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温 室 自 主 沿 边 导 航 的 移 动 平 台 设 计 与 试 验 居 锦 1 , 李 萍 萍 2 , 刘 继 展 1 , 李 男 1 , 彭 海 军 1 (1. 江 苏 大 学 现 代 农 业 装 备 与 技 术 教 育 部 重 点 实 验 室, 江 苏 镇 江 212013; 2. 南 京 林 业 大 学 森 林 资 源 与 环 境 学 院, 南 京 210037) 摘 要: 本 研 究 根 据 规 范 化 建 设 的 温 室 行 间 道 路 环 境 及 多 作 业 工 况 等 要 求, 开 发 了 六 轮 式 差 速 结 构 移 动 平 台。 针 对 移 动 平 台 的 承 载、 转 弯 灵 活 性 等 要 求, 进 行 了 移 动 平 台 承 载 结 构 设 计; 针 对 多 作 业 模 块 换 接 与 操 控 简 单 性 要 求, 设 计 了 多 功 能 作 业 模 块 接 口 及 控 制 电 路。 同 时, 提 出 了 一 种 基 于 光 电 圆 弧 的 沿 边 导 航 方 法, 通 过 侧 向 布 置 的 光 电 圆 弧 来 获 取 温 室 移 动 平 台 相 对 于 路 沿 的 位 姿 信 息, 并 基 于 此 位 姿 信 息 设 计 了 沿 边 控 制 方 法。 最 后, 对 移 动 平 台 进 行 了 直 线 行 走、 作 业 模 块 搭 载 及 沿 边 行 走 试 验, 结 果 表 明: 移 动 平 台 实 际 速 度 约 为 理 论 速 度 的92%, 能 够 顺 利 地 识 别 作 业 模 块, 且 在0.15m/s 速 度 内 沿 边 行 走 的 位 置 偏 差 保 持 在-35+15mm, 能 够 满 足 一 般 温 室 作 业 需 求。 关 键 词: 温 室 移 动 平 台; 模 块 接 口; 光 电 圆 弧; 沿 边 导 航 中 图 分 类 号: S625.3 文 献 标 识 码: A 文 章 编 号:1003-188X(2018)09-0081-07 0 引 言 近 年 来, 我 国 温 室 技 术 不 断 发 展, 温 室 作 为 设 施 农 业 的 主 体, 由 于 其 空 间 狭 小, 人 工 往 返 作 业 量 大、 效 率 低, 因 此 各 类 温 室 移 动 作 业 机 器 人 陆 续 出 现, 如 采 摘 机 器 人、 喷 药 机 器 人、 移 栽 机 器 人 等, 而 移 动 平 台 是 温 室 移 动 作 业 机 器 人 的 移 动 基 础。 目 前, 温 室 移 动 作 业 机 器 人 大 多 是 根 据 单 一 作 业 机 器 人 配 置 或 开 发 了 相 应 的 移 动 平 台, 其 结 构 形 式 和 导 航 方 法 各 异。 例 如, 杨 世 胜 等 人 设 计 的 喷 雾 机 器 人, 配 置 了 四 轮 独 立 驱 动 的 电 磁 引 导 式 移 动 平 台;E.J. VanHenten 等 人 研 制 的 黄 瓜 收 获 机 器 人 和 王 晓 楠 等 人 研 制 的 番 茄 采 摘 机 器 人 配 置 了 沿 着 铁 轨 导 航 的 移 动 平 台, 其 运 动 轨 迹 固 定, 但 灵 活 性 与 通 用 性 不 足; 江 锽 等 人 研 制 的 温 室 喷 雾 机 器 人 配 置 了 三 轮 结 构 的 移 动 平 台, 并 基 于Kinect 视 觉 探 测 路 沿 实 现 了 自 主 行 走, 但 其 算 法 较 复 杂、 实 时 性 较 低; 葛 君 山 设 计 的 采 摘 机 器 人 配 置 了 四 轮 移 动 平 台, 使 用GPS 导 航 方 法, 但 导 收 稿 日 期: 2017-05-15 基 金 项 目: 江 苏 省 农 业 科 技 支 撑 重 点 项 目(BE2014406); 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目(51475212); 江 苏 省 农 业 科 技 自 主 创 新 资 金 项 目(CX(15)1020); 江 苏 省 六 大 人 才 高 峰 项 目(JXQC- 008); 江 苏 高 校 优 势 学 科 建 设 工 程 项 目( PAPD); 江 苏 省 普 通 高 校 研 究 生 实 践 创 新 计 划 项 目(SJLX15 0507) 作 者 简 介: 居 锦(1988-), 男, 江 苏 扬 州 人, 硕 士 研 究 生,(E-mail) jujin19880626163.com。 