏差為正, 則減去y軸進給步數, 若偏差為負, 則加上x軸進給步數． 依照此算法, 偏差為正時, 點在直線上方, 偏差為負時, 點在直線下方． 第一步固定為x軸(x,y方向都有進給量時), 即到達a點, 在此時對比期望的運動路徑,a點位于其下方, 進而更換進給軸為y, 到達b點, 循環對每個點與期望路徑的相對位置進行偏差計算, 最終達到平衡位置g．

同理, 當調平過程位于其他象限時, 僅需調整進給方向即可映射到第一象限． 首先判斷插補方向, 方向確定后按照第一象限插補方式進行直線插補, 每次進給后都對比偏差和余步數量, 從而決定是否更換進給軸和是否完成插補．

3 樣機試驗

根據丘陵山地的坡度變化范圍, 平臺滾角和仰角設計調平幅度為±15°． 為減輕整車質量和保證強度, 上下平臺選用800 mm*1 000 mm*15 mm的強化工程塑料制成． 使用兩個維特智能SINDT-TTL傾角儀分別測量上平臺和下平臺的角度數據(全范圍精度為0.1°, 分辨率0.01°, 可同時測量兩軸數據), 自帶上位機軟件采集數據并保存．

3.1 室內試驗

室內試驗方法: 將自平衡平臺下支撐平板固定在實驗平臺上, 首先調整上下平臺平行, 關閉控制調平功能后, 手動將試驗平臺仰角與滾角分別調整為指定角度, 以圓形啞鈴片為重物放置于上平面, 在不同載重質量下進行重復實驗． 同時打開控制系統與測量裝置, 記錄上平臺從設置角度自動調整至平衡所需時間和實際調平角度． 數據記錄如圖7所示．

圖7 靜態測試數據

由圖7可知, 調整時間隨著調整角度的增大而增長． 仰角最大調整自動調平時間為8.94 s, 最大絕對誤差0.2°; 滾角最大調整自動調平時間為8.42 s, 最大絕對誤差0.27°． 當調整角度較小時, 絕對誤差與負載重量關系較弱; 當調整角度較大時, 絕對誤差隨著負載的增大而有增大的趨勢． 已知調平角度與平均調平時間的比值即為調平速度, 可以看出調平速度隨載重的變大有一定程度的降低． 在大載重時, 其調平數據曲線有不同程度的在平衡位置波動, 其主要原因是傳感器的數據波動和執行機構存在裝配間隙．

3.2 室外試驗

室外動態實驗選取西南大學校內的一段坡度在0°～18°變化的地形進行測試, 如圖8所示, 自平衡平臺固定于桑普農機生產的3BD-350型行走平臺(最高速度2.6 km/h, 裝載負荷350 kg, 車體規格20 10*1 160*1 240 mm)的適合位置, 采用兩種測試方法對平臺進行試驗．

圖8 動態測試現場

測試方法一為行進測試, 首先對測試儀器進行水平校準, 然后從起始位置打開數據記錄(采樣頻率50 Hz), 行駛方向為從坡底向坡頂駕駛(速度2 km/h), 越過坡頂后再行駛一段時間后停止記錄數據, 多次測試后進行分析． 測試數據如圖9-10所示．

圖9 滾角測試結果(行進)

圖10 仰角測試結果(行進)

測試方法二為旋轉測試, 首先對測試儀器進行水平校準, 然后在坡角約為8°的位置打開數據記錄(采樣頻率50 Hz)進行原地逆時針旋轉, 旋轉360°后停止數據記錄, 多次測試進行分析． 測試數據如圖11-12所示．

圖11 滾角測試結果(旋轉)

圖12 仰角測試結果(旋轉)

室外試驗的測試數據如表2所示．

表2 測試數據計算

行進過程中滾角最大絕對誤差為2°, 出現于圖9的155 s處, 坡度變化率較大, 由于推桿電機速度的限制, 出現了較大的調平誤差． 這意味著坡度變化過于劇烈的地方, 例如路面較大的溝壑等, 會對調平性能產生較大的不利影響． 仰角的最大絕對誤差為2.77°, 出現在圖10約137 s處, 此時路面滾角出現了較大的瞬間變化, 從而導致調平效果較差． 在旋轉過程中沒有突變的地面情況, 調平沒有明顯的偏離點． 但由于傳感器的波動, 調平平臺在旋轉過程中實際角度會在一個范圍內波動．

試驗過程中, 所設計的平臺具有良好的靜態調平能力, 最大調平誤差小于0.3°, 且可以自由組合以便應對不同方向的傾斜, 在較大負載情況下誤差有變大的趨勢． 在動態調平中, 坡角突變對調平效果有較大影響, 且傳感器波動也會對調平效果造成影響． 本文采用的是卡爾曼濾波和姿態融合算法, 后續將繼續研究濾波算法和坡度變化率對調平的影響, 以獲得更好的調平效果． 同時, 將步進電機等機械部分加強, 提高平臺的負載能力和動態響應能力, 或在每軸的對稱處加裝驅動裝置提高負載能力, 在滿足更高負載要求后, 就可以作為采摘平臺使用, 保證登高采摘人員的安全． 由于步進電機采用脈沖控制, 雖然有閉環保證定位精度, 但是控制較為麻煩, 完全由單片機實現插補計算量較大, 且不利于擴展為多軸控制, 后續將研究使用RS485, CAN等總線控制方式, 擴展該平臺為多軸支撐, 增強其負載能力、 靈活性和擴展性．

4 結論

(1) 使用旋量理論對所提出的構型進行了自由度分析, 機構運動學分析表明其自由度為2, 并通過運動學逆解計算了機構位置和地面角度的關系, 有效地為后續樣機設計和控制提供了理論基礎．

(2) 針對樣機進行了制作和測試, 設計了以STM32F103VET6為主控核心的調平系統, 采用姿態傳感器實時測量角度, 并控制步進電機成功實現全向自動調平, 表明了理論分析的正確性．

(3) 進行了動態和靜態的兩種測試, 實驗數據表明所設計的平臺可以對地面各個方向的起伏進行有效補償． 靜態誤差小于0.3°, 動態誤差小于3°, 在丘陵山地≤15°的坡度環境有較好的自動調平效果, 可以為信息采集設備提供穩定快速的采集搭載平臺．