紀(jì)素娟

(鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院，河南 鄭州 450001)

1 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，作為國(guó)家民生的根本產(chǎn)業(yè)——農(nóng)業(yè)，從各方面都在開展著數(shù)字化、智能化建設(shè)，在廣大的平原地帶，采用無人設(shè)備耕種和遙控機(jī)器人耕種已成為農(nóng)業(yè)耕種的新氣象，而對(duì)應(yīng)一些山區(qū)環(huán)境地帶數(shù)字化和智能化的進(jìn)展較為緩慢，其主要原因一是由于山區(qū)環(huán)境多無法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號(hào)的全面覆蓋，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)設(shè)備定位精度無法滿足作業(yè)需求；二是地形大多為梯田形式增加了自動(dòng)化設(shè)備的作業(yè)難度；三是相應(yīng)的作業(yè)設(shè)備自動(dòng)化程度較低。為了更好的在山區(qū)等復(fù)雜環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能化耕作設(shè)備使用，急需一種全新定位導(dǎo)航的方法來解決機(jī)器人的精準(zhǔn)定位問題。針對(duì)上述情況，本文提出一種結(jié)合慣導(dǎo)的超寬帶定位方法，配合履帶傳動(dòng)機(jī)制，完美實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)器人在多種復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)，滿足了農(nóng)業(yè)智能化、數(shù)字化快速發(fā)展的需求。

2 超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

山區(qū)、丘陵等環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)一般較差或者無法獲得，無法通過衛(wèi)星信號(hào)定位，采用本文提出了智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人新的定位方法——基于慣性導(dǎo)航的超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)，在機(jī)器人作業(yè)的區(qū)域提前架設(shè)基站，通過對(duì)定位標(biāo)簽的高精度定位，定位精度達(dá)到10厘米，其精度能完全滿足機(jī)器人作業(yè)的精度需求。

超寬帶高精度實(shí)時(shí)定位技術(shù)是一種無載波、高精度、高可靠性的定位技術(shù)，利用納秒至微微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。有人稱它為無線電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)展，認(rèn)為它將成為未來短距離無線通信的主流技術(shù)。超寬帶技術(shù)通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號(hào)，UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、功耗極小等諸多優(yōu)勢(shì)。采用UWB進(jìn)行設(shè)備之間的通信，利用其亞納秒級(jí)的脈沖信號(hào)測(cè)量距離可以達(dá)到厘米級(jí)精度。

超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)組成包括：定位基站、定位標(biāo)簽、定位引擎和中心服務(wù)器。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的頭部安裝超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)標(biāo)簽，可以使機(jī)器人在制定作業(yè)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)的精準(zhǔn)作業(yè)。

超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)是一款基于脈沖超寬帶(IR-UWB)技術(shù)，為有效解決室內(nèi)、礦井、隧道等衛(wèi)星信號(hào)無法覆蓋區(qū)域的定位，而開發(fā)的高精度實(shí)時(shí)定位產(chǎn)品。超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)基于802.15.4a技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，兼容820.15.4.2011標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)發(fā)射的功率譜密度不大于-41.3dBm/MHz，選用帶寬為500MHz的信道，發(fā)射功率僅40μW，輻射極小。納秒級(jí)的窄脈沖具有較高的時(shí)間分辨率，能將直達(dá)信號(hào)和多徑信號(hào)分離，具有較強(qiáng)的抗多徑干擾能力，結(jié)合優(yōu)化的定位算法，保證在室內(nèi)等多徑效應(yīng)顯著的應(yīng)用場(chǎng)合的高精度定位。同時(shí)自組網(wǎng)的無線連接架構(gòu)，使系統(tǒng)部署更簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠。