通 讯 作 者: 刘 继 展(1976-), 男, 河 北 衡 水 人, 研 究 员, 博 士 生 导 师,(E -mail)liujizhan163.com。 航 精 度 较 低 1-11 。 随 着 实 际 生 产 发 展, 对 能 够 进 行 多 种 作 业 的 通 用 自 主 移 动 平 台 开 始 提 出 了 需 求。 例 如, 瓦 赫 宁 根 大 学 的T.Bakkert 等 人 设 计 了 柴 油 发 动 机 提 供 动 力 的 四 轮 独 立 转 向 平 台, 并 采 用 全 球 定 位 系 统 确 定 相 对 路 径 位 置 和 方 向, 其 体 积 较 大, 多 用 于 大 田 等 宽 敞 的 作 业 空 间; 徐 丽 明 等 提 出 了 可 加 装 不 同 机 具 的 温 室 四 轮 多 功 能 作 业 车, 但 未 对 作 业 机 具 的 装 配 及 自 动 作 业 进 行 研 究 12-14 。 本 文 针 对 规 范 化 温 室 栽 培 槽、 高 架 行 间 等 狭 窄 通 道 及 多 种 植 株 管 理 作 业 要 求, 设 计 了 一 款 承 载 强 兼 具 转 向 灵 活 性 的 移 动 平 台, 能 够 方 便 地 搭 载 和 识 别 作 业 模 块, 且 提 出 了 一 种 基 于 光 电 开 关 圆 弧 阵 列 的 沿 边 导 航 方 法。 最 后, 进 行 了 直 线 行 走、 作 业 模 块 搭 载 和 沿 边 行 走 试 验, 获 得 了 良 好 的 效 果。 1 温 室 移 动 平 台 总 体 设 计 1.1 工 作 环 境 与 设 计 要 求 本 研 究 主 要 是 针 对 规 范 化 建 设 的 温 室 环 境, 温 室 移 动 平 台 在 栽 培 槽、 高 架 间 等 行 间 的 通 道( 见 图1) 内 行 进 作 业。 所 设 计 的 温 室 移 动 平 台 应 该 满 足 以 下 需 求: 1) 承 载 结 构 满 足 各 作 业 模 块 的 载 荷 要 求, 且 转 弯 灵 活 性 高, 适 应 温 室 狭 窄 空 间; 2) 其 能 够 根 据 作 业 需 求, 搭 载 采 摘、 施 药、 移 栽、 基 质 摊 铺 等 多 种 植 株 管 理 作 业 模 块, 并 满 足 各 作 业 模 1 8 2018 年9 月 农 机 化 研 究 第9 期 块 运 动 控 制 要 求; 3) 能 够 在 栽 培 槽、 新 型 高 架 栽 培 等 行 间 通 道 自 动 沿 着 路 沿 边 行 走 作 业。 (a) 栽 培 槽 间 通 道 (b) 高 架 间 通 道 图1 温 室 行 间 通 道 Fig.1 Theentercloseingreenhouse 1.2 移 动 平 台 设 计 总 方 案 移 动 平 台 采 用 中 间 两 驱 动 轮、 前 后 各 两 万 向 轮 的 六 轮 式 差 速 结 构, 使 用 锂 电 池 供 电, 通 过 无 线 遥 控 器 模 块 及PLC 控 制 器 对 两 驱 动 电 机 进 行 控 制。 各 作 业 模 块 可 通 过 多 功 能 作 业 模 块 接 口( 各 作 业 模 块 统 一 固 定 安 装 的 机 械 接 口、 为 各 作 业 模 块 统 一 供 电 的 电 源 接 口、 各 作 业 模 块 电 气 信 号 集 成 的 信 号 接 口) 与 移 动 平 台 相 连 接, 如 图2 所 示。 1. 机 械 接 口 2. 限 位 卡 钳 3. 急 停 按 钮 4. 运 行 指 示 灯 5. 信 号 接 口 6. 电 源 接 口 7. 电 量 表 8. 万 向 轮 9. 驱 动 轮 10. 