倪江楠，朱西方

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

自主導(dǎo)航技術(shù)研究的一個重要方向是避障功能，要想使農(nóng)機作業(yè)有效地自主避開障礙物，首先是要對障礙物的距離、尺寸類型等進行檢測[1-3]。雖然，這項技術(shù)進行了大量的研究，從不同環(huán)境模型到不同類型的傳感器，但是完全實用性的產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)，其技術(shù)也有待于進一步提高[4]。在農(nóng)機自主導(dǎo)航方面，要想實現(xiàn)路徑規(guī)劃和避障功能，必須使農(nóng)機本身攜帶的傳感器具有障礙物信息識別功能[5-7]。近年來，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，激光傳感器可以為導(dǎo)航提供精度更高的信息；并且信息精度較高，由此在移動自主導(dǎo)航機械中使用的也越來越多，將其使用在園林修剪機械的自主導(dǎo)航系統(tǒng)中，可以有效地提高系統(tǒng)的性能[8-12]。

1 園林修剪機械激光傳感器定位系統(tǒng)設(shè)計

采用激光導(dǎo)航具有測量范圍大、光束直徑小、測量精度高等優(yōu)點，且激光雷達(dá)作業(yè)時不受環(huán)境的影響，在光線不好的環(huán)境中依然能保持較高的測量精度，因此在農(nóng)業(yè)中也開始被越來越廣泛的應(yīng)用由于園林枝葉修剪屬于精細(xì)作業(yè)，作業(yè)速度慢，勞動強度大，其自動化作業(yè)需求較大。人工園林的枝葉修剪作業(yè)如圖1所示。

圖1 人工園林修剪作業(yè)場景圖Fig.1 The scene graph of pruning operation of artificial garden

采用人工作業(yè)，修剪過程較慢、作業(yè)強度較高，但園林修剪作業(yè)又往往是行列較為整齊的樹木，如果采用自動轉(zhuǎn)向換行的修剪機械，可以大大地降低人工作業(yè)的勞動強度[15-19]。本文設(shè)計了一種基于激光傳感器的自適應(yīng)移動和轉(zhuǎn)向修剪機械，其作業(yè)流程如圖2所示。

根據(jù)激光測距自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向修剪機械的作業(yè)流程，設(shè)計了該機械作業(yè)裝置的整體框架，主要包括PC處理器、激光發(fā)射和接收裝置，以及CPLD時間間隔計時器等，如圖3所示。

激光測距自適應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用脈沖開關(guān)實現(xiàn)PC機的自動復(fù)位，實現(xiàn)自適應(yīng)功能，通過CPLD計時部分完成裝置的自動化控制，最后將控制結(jié)果通過顯示器實時顯示[20-23]。

圖2 自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向流程圖Fig.2 The flow chart of adaptive moving steering

圖3 激光測距自適應(yīng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)框架Fig.3 The adaptive steering system framework of laser ranging

2 激光測距和自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向原理

園林修剪機械的自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向主要依據(jù)激光測距和掃描原理，激光測距的原理比較簡單[24-29]。假設(shè)激光發(fā)射器發(fā)出的激光在空氣中的傳播速度是V，其傳播過程如圖4所示。

當(dāng)激光達(dá)到障礙物時會被反射回來，并被光電探測器接收，發(fā)射和接收共使用的時間為T，則測量距離為

S=VT/2

(1)

激光光強按高斯均勻分布，假設(shè)激光發(fā)射器的峰值功率為TtPt，發(fā)射的激光束的立體角為Ωt，激光的傳送距離為R，由此可以得到激光在輻射被測物體上的照度為

(2)

其中，Ta是表示激光在傳輸過程中每傳送距離為R時的大氣透過率，則

(3)

其中，σ(λSRv)為大氣消光系數(shù)。假定被測得的障礙物時理想的滿反射體，則其可以作為二次輻射源，輻射亮度與出射照度之間的關(guān)系為

(4)

若被測障礙物的漫反射率為ρ，則目標(biāo)的輻射出射度為Mm=ρEt，于是被測障礙物的輻射亮度為

(5)

在實際測量障礙物時，可以利用激光掃描得到的輻射亮度，判斷障礙物的具體尺寸，然后結(jié)合距離信息，調(diào)整園林修剪機械的位姿和狀態(tài)，為了提高測量精度，還需要使用激光放大器。