超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分。定位系統(tǒng)感知層包括定位基站(分為主Master和從Slaver兩種)、定位標(biāo)簽(Tag)；網(wǎng)絡(luò)層為基站向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的通道可以為有線網(wǎng)或無線網(wǎng)；應(yīng)用層主要包括定位引擎和終端軟件，可在PC客戶端和手機(jī)APP上顯示。定位系統(tǒng)通過定位區(qū)域的擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)定位空間無限擴(kuò)展，機(jī)器人安裝定位標(biāo)簽后可以按照實(shí)現(xiàn)預(yù)定的作業(yè)路線在各個(gè)作業(yè)單元進(jìn)行精準(zhǔn)作業(yè)，并可通過定位平臺(tái)軟件，將機(jī)器人真實(shí)地以虛擬動(dòng)態(tài)方式實(shí)時(shí)顯示出來，以供使用者監(jiān)督和查看。

3 超寬帶定位工作原理

超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)，是基于三基站的TDOA(信號(hào)到達(dá)時(shí)間差)定位算法，定位原理如圖1所示。設(shè)有N1、N2和N3共三個(gè)基站參與了定位行動(dòng)，它們與移動(dòng)臺(tái)N之間的距離分別為R1、R2、R3，那么移動(dòng)臺(tái)到基站N1和N2的距離差為R12=R2-R1，由解析幾何中雙曲線的定義可知，移動(dòng)臺(tái)M一定在以N1、N2為焦點(diǎn)，且兩焦點(diǎn)距離差恒為R12的雙曲線上。同理，由基站N2和N3，以及距離差R13=R3-R1，也可以確定一個(gè)雙曲線，移動(dòng)臺(tái)N必定也位于這個(gè)雙曲線上。由此可知，滿足上述要求的點(diǎn)只可能是兩組雙曲線的交點(diǎn)，亦即移動(dòng)臺(tái)N的位置。所以，TDOA定位法又稱為雙曲線定位法。ULocTM定位系統(tǒng)就是根據(jù)雙曲線定位法來確定Tag的位置的。

圖1 TDOA定位實(shí)現(xiàn)原理圖

4 具體實(shí)現(xiàn)

具體實(shí)現(xiàn)可以從四個(gè)方面進(jìn)行。

4.1 地圖的構(gòu)建

首先對(duì)需要進(jìn)行作業(yè)的區(qū)域進(jìn)行地圖構(gòu)建，通過全站儀、激光測(cè)距儀等儀器進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)采集，并通過3DMax等軟件構(gòu)建三維或二維地圖，并將構(gòu)建好的地圖導(dǎo)入到中心服務(wù)器的地圖模塊中。

4.2 感知層的搭建

在所需機(jī)器人工作區(qū)域架設(shè)基站，可以按離地面的相對(duì)高度3.5米左右進(jìn)行架設(shè)，無論是平地還是梯田，為了能保證信號(hào)的全面覆蓋，可將檢測(cè)區(qū)域劃分為若干網(wǎng)格，保證待作業(yè)機(jī)器人在每個(gè)區(qū)域，至少有3個(gè)接收機(jī)接收到UWB標(biāo)簽的發(fā)射信號(hào)，以完成精確定位。定位基準(zhǔn)站布設(shè)如圖2所示：紅色為定位基站的架設(shè)位置。

4.3 結(jié)合慣導(dǎo)實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)作業(yè)

標(biāo)簽安裝在機(jī)器人頭部，便于發(fā)射超寬帶信號(hào)，為了能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)全區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，加入慣導(dǎo)方式，其方法如下：若在t時(shí)刻和t+T1時(shí)刻定位標(biāo)簽均在區(qū)域內(nèi)且信號(hào)正常，則從t+T1時(shí)刻開始記錄每個(gè)T3時(shí)間內(nèi)采集到的加速度的方差和每段時(shí)間的位移，并計(jì)算出每一個(gè)短暫時(shí)刻T1的平均速度記為v，若連續(xù)m個(gè)T3時(shí)間內(nèi)加速度的方差都小于預(yù)設(shè)的方差闊值，則以最近n次采集到的加速度值的平均值作為機(jī)器人自身的平均加速度a，一旦機(jī)器人突然失去信號(hào)或超出定位區(qū)域，則采用機(jī)器人上一時(shí)刻的平均速度v，加上最近測(cè)出的平均加速度a作為機(jī)器人下一階段保持的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，直到信號(hào)恢復(fù)或定位導(dǎo)航結(jié)束。通過以上策略可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在所有待定位導(dǎo)航區(qū)域的無盲區(qū)平滑定位導(dǎo)航。如圖3為機(jī)器人定位實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人定位實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.4 機(jī)器人硬件改良