骨 架 图2 温 室 移 动 底 盘 结 构 示 意 图 Fig.2 Thestructureofgreenhousemobileplatform 当 相 应 作 业 模 块 加 载 至 移 动 平 台 后, 可 通 过 遥 控 驶 入 温 室 的 行 间 道 路, 由 光 电 开 关 圆 弧 阵 列 获 取 移 动 平 台 相 对 于 路 沿 的 位 姿 信 息 并 反 馈 给PLC 控 制 器; 然 后,PLC 根 据 所 设 计 的 沿 边 导 航 程 序 调 节 左 右 伺 服 电 机 转 速, 使 其 能 够 沿 着 路 沿 行 走, 实 现 自 动 作 业, 如 图 3 所 示。 图3 温 室 移 动 平 台 工 作 原 理 图 Fig.3 Theworkingprincipleofgreenhousemobileplatform 2 移 动 平 台 承 载 结 构 设 计 2.1 移 动 平 台 轮 系 总 布 置 本 研 究 将 使 用 中 间 两 驱 动 轮、 前 后 各 两 万 向 轮 的 六 轮 式 差 速 结 构, 其 控 制 算 法 简 单 且 相 对 于 一 般 四 轮 式 差 速 结 构 有 两 个 优 势: 脚 轮 数 量 多, 能 够 承 载 的 载 荷 更 大; 可 以 绕 自 身 中 心 旋 转, 回 转 半 径 最 小( 见 图4), 灵 活 性 更 高 15 。 (a) 四 轮 式 差 速 结 构 (b) 六 轮 式 差 速 结 构 图4 回 转 半 径 比 较 Fig.4 Thecomparisonofradiusofgyration 受 宽 度 限 制, 直 角 行 星 减 速 器 与 驱 动 电 机 相 连 接 沿 移 动 平 台 的 纵 向 布 置, 锂 电 池 和 控 制 系 统 电 器 分 别 布 置 于 两 端 以 保 证 整 体 载 荷 均 匀, 如 图5 所 示。 所 设 计 的 移 动 平 台 长 宽 为1200mm600mm、 驱 动 轮 轮 距 480mm, 回 转 半 径 为671mm。 2 8 2018 年9 月 农 机 化 研 究 第9 期 1. 驱 动 电 机 2. 直 角 行 星 减 速 器 3. 万 向 轮 4. 温 室 移 动 平 台 5. 链 轮 6. 链 条 7. 驱 动 轮 图5 温 室 移 动 平 台 总 布 置 示 意 图 Fig.5 Layoutdiagramofgreenhousemobileplatform 2.2 万 向 轮 浮 动 支 撑 结 构 移 动 平 台 行 走 时 由 于 轮 胎 气 压 不 等、 样 机 制 造 误 差、 载 荷 差 异 及 路 面 不 平 等 因 素, 很 难 保 证 两 驱 动 轮 着 地 的 同 时4 个 万 向 轮 也 同 时 着 地, 势 必 造 成 其 行 走 稳 定 性 不 足。 为 此, 本 研 究 设 计 了 万 向 轮 浮 动 支 撑 结 构, 以 补 偿4 个 万 向 轮 竖 直 方 向 的 位 移 量, 保 证 车 轮 与 地 面 有 效 地 接 触。 2.2.1 竖 向 位 移 误 差 分 析 驱 动 轮 气 压 不 等、 制 造 误 差、 载 荷 差 异 因 素 属 于 样 机 内 部 原 因, 最 大 负 载 与 空 载 情 况 下 引 起 的 极 限 竖 向 位 移 误 差 约 为4mm; 路 面 不 平 因 素 而 来 自 外 界, 与 路 面 的 平 整 度 有 关, 实 际 测 得 温 室 水 泥 路 面 的1.2m 以 内 的 最 大 平 整 度 约 为3mm, 则 总 的 竖 向 位 移 误 差 在 7mm 以 内。 2.2.2 浮 动 支 撑 结 构 设 计 温 室 移 动 平 台 的4 个 万 向 轮 分 别 与4 个 弹 性 支 座 使 用 螺 纹 联 接( 见 图6), 再 与 移 动 平 台 骨 架 底 部 联 接。 其 中, 弹 性 支 座 是 一 个 具 有 一 定 刚 度 的 弹 性 阻 尼 元 件, 其 内 部 主 要 有 弹 簧、 橡 胶 垫 等 组 成, 载 荷 范 围45 80kg, 竖 向 刚 度52.3N/m, 竖 直 方 向 最 大 位 移 补 偿 约 10mm。 (a) 万 向 轮 与 弹 性 支 座 联 接 (b) 弹 性 支 座 图6 浮 动 支 撑 结 构 Fig.6 Thefloatingsupportstructure 安 装 时, 应 保 证 最 大 载 荷 情 况 下 的 两 驱 动 轮 底 面 与 弹 性 支 座 压 缩 量 为3mm 时 的 万 向 轮 底 面 在 同 一 平 面。 