圖4 激光測距原理圖Fig.4 The schematic diagram of laser ranging

如圖5所示：激光信號能量主要集中在一定的頻帶范圍內(nèi)，在實際使用時，可以根據(jù)障礙物可能的尺寸，選用合適的信號放大器。

圖5 激光信號功率譜密度Fig.5 The power spectral density of laster signal

圖6為園林修剪機械激光自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向原理的框架結(jié)構(gòu)圖。園林修剪機械的移動和避障主要依據(jù)激光雷達(dá)的測距和掃描獲取障礙物的信息，然后通過地圖坐標(biāo)和自身位置坐標(biāo)的測試，預(yù)測自身距離。通過獲取的障礙物距離和特征尺寸信息，園林修剪機械通過調(diào)整轉(zhuǎn)向和移動距離，躲避障礙物，并實現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向和換行功能。

圖6 園林修剪機械激光自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向原理Fig.6 The principle of laser adaptive moving steering in garden pruning machine

3 修剪機械自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向性能測試

為了驗證激光傳感器在自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向性能上使用的可行性，首先對基于激光傳感器的自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向裝置進行了實驗測試，測試儀器主要分為PC機和激光發(fā)射與接收裝置，如圖7所示。當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時，通過激光掃描，PC機對障礙物的距離和尺寸信息進行自動識別，從而判斷出需要移動的距離和轉(zhuǎn)向的角度。通過激光掃描得到的環(huán)境數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 激光測距移動轉(zhuǎn)向測試Fig.7 The mobile steering test of laser ranging

圖8 激光掃描得到的數(shù)據(jù)Fig.8 The data obtained by laser scanning

利用PC機可以對數(shù)據(jù)進行最小二乘法擬合，利用擬合特征曲線可以得到障礙物的特征信息。由掃描數(shù)據(jù)可知，該設(shè)備可以有效地對環(huán)境進行掃描，得到障礙物的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，其使用在園林修剪機械設(shè)備上進行自適應(yīng)移動和轉(zhuǎn)向?qū)Ш绞强尚械摹?/p>

將自主移動轉(zhuǎn)向?qū)Ш皆O(shè)備安裝在園林修剪機上作進一步的測試(見圖9)，為了驗證激光傳感器自動作業(yè)機成功避障轉(zhuǎn)向率與傳統(tǒng)園林修剪機相比較的優(yōu)勢，進行了多次實驗對比，得到了如表1所示的結(jié)果。

圖9 園林修剪機自動作業(yè)測試Fig.9 The automatic work testing of garden pruning machine表1 園林修剪機自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向作業(yè)性能測試 Table 1 The performance test of adaptive shift steering for garden pruning machine

測試次數(shù)激光傳感器自動作業(yè)機(成功避障轉(zhuǎn)向次數(shù))非激光傳感器自動作業(yè)機(成功避障轉(zhuǎn)向次數(shù))500498487600595582700692679

續(xù)表1

由表1對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：采用激光傳感器自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向的修剪作業(yè)機，其成功避障的次數(shù)要明顯高于非激光傳感器，且隨著測試次數(shù)的增加，其穩(wěn)定性好，滿足園林修剪機械自主導(dǎo)航的設(shè)計需要。

4 結(jié)論

將激光傳感器引入到了園林修剪機械定位導(dǎo)航系統(tǒng)中，并設(shè)計了自適應(yīng)移動和轉(zhuǎn)向方案，通過激光測距和障礙物特征掃描，實現(xiàn)了修剪機械的自動化定位、避障和換行等作業(yè)能力。根據(jù)激光測距和掃描原理，設(shè)計了激光傳感器自適應(yīng)移動和轉(zhuǎn)向裝置，并通過試驗驗證了作業(yè)環(huán)境的激光掃描功能。最后，對激光傳感器自適應(yīng)移動和轉(zhuǎn)向的精度進行了測試，并將其與傳統(tǒng)的導(dǎo)航定位裝置進行了對比。測試結(jié)果表明：采用激光傳感器自主移動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，成功避障的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都有所提高，可以滿足園林修剪機械的作業(yè)需求。

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