賈衛(wèi)東，顏　杰，歐鳴雄，沈　躍，王浩宇，董　祥

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013；2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京　100083)

0　引言

與傳統(tǒng)種植方式相比，設(shè)施農(nóng)業(yè)具有更顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。其中，溫室發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)日趨壯大，已然成為21世紀最具活力的農(nóng)業(yè)新產(chǎn)業(yè)[1]。病蟲害防治作為農(nóng)作物生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，離不開高效安全的施藥機械。目前，我國的溫室施藥機具在實現(xiàn)機械化、自動化和智能化方面還有些欠缺，溫室空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，施藥機具操縱方便性差，絕大多數(shù)還依靠人工作業(yè)，不僅工效低、勞動強度大、費用高、而且存在較大的施藥安全隱患[1-3]。越來越多的國家已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用溫室噴霧機器人，并且融合了變量噴霧技術(shù)和精確噴霧技術(shù)，不僅降低了勞動強度，而且達到了有效利用農(nóng)藥及減輕環(huán)境污染的目的[4]。

在溫室生產(chǎn)中，安全、可靠、平穩(wěn)的運動和準確的路徑導(dǎo)航是保證噴霧機器人完成施藥作業(yè)任務(wù)及達到較好施藥效果的關(guān)鍵。多年來，圍繞溫室噴霧機器人的運動控制問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了深入的研究，如采用軌道式技術(shù)[5]、電磁感應(yīng)技術(shù)[6]、機器視覺技術(shù)[7-9]和激光技術(shù)[10]等實現(xiàn)定位導(dǎo)航。李良等設(shè)計了溫室軌道施藥機器人系統(tǒng)；宋健等設(shè)計了電磁誘導(dǎo)式噴霧機器人導(dǎo)航系統(tǒng)；李明等設(shè)計了基于視覺傳感器的定位系統(tǒng)；賈世偉等開發(fā)了基于激光測距儀的路徑導(dǎo)航方法。軌道式技術(shù)和電磁感應(yīng)技術(shù)需要分別預(yù)先架設(shè)導(dǎo)軌、鋪設(shè)誘導(dǎo)線及磁標等，應(yīng)用受限且成本高；機器視覺定位算法復(fù)雜，實時性差；激光技術(shù)定位電路復(fù)雜，成本較高?，F(xiàn)有導(dǎo)航及運動控制技術(shù)存在實現(xiàn)困難、成本過高及容易發(fā)生誤操作等問題，所以在溫室中還遠遠沒有達到實踐運用的效果。

本文在溫室風(fēng)送靜電噴霧機上，搭載了圖像傳輸系統(tǒng)，并設(shè)計了基于無線遙控與沿作物行中心線自適應(yīng)行走相結(jié)合的實時運動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在人不進入溫室的情況下，根據(jù)實時傳輸?shù)淖鳂I(yè)環(huán)境，實現(xiàn)噴霧機在溫室環(huán)境里安全可靠平穩(wěn)的運行，且在施藥過程中始終與作物保持近似平行，避免了重噴漏噴等現(xiàn)象。

1　溫室智能噴霧機樣機

1.1總體結(jié)構(gòu)

所研究的樣機是自主設(shè)計的溫室風(fēng)送靜電噴霧機，包括移動底盤與噴霧系統(tǒng)，主要由施藥模塊、傳感模塊、控制模塊、動力模塊和電源模塊組成。其中，超聲波與車輪布置示意圖如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