2.3 承 载 骨 架 设 计 与 强 度 校 核 移 动 平 台 需 要 在 多 种 作 业 工 况 下 工 作, 因 此 骨 架 的 强 度 需 满 足 不 同 作 业 模 块 的 最 大 载 荷。 使 用CAT- IA 建 立 移 动 平 台 三 维 骨 架 模 型, 并 将 其 导 入NxNas- tran 进 行 四 面 体 网 格 划 分。 由 于 移 动 平 台 的 万 向 轮 是 安 装 在 柔 性 的 支 座 上, 只 给 予 对 左 右 驱 动 轮 车 架 安 装 轴 孔 固 定 约 束; 所 设 计 的 作 业 模 块 最 大 载 重 在250kg 以 内, 分 析 时 在 骨 架 上 方 设 置250kg 均 布 载 荷; 驱 动 轮 支 架 材 料 使 用304 不 锈 钢, 车 架 其 余 部 位 均 采 用 铝 合 金T6061。 求 解 可 得 到 车 架 的 应 力、 变 形 云 图, 如 图7 和 图8 所 示。 图7 车 架Vonmises 应 力 云 图 Fig.7 Vonmisesstressnephogramofframe 图8 车 架 变 形 云 图 Fig.8 Deformationnephogramofframe 由 图7 和 图8 可 见: 其 骨 架 的 最 大 应 力 为20.13 MPa,骨 架 两 端 的 最 大 变 形 为0.151mm; 而T6061 铝 型 材 的 屈 服 极 限 约55MPa,304 不 锈 钢 的 屈 服 极 限 约 205MPa, 能 够 满 足 载 荷 要 求。 3 多 作 业 控 制 系 统 设 计 3.1 双 控 制 模 式 由 于 温 室 道 路 环 境 比 较 复 杂, 全 自 动 控 制 模 式 的 移 动 平 台 的 实 现 困 难 大 且 成 本 较 高。 本 研 究 提 出 了 3 8 2018 年9 月 农 机 化 研 究 第9 期 少 量 人 工 干 预, 大 部 分 自 动 作 业 的 遥 控- 自 动 作 业 双 控 制 模 式, 即 当 作 业 模 块 加 载 至 移 动 平 台 后, 通 过 手 动 遥 控 驶 入 温 室 行 间 通 道, 随 后 通 过 遥 控 器 的“ 一 键 作 业” 功 能( 见 图9), 即 可 识 别 作 业 模 块, 并 执 行 相 应 模 块 的 控 制 程 序, 进 行 沿 边 自 动 作 业。 图9 遥 控 器 示 意 图 Fig.9 Theremotecontrolschematic 3.2 多 功 能 作 业 模 块 接 口 设 计 3.2.1 机 械 接 口 温 室 移 动 平 台 所 安 装 的 作 业 模 块 是 针 对 栽 培 槽、 高 架 间 的 植 株 管 理, 无 需 地 面 作 业, 机 械 接 口 设 置 在 移 动 平 台 上 方, 主 要 实 现 移 动 平 台 与 各 作 业 模 块 之 间 的 安 装、 切 换 及 相 对 固 定。 通 过 移 动 平 台 上 凸 起 的 作 业 模 块 接 口( 见 图2) 嵌 入 各 作 业 模 块 上 的 统 一 位 置 凹 槽 来 进 行 水 平 方 向 约 束, 再 使 用 移 动 平 台 两 端 的 限 位 卡 钳 对 作 业 模 块 进 行 竖 直 方 向 的 约 束。 3.2.2 电 气 接 口 由 于 各 作 业 模 块 控 制 要 求 不 一, 若 针 对 每 种 作 业 都 在 遥 控 器 上 设 置 对 应 的 控 制 按 键, 遥 控 器 所 需 的 按 键 数 量 增 加, 也 增 大 了 农 民 按 错 按 键 的 概 率 和 操 作 难 度。 通 过 电 气 接 口,PLC 可 直 接 识 别 作 业 模 块, 无 需 遥 控 器 进 行 其 他 设 置。 电 气 接 口 包 括 电 源 接 口 与 信 号 接 口。 其 中, 电 源 接 口 为 作 业 模 块 电 器 元 件 提 供 电 力; 信 号 接 口 用 于 作 业 模 块 的 选 择 和 信 号 传 输, 包 括 判 断 位 与 信 号 位。 1) 判 断 位。 判 断 位 用 于 作 业 模 块 的 选 择, 如 移 动 平 台 需 加 载 移 栽、 施 药、 基 质 摊 铺3 种 作 业 模 块( 见 图 10), 其 对 应 的2#、3# 两 个 引 脚 状 态 分 别 为10、01、11。 