機(jī)器人從以前的輪式改為履帶式，梯形車身前高后低，采用折疊車身，尺寸為76cm×53cm×30cm，全面展開高度可達(dá)2m；兩側(cè)為履帶驅(qū)動(dòng)，包括光滑履帶、多用途履帶、冰雪用履帶三種；采用柴油大動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，并配有多種前置配套結(jié)構(gòu)，包括挖土、切草、噴藥、采摘等不同前置配件，全面滿足多種農(nóng)業(yè)耕作的需求。

4.5 靈活多樣的客戶端

通過WiFi、GPRS、3G或4G等方式將定位數(shù)據(jù)發(fā)送至終端服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，得到機(jī)器人實(shí)時(shí)位置信息，再加入到地圖當(dāng)中，使其形象的在多種媒體中顯示出來，通過APP軟件，使用者可以遠(yuǎn)距離進(jìn)行查看和功能操作。

通過上述步驟實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)器人在山區(qū)，梯田等環(huán)境下自主作業(yè)，大幅度提高了山區(qū)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的程度。

5 功能描述

智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人內(nèi)設(shè)專家指導(dǎo)系統(tǒng)，根據(jù)外部多種傳感器(溫度、濕度等)，并通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)合實(shí)時(shí)天氣對(duì)多種農(nóng)業(yè)作物進(jìn)行有針對(duì)性作業(yè)，確保快速、高效的、準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)自動(dòng)化作業(yè)，其主要功能如下四點(diǎn)。

5.1 工作區(qū)域和路線的快速指定

在地圖導(dǎo)入后，在需要工作區(qū)域進(jìn)行指定路線，機(jī)器人進(jìn)入工作區(qū)域后，根據(jù)指定的路線、帶作業(yè)的項(xiàng)目以及農(nóng)作物的種類進(jìn)行快速自主工作。

5.2 定時(shí)、定量作業(yè)

機(jī)器人可以在人工設(shè)定時(shí)間的情況下，在規(guī)定時(shí)間進(jìn)行針對(duì)性農(nóng)業(yè)工作，還可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的工作量進(jìn)行定量工作。

5.3 自主充電

機(jī)器人背部裝有接觸式充電裝置，在提前將充電位置坐標(biāo)輸入，配合專用充電器，較為方便的在農(nóng)用拖拉機(jī)或者農(nóng)用充電站上進(jìn)行自主接觸式充電，還可以進(jìn)行人工遙控對(duì)接充電。

5.4 避障機(jī)制

在機(jī)器人的前面、后背以及下部都采用多種避障機(jī)制，下部主要采用紅外避障，前面和后背主要采用超聲波避障，并結(jié)合多種混合算法設(shè)定，使其更加容易的探測(cè)到石塊，大坑等，并及時(shí)通過改變方向、線路避免機(jī)器人損壞。

6 總結(jié)

在農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人上采用結(jié)合慣導(dǎo)的超寬帶定位導(dǎo)航系統(tǒng)，改變了以往山區(qū)中農(nóng)業(yè)智能設(shè)備無法作業(yè)的局面，配合三種履帶式的傳動(dòng)機(jī)制，再使用多種作業(yè)輔助配套裝置，可以使農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人在山區(qū)、梯田等復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行多種作業(yè)，例如播種、施肥、噴藥、采摘等，大幅度提高了復(fù)雜農(nóng)地作業(yè)的工作效率，節(jié)省了大量人力、物力。實(shí)踐證明，采用慣導(dǎo)加超寬帶定位的新型農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人在多種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行農(nóng)業(yè)工作科學(xué)有效，是一種可以大力推廣的新型機(jī)器人定位導(dǎo)航方法。

[1] 童凱翔.超寬帶在無線定位技術(shù)中的應(yīng)用綜述[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào)，2015，01(01)：10-14.

[2] 楊英杰，王曉峰，楊帆.基于UWB的多徑接收算法改進(jìn)與研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，(02)：83-88.