1、2.前組超聲波傳感器　3、4.后組超聲波傳感器 5.避障停車超聲波傳感器　6、7.驅(qū)動輪　8、9.從動輪

1.攝像頭　2、5.前組超聲波傳感器　3、6.驅(qū)動輪 4.避障停車超聲波傳感器　 7.從動輪　8.后組超聲波傳感器圖2　溫室噴霧機示意圖

施藥模塊包含藥箱、微型隔膜泵、電磁閥及噴嘴等。傳感模塊主要包括5個超聲波傳感器，分別安裝在噴霧機前方和兩側(cè)，前方傳感器用來緊急避障停車，兩側(cè)傳感器用來檢測車體位置狀態(tài)，以便于實現(xiàn)沿作物行中心線行走的自適應(yīng)控制?？刂颇K主要包括遙控與自適應(yīng)的兩個控制單元且都是基于STM32設(shè)計的運動控制器。遙控單元對噴霧機實現(xiàn)遠程的運動控制，包括前進、后退、加減速、左右轉(zhuǎn)及啟停等功能，并且在作物行間直線行走時開啟沿作物行中心線行走的自適應(yīng)控制功能。動力模塊主要采用四輪式結(jié)構(gòu)，前兩輪為驅(qū)動輪，后兩輪為從動輪，所用電機為兩套步進電機及其驅(qū)動器，其轉(zhuǎn)向則是通過兩個電機的差速轉(zhuǎn)動實現(xiàn)。為保證平穩(wěn)性，電機與驅(qū)動輪采用同步帶傳動結(jié)構(gòu)。

圖3　溫室噴霧機樣機

1.2遙控與自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)及原理

遙控與自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由控制模塊、檢測模塊及動力模塊協(xié)調(diào)完成。動力模塊采用86BYG型減速步進電機及配套的MA860H細分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器，控制信號與步進電機采用共陽極接法，如圖4所示。

圖4　控制信號共陽極接法

控制信號包括遙控主機的發(fā)送信號和超聲波傳感器所測得的距離信號。從機控制器實時接收及處理控制信號實現(xiàn)噴霧機的運動，由從機控制器給驅(qū)動器發(fā)出脈沖信號與方向信號，就可以驅(qū)動步進電機和車輪以一定的速度與方向轉(zhuǎn)動。本樣機車速可以實現(xiàn)0～1.5m/s可調(diào)，加減速的步長為0.1m/s。

為了避免一些誤動作和偏差，脈沖信號(PUL)、方向信號(DIR)、使能信號(ENA)應(yīng)滿足一定的時序要求。在實際運用中，本設(shè)計將使能信號完全懸空，如圖5所示。

圖5　控制信號時序圖

2　遙控與自適應(yīng)實時控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1硬件設(shè)計

溫室智能噴霧機遙控與自適應(yīng)控制系統(tǒng)采用主從式控制方式，系統(tǒng)基于STM32開發(fā)而成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　自適應(yīng)實時控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

主從控制器采用STM32F103ZET6的103系列芯片，是基于ARM Cortex-M3核心的32 位微控制器，512k片內(nèi)FLASH并支持在線編程，64k片內(nèi)RAM，7個定時器，3路AD輸入，2路DA輸出，高達72MHz的頻率，數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線，以確保CPU運行速度達到最大化。超聲波傳感器采用防水型一體化超聲波探頭,探測范圍20～450cm，分辨率0.5cm，盲區(qū)20cm。無線模塊采用433M的 E30-TTL-100，其嵌入高速低功耗單片機和高性能射頻芯片SI4463，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高；發(fā)射功率 100MW，具有無線喚醒功能。主機控制器按鍵模塊發(fā)出的指令通過無線模塊發(fā)送給從機控制器，接收到指令后控制步進電機轉(zhuǎn)動完成動作。此外，在作物行間直線行走時遙控從機開啟沿作物行中心線自適應(yīng)行走功能，通過超聲波傳感器獲得的信號，經(jīng)過從機控制器與PID控制程序處理后，發(fā)送出控制信號給步進電機驅(qū)動器，從而控制左右步進電機的轉(zhuǎn)速，改變左右輪的車速，調(diào)節(jié)車體狀態(tài)，使車體始終沿著作物行中心線行走。整個系統(tǒng)的供電由兩組24VDC蓄電池，各個模塊所需要的電壓可由24VDC電源升降壓提供。

2.2軟件設(shè)計

2.2.1遙控與自適應(yīng)實時控制主程序

遙控與自適應(yīng)實時控制系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)遙控主機信號的發(fā)送和從機信號的接收、超聲波傳感器距離信號的采集、步進電機控制指令的生成及輸出、工作參數(shù)輸入和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示等功能?？刂破髦鞒绦蛄鞒虉D如圖7所示。