控 制 器 根 据 引 脚 状 态 自 动 选 择 作 业 模 块 子 控 制 程 序, 无 需 遥 控 器 进 行 设 置。 当 移 动 平 台 需 搭 载 更 多 的 作 业 模 块, 可 通 过 添 加 判 断 的 引 脚, 来 识 别 更 多 的 作 业 模 块, n 个 引 脚 的 状 态 可 识 别2 n 个 作 业 模 块。 2) 信 号 位。 信 号 位 用 于 反 馈 信 号 和 控 制 信 号 的 传 输。 移 动 平 台 的 控 制 器 选 择 相 应 模 块 的 控 制 程 序 后, 其 接 收 作 业 模 块 与 移 动 平 台 当 前 状 态 的 反 馈 信 号, 并 输 出 控 制 信 号 对 作 业 模 块 和 移 动 平 台 的 执 行 元 件 进 行 控 制。 1. 电 源 接 口 2. 信 号 接 口 图10 电 气 接 口 示 意 图 Fig.10 Theelectricalinterfaceschematic 3.3 控 制 电 路 设 计 图11 为 控 制 系 统 电 气 原 理 图。 伺 服 电 机 采 用 位 置 控 制 模 式, 共 阳 极 接 线 法 与PLC 相 连 接, 分 别 通 过 PLC 的Y0、Y1 端 口 输 出 高 速 脉 冲 对 其 进 行 运 动 控 制; X0、X1 为 模 块 选 择 端 口,PLC 通 过X0、X1 两 端 口 的 高 低 电 平 状 态 来 对 识 别 作 业 模 块;X2X10, 为 光 电 开 关 状 态 的 输 入 端,PLC 控 制 器 由 光 电 开 关 状 态 来 获 取 温 室 移 动 平 台 相 对 于 路 沿 的 位 姿 信 息。 X12X17 为 遥 控 器 的 输 入, 可 对 温 室 移 动 平 台 前 进、 后 退、 左 转、 右 转、 停 止 及 作 业 控 制, 当 按 下 作 业 按 键, 移 动 平 台 即 可 进 入 相 应 的 作 业 程 序 对 伺 服 电 机 进 行 调 控, 进 而 沿 边 自 动 作 业。 图11 控 制 系 统 电 气 原 理 图 Fig.11 Theelectricalschematicdiagramofcontrolsystem 4 8 2018 年9 月 农 机 化 研 究 第9 期 4 基 于 光 电 圆 弧 的 沿 边 导 航 设 计 4.1 光 电 圆 弧 的 布 置 本 研 究 按 半 径 R、 总 角 度 的 圆 弧 均 匀 布 置7 个 光 电 开 关 检 测 点 A 1 A 7 形 成 光 电 圆 弧, 由 光 电 圆 弧 的 状 态 反 馈 移 动 平 台 相 对 于 路 沿 的 位 姿( 光 电 开 关 在 路 沿 两 侧 处 于 不 同 的 状 态)。 其 中, 光 电 开 关 检 测 点 A 2 、 A 3 、 A 5 、 A 6 之 间 的 区 域 为 目 标 区 域( 见 图12), 即 当 检 测 点 A 3 A 5 探 测 到 路 沿 外 侧 而 使 光 电 开 关 被 触 发、 状 态 发 生 变 化, 其 它 检 测 点 未 探 测 到 路 沿 时, 路 沿 处 于 目 标 区 域, 此 时 移 动 该 平 台 处 于 比 较 理 想 的 沿 边 行 走 状 态。 1. 道 路 边 沿 2. 目 标 区 域 3. 移 动 平 台 图12 光 电 圆 弧 理 想 目 标 区 域 示 意 图 Fig.12 Thetargetareaofphotoelectricarc 温 室 栽 培 槽、 高 架 等 行 间 的 通 道 路 沿 按 其 形 状 可 分 为 凸 起 路 沿 和 下 沉 路 沿 两 种, 针 对 凸 起 路 沿 可 将 光 电 开 关 沿 同 一 水 平 面 布 置, 通 过 调 节7 个 光 电 开 关 量 程 来 获 得 光 电 圆 弧; 针 对 下 沉 路 沿 可 将 光 电 开 关 垂 直 安 装, 通 过 将7 个 光 电 开 关 在 水 平 面 的 圆 弧 布 置 来 获 得 光 电 圆 弧, 如 图13 所 示。 (a) 凸 起 路 沿 (b) 下 沉 路 沿 1. 移 动 平 台 2. 光 电 开 关 3. 