圖7　主程序流程圖

系統(tǒng)啟動后，開始自檢并初始化；通過遙控主機按鍵輸入工作參數(shù)后，系統(tǒng)讀取并判斷工作參數(shù)是否正常，不正常則重新輸入，正常則發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)。從機控制器一直掃描并等待接收主機信號，如果接收到遙控參數(shù)信息，立即判斷是否開啟自適應(yīng)模式，如果不是則完成指定動作；否則，就立即啟動前方避障傳感器采集定時中斷程序，判斷前方是否有障礙物，有則報警停車，無則啟動兩邊避障采集定時中斷程序進行兩邊4個距離的定時循環(huán)采集和更新。之后，從機控制器讀取最新的兩邊測量距離并先后進行比較，生成步進電機調(diào)整信號的指令，并輸出給驅(qū)動器。

在噴霧機作業(yè)過程中，需要超聲波傳感器實時檢測距離信號并反饋給控制器。本文采用了5個超聲波傳感器，為避免它們之間的相互影響，控制器將先后分別驅(qū)動5個傳感器進行距離檢測。首先，由前方傳感器5判斷前方是否有障礙物，當前方1m處有障礙物時，車速立即降為當前速度的1/2；當距離前方0.4m時，報警停車。若無障礙物，則分別啟動傳感器1、2、3、4檢測。此外，由于環(huán)境的干擾及超聲波傳感器本身的測量誤差都會對最終的測量結(jié)果產(chǎn)生影響，所以對超聲波傳感器的測量結(jié)果進行判斷、優(yōu)化是十分有必要的。本文針對可能存在的測量誤差采用去最值平均法。即單個超聲波對同一位置處的距離連續(xù)檢測5次，得到的測量值分別記為X1、X2、X3、X4、X5，并進行比較排序，去掉最大值與最小值之后，對剩下的3個測量值進行求平均值作為一次測量結(jié)果。

2.2.3自適應(yīng)實時控制方法

針對溫室道路有障礙物、打滑及運動誤差或凹凸型墻體等因素，設(shè)計一種沿作物行中心線自適應(yīng)實時調(diào)節(jié)控制的行走方法，避免了傾斜碰撞且使噴霧機近似平行于作物，達到較好的施藥防治效果。自適應(yīng)控制系統(tǒng)由5個傳感器實時檢測，并經(jīng)過控制器運算比較，再給電機發(fā)出運動調(diào)整的控制信號。

步進電機所需的調(diào)節(jié)信號及控制算法可以通過分析不同運動狀態(tài)及超聲波測量結(jié)果綜合反向推導(dǎo)得出，如圖8所示。以左側(cè)情況為例分析行走方案及算法，假設(shè)溫室道路左側(cè)存在凸出墻體或障礙物及運動誤差或打滑引起的車體傾斜。

圖8　車體調(diào)整狀態(tài)變化示意圖

如圖8(a)中所示虛線為初始中心線1，D1、D2、D3、D4 分別表示傳感器1、2、3、4所檢測到的距離值。假設(shè)左邊有凸出墻體或障礙物，那么車體運動狀態(tài)只包括不做調(diào)整和向右調(diào)整(或向右調(diào)整后再向左調(diào)整達到穩(wěn)定狀態(tài))。結(jié)合標號1和2所示，左側(cè)的兩個傳感器(1、3)沒有同時檢測到，而是先后經(jīng)過障礙物，故車體運動狀態(tài)不需要做調(diào)整。其中，當傳感器1經(jīng)過時，檢測條件滿足D1

如圖8(a)中標號3所示，當傳感器1和3同時檢測到時，則需要向右調(diào)整(或向右調(diào)整后再向左調(diào)整達到穩(wěn)定狀態(tài))，這一調(diào)整過程包括先調(diào)整到新的中心線2行走，然后再回到中心線1行走。對此情況做具體放大分析，如圖8(b)所示。調(diào)整過程分為前半段和后半段討論：前半段檢測條件滿足D1D4。

基于有限元及試驗的發(fā)動機飛輪模態(tài)分 析 ……………………………………… 孟德健，張伯俊，董曉偉（32）

以上是針對一側(cè)進行討論，另一側(cè)則與之相反。為了簡化算法復(fù)雜程度便于實現(xiàn)實際應(yīng)用，對以上判定條件進行綜合討論分類研究，可得到整體自適應(yīng)實時控制系統(tǒng)的判別條件。

當D1=D2 時，車體運動狀態(tài)不做調(diào)整。當D1

若D3不等于D4，則向右調(diào)整(或向右調(diào)整后再向左調(diào)整達到穩(wěn)定狀態(tài))，直至D1=D2。當D1>D2 時，若D3=D4，則不需要調(diào)整；若D3不等于D4，則向左調(diào)整(或向左調(diào)整后再向右調(diào)整達到穩(wěn)定狀態(tài))，直至D1=D2。

由于以上判斷方法存在噴霧機在實際運動過程中循環(huán)走折線的問題，不能快速達到穩(wěn)定的工作效果，在其基礎(chǔ)上引入了PID控制方法，設(shè)定期望值α及運動過程中實際測量的實時變化值L2，將L2與α的差值作為PID的輸入?yún)?shù)，輸出實時PWM脈沖，從而控制左右輪的速度，調(diào)整車身位置以保證沿中心線附近行走。

此外，由于實際工作因素的影響，為了避免噴霧機在沿作物行中心線行走的過程中發(fā)生頻繁調(diào)節(jié)的現(xiàn)象及不能滿足平穩(wěn)性要求，對于以上判別條件中大小的判斷存在誤差(如檢測到的數(shù)值不可能完全相等)，系統(tǒng)設(shè)定了調(diào)節(jié)閥值δ。例如，當-δ≤D1-D2≤δ時，判定D1=D2。

3　室內(nèi)場地試驗

噴霧機的車體寬0.6m，走廊寬2.2m，行駛速度為0.5m/s，設(shè)定閥值δ=10cm。圖9為噴霧機在走廊中行走的情況。為了方便測量與記錄，在噴霧機尾部中心位置安裝了沙漏裝置，通過漏細沙的方法記錄運動軌跡，并且通過游標卡尺檢測每個測量點到道路中心線的實際距離，且當車體調(diào)整到沿中心線附近行走(即達到穩(wěn)定狀態(tài))時，讀取前后兩組超聲波所檢測距離的差值(即前組傳感器1和2的差值)，則

d1=|D1-D2|

(1)

后組傳感器3和4的差值為

d2=|D3-D4|

(2)

對兩組差值取均值后，再計算出傳感器所測量的偏移道路中心線的距離，即

(3)

同時，與實際測量值進行對比。在調(diào)整階段，沿道路每0.5m設(shè)置一個測量點，在達到中心線附近時每2m設(shè)置一個測量點，共記錄10個測量點的數(shù)據(jù)，分別如表1和表2所示。

圖9　走廊環(huán)境試驗

由表1、表2可知：當噴霧機在沿作物行中心線行走時，能夠快速調(diào)整運動到中心線附近；當達到穩(wěn)定狀態(tài)后，噴霧機中心距離道路中心線的距離平均值為6cm，最大值為7cm。根據(jù)前后兩組超聲波傳感器讀出的數(shù)據(jù)，計算出偏移道路中心線偏差值的均值為5.3cm，實際測量值與傳感器測量偏移值的誤差均值為0.7cm。根據(jù)設(shè)定的閥值δ=10cm，理論偏移中心線距離為5cm。所以，基本滿足控制要求及誤差要求。

表1室內(nèi)場地偏差試驗數(shù)據(jù)
Table 1Deviation data of indoor ground test cm

測量序號噴霧機中心距離道路中心的距離L測量序號噴霧機中心距離道路中心的距離L130220314485665768796106

表2穩(wěn)定狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)

Table 2Experimental data of the steady-state cm

測量序號噴霧機中心偏離道路中心線的距離L1前組傳感器測量的差值d1后組傳感器測量的差值d2傳感器測量偏離道路中心線距離L25610125．50659104．757611105．258713105．759610125．5010610105．00

4　結(jié)論

1)提出了一種基于遙控的溫室智能噴霧機自適應(yīng)實時控制系統(tǒng)及算法，利用超聲波傳感器實時檢測溫室道路兩邊距離，且根據(jù)設(shè)定的閾值進行比較，進而由控制器生成控制指令，使得噴霧機始終沿著道路中心線附近行走。該機器具有成本低廉、操作性好、安全可靠等特點。

2)室內(nèi)場地試驗表明：開啟自適應(yīng)控制系統(tǒng)后，噴霧機在偏離道路的情況下能夠快速調(diào)整運動到道路中心線附近，使噴霧機近似平行于作物，有利于達到較好的施藥防治效果并避免了重噴漏噴現(xiàn)象，且將偏離道路中心線的距離控制在7cm范圍內(nèi)。

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