车 轮 图13 光 电 开 关 的 路 沿 检 测 示 意 图 Fig.13 Curbdetectionusingoptoelectronicswitch 4.2 基 于 光 电 圆 弧 的 位 姿 检 测 原 理 假 设 移 动 平 台 沿 边 行 走 过 程 中, 标 号 为 A a A b (1 a b7) 的 光 电 开 关 检 测 点 探 测 到 路 沿 外 侧, 则 被 触 发 的 光 电 开 关 数 量 为 N d = b - a +1 (1) 显 然, N d =3 时, 移 动 平 台 与 路 沿 距 离 适 中; 当 N d 增 大, 移 动 平 台 向 路 沿 靠 近, 反 之 则 远 离。 同 时, 被 触 发 的 光 电 开 关 中 间 序 号 为 N f =( b + a) /2 (2) 显 然, N f =4 时, 移 动 平 台 近 似 平 行 于 路 沿; 当 N f 增 大, 表 明 移 动 平 台 头 部 偏 离 路 沿, 反 之 则 偏 向 路 沿。 根 据 N d 、 N f 的 阈 值 可 将 移 动 平 台 的 位 姿 分 为 如 下 几 个 状 态, 如 表1 所 示。 表1 移 动 平 台 位 姿 状 态 Table1 Thepositionstateofgreenhousemobileplatform 姿 态 位 置 N d 3 N f 4 G 过 远 内 偏 H 正 位 内 偏 I 过 近 内 偏 4.3 沿 边 调 控 方 法 针 对 表1 所 示 移 动 平 台9 种 不 同 位 姿 状 态, 当 路 沿 跨 出 理 想 目 标 带 时, 采 取 相 应 的 调 控 轨 迹 模 式。 其 具 体 调 节 如 图14 所 示。 1) 过 远 外 偏 A、 正 位 外 偏 B、 过 近 内 偏 I 状 态 下, 控 制 光 电 圆 弧 目 标 带 的 中 心 点 D 沿 圆 弧 轨 迹 像 路 沿 切 近, 直 至 光 电 圆 弧 进 入 状 态 E。 2) 过 远 不 偏 D、 过 近 不 偏 F 状 态 下, 分 别 控 制 D 点 由 道 路 内 侧 沿 航 向 角 为 8 、 6 , 偏 距 e 2 的 圆 弧 轨 迹 向 路 沿 行 走, 直 至 光 电 圆 弧 状 态 变 化, 再 按1) 调 节。 3) 过 远 内 偏 G、 正 位 内 偏 H、 过 近 外 偏 C 状 态 下, 先 将 偏 移 到 移 动 平 台 与 路 沿 平 行 的 过 远 不 偏 D、 过 近 不 偏 F 状 态, 再 按2) 进 行 调 节。 (a) 状 态A、B 调 控 轨 迹 (b) 状 态C 调 控 轨 迹 5 8 2018 年9 月 农 机 化 研 究 第9 期 (c) 状 态D 调 控 轨 迹 (e) 状 态F 调 控 轨 迹 (f) 状 态G、H 调 控 轨 迹 (g) 状 态I 调 控 轨 迹 1. 行 走 轨 迹 2. 路 沿 3. 移 动 平 台 图14 不 同 位 姿 调 控 示 意 图 Fig.14 Controlingmethodofdifferentpositionandorientation 5 样 机 与 试 验 5.1 样 机 开 发 样 机 使 用 两 组48V20AH 锂 电 池 供 电, 使 用 无 锡 信 捷XDM-60T10-E/CPLC 作 为 主 控 制 器; 伺 服 电 机 选 用 北 京 飞 利 美60FSM-04030-48 直 流 伺 服 电 机, 配 备FWS400 全 数 字 伺 服 驱 动 器; 光 电 开 关 使 用 欧 姆 龙 E3Z-D61,NPN 输 出 型 漫 反 射 式 光 电 开 关, 量 程 100mm; 选 用 万 虹 中 业 科 技 公 司 的8 路 遥 控 模 块。 表 2 为 样 机 的 主 要 技 术 参 数。 表2 温 室 移 动 平 台 的 主 要 技 术 参 数 Table2 Themaintechnicalparametersofgreenhousemobileplatform 项 目 单 位 参 数 值 外 形 尺 寸 mm 1200600540 整 车 载 重 kg 250 最 高 行 驶 速 度 m/s 1 离 地 高 度 mm 80 电 池 规 格 48V20Ah 车 体 回 转 半 径 mm 671 5.2 试 验 安 排 5.2.1 样 机 行 走 性 能 试 验 1) 直 线 行 走 试 验。 由 于 车 轮 安 装 误 差、 制 作 误 差、 轮 胎 气 压 差 异 等 多 种 因 素, 移 动 平 台 左 右 车 轮 实 际 速 度 与 理 论 车 速 不 等, 对 后 续 沿 边 导 航 不 利, 为 此 进 行 直 线 行 走 试 验。 试 验 路 面 选 取 江 苏 大 学 农 业 装 备 工 程 实 验 楼 内 水 平 度 良 好 的 水 磨 石 地 面。 使 移 动 平 台 从 沿 同 一 位 置 出 发, 设 置 初 始 速 度 为0.05m/s 行 驶1m, 用 秒 表 记 录 所 用 时 间 t 1 , 并 测 得 横 向 位 移 量 y 1 , 重 复 以 上 步 骤5 次, 可 得 时 间 t 1 t 5 , 横 向 位 移 量 y 1 y 5 ; 再 将 初 始 速 度 调 节 为0.1、0.15m/s 重 复 以 上 试 验。 表3 直 线 行 走 数 据 表 Table3 Thedataoflinearwalking 速 度 /ms -1 横 向 位 移 偏 差 y n /mm 平 均 时 间 t /s 0.05 12 6 -4 -5 -6 21.59 0.1 8 11 -9 3 -14 11.12 0.15 -10 -13 -8 15 -7 7.25由 表3 可 发 现: 随 着 速 度 的 增 加, 移 动 平 台 的 横 向 位 移 偏 差 曾 增 大 趋 势, 但 在0.15m/s 内 横 向 最 大 偏 差 为15mm, 直 线 行 驶 性 能 比 较 良 好。 由3 种 理 论 速 度 下 平 均 时 间 t 可 计 算 出 实 际 速 度 分 别 为0.046、0.089、 0.138m/s, 约 为 理 论 速 度 的92%。 2) 作 业 模 块 搭 载 试 验。 将 所 完 成 的 摊 铺 模 块 和 移 栽 模 块 搭 载 至 本 样 机( 见 图15), 使 用 遥 控 器 对 其 进 行 前 进、 后 退、 左 转、 右 转、 停 止、 一 键 作 业 控 制, 测 试 表 明: 样 机 搭 载 各 作 业 模 块 后 启 停 顺 利、 行 走 平 稳、 车 轮 同 时 着 地, 且 能 够 顺 利 识 别 作 业 模 块 并 执 行 相 应 的 自 动 作 业 程 序。 (a) 基 质 摊 铺 模 块 (b) 移 栽 模 块 图15 作 业 模 块 搭 载 示 意 图 Fig.15 Operationmodulesloadingonthemobileplatform 5.2.2 沿 边 导 航 为 方 便 试 验 开 展, 选 取 江 苏 大 学 农 业 装 备 工 程 学 院 实 验 楼 旁 的 水 泥 路 沿, 其 与 上 所 述 温 室 下 沉 路 沿 特 征 相 同, 路 沿 的 台 阶 高 度 约14cm。 按 =20 、 R=3291mm 在 移 动 平 台 沿 边 一 侧 均 6 8 2018 年9 月 农 机 化 研 究 第9 期 匀 布 置7 个 光 电 开 关, 并 在 移 动 平 台 后 部 中 心 线 位 置 安 装 一 沙 漏 用 于 记 录 移 动 平 台 轨 迹; 移 动 平 台 初 始 横 向 位 置 偏 差 为 y=60mm, 姿 态 偏 差 为 =0 , 设 置 其 左 右 轮 初 始 速 度 分 别 为0.05、0.1、0.15m/s 进 行 沿 边 行 走 试 验, 如 图16 所 示。 1. 移 动 平 台 2. 下 沉 路 沿 3. 光 电 开 关 4. 光 电 开 关 圆 弧 5. 光 电 开 关 支 架 6. 沙 漏 7. 车 体 中 心 线 图16 移 动 平 台 沿 边 行 驶 实 验 示 意 图 Fig.16 Theexperimentofmobileplatformwalkingalongcurbline 试 验 结 果 表 明: 随 着 速 度 增 加, 其 调 控 的 误 差 曾 增 大 趋 势, 但 未 出 现 移 动 平 台 位 姿 剧 烈 震 荡、 调 控 不 稳 现 象。 在0.15m/s 的 速 度 内 移 动 平 台 实 际 位 置 与 绝 对 离 理 想 位 置 偏 差 能 够 保 持 在-35+15mm( 见 表4), 其 偏 差 的 绝 对 值 的 均 值 在16.9mm 以 内, 基 本 能 够 满 足 温 室 内 一 般 作 业 要 求, 实 现 了 实 时、 低 成 本 导 航。 表4 移 动 平 台 行 走 轨 迹 误 差 表 Table4 Thewalkingtrajectoryerrorofmobileplatform 速 度 /ms -1 位 置 偏 差 y n /mm 均 值 方 差 姿 态 偏 差 - n /() 均 值 方 差 偏 差 范 围 /mm 0.05 11.3 208 2.64 2.65 -23+10 0.10 13.7 289 2.79 3.47 -28+12 0.15 16.9 406 3.12 4.12 -35+15 6 结 论 1) 基 于 温 室 内 的 行 间 道 路 环 境、 多 作 业 工 况 等 要 求 设 计 了 一 中 间 两 驱 动 轮、 前 后 各 两 万 向 轮 的 六 轮 式 差 速 结 构 温 室 移 动 平 台, 能 够 搭 载 并 识 别 多 种 植 株 管 理 作 业 模 块, 进 而 选 择 并 执 行 相 应 的 控 制 程 序, 实 现 沿 边 导 航 作 业。2) 创 新 地 提 出 了 基 于 光 电 圆 弧 的 位 姿 检 测 方 法, 并 设 计 了 移 动 平 台 沿 边 调 控 方 法, 实 现 了 实 时、 低 成 本 的 沿 边 导 航, 具 有 重 要 的 创 新 意 义 和 实 际 价 值。 进 一 步 研 究, 可 对 光 电 圆 弧 进 行 参 数 优 化 以 提 高 沿 边 导 航 精 度。 3) 研 究 中 只 对 下 沉 路 沿 开 展 了 沿 边 导 航 实 验, 对 于 温 室 普 遍 存 在 的 凸 起 路 沿, 该 方 法 也 同 样 适 用。 后 续 研 究 可 在 移 动 平 台 上 安 装 运 动 状 态 反 馈 传 感 器, 如 速 度、 加 速 度 等, 形 成 闭 环 控 制 能 够 获 得 更 好 的 沿 边 效 果。 参 考 文 献: 1 杨 世 胜, 张 宾, 于 曙 风, 等. 电 磁 诱 导 农 用 喷 雾 机 器 人 路 径 导 航 系 统 的 设 计 与 实 现J. 机 器 人,2007(1):78-81, 87. 2 VanHentenEJ,VanTuijlBAJ,HemmingJ,etal.Field testofanautonomouscucumberpickinrobotJ.Biosystems Engineering,2003,86(3):305-313. 3 王 晓 楠, 伍 萍 辉, 冯 青 春, 等. 番 茄 采 摘 机 器 人 系 统 设 计 与 试 验J. 农 机 化 研 究,2016,38(4):94-98. 4 江 锽. 基 于Kinect 的 温 室 喷 雾 机 器 人 视 觉 导 航 定 位 系 统 的 研 究D. 北 京: 北 京 林 业 大 学,2015. 5 葛 君 山. 基 于 单 片 机 和GPS 定 位 的 自 主 导 航 采 摘 机 器 人 设 计J. 农 机 化 研 究,2016,38(12):237-241. 6 梁 常 胜. 农 业 机 械 导 航 技 术 发 展 探 究J. 中 国 农 业 信 息, 2016(20):84. 7 赵 颖, 陈 兵 旗, 王 书 茂 基 于 机 器 视 觉 的 耕 作 机 器 人 行 走 目 标 直 线 检 测J. 农 业 机 械 学 报,2006,37(4):83-86. 8 宋 瑞 子.GPS/INS 组 合 导 航 系 统 中 误 差 及 精 度 研 究M. 哈 尔 滨: 哈 尔 滨 工 程 大 学,2002. 9 周 俊, 张 鹏, 宋 百 华. 农 业 机 械 导 航 中 的GPS 定 位 误 差 分 析 与 建 模J. 农 业 机 械 学 报,2010,41(4):189-192, 198. 10 刘 国 有. 农 业 机 械 导 航 中 的GPS 定 位 误 差 分 析J. 时 代 农 机,2016(1):7-8. 11 王 志 文, 郭 戈. 移
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