宋 敏，吳豪杰

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，種植農(nóng)作物的種類日漸豐富，農(nóng)民的工作強(qiáng)度和工作量也在逐漸增加，在農(nóng)業(yè)耕作方面越來越多的人選擇農(nóng)用機(jī)器人解放繁重的勞動(dòng)力。 各種普通電池驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)器人數(shù)量的增加，緩解了部分勞動(dòng)力的同時(shí)，也帶來了環(huán)境污染、消耗成本大、生產(chǎn)效率低、資源利用不合理等問題[1]。 這些現(xiàn)實(shí)問題限制了在農(nóng)業(yè)上使用機(jī)器人代替人力的頻率，從而無法滿足農(nóng)民追求解放繁重勞動(dòng)力的需求。

本系統(tǒng)以嵌入式硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，利用GPS 定位、超聲波傳感器、慣性導(dǎo)航等技術(shù)完成設(shè)計(jì)，研究普通電池驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)器人出現(xiàn)的各種問題，通過對(duì)機(jī)器人進(jìn)行定位、導(dǎo)航以及避障的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)目標(biāo)路徑優(yōu)化，提高系統(tǒng)的安全性和工作效率。 采用燃料電池驅(qū)動(dòng)的方式，改善了普通電池驅(qū)動(dòng)帶來的環(huán)境污染問題。

1 總體方案設(shè)計(jì)

通過AGV、GPS、 慣性導(dǎo)航等技術(shù)的燃料電池驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)目標(biāo)路徑優(yōu)化，提高安全性、工作的可靠性以及工作效率。 利用超聲波傳感器對(duì)行駛方向進(jìn)行障礙檢測(cè)，若前方存在障礙物則需要優(yōu)先避開障礙。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要有GPS 模塊、AGV 電磁巡線模塊、MPU6050 陀螺儀模塊、超聲波避障模塊以及微控制器。

2.1 GPS 模塊

在室外定位的方式多種多樣，如果只需要大概的位置信息，便可以使用GPS 定位。 在一般情況下，GPS 定位的精度在5m 左右，通過GPS 模塊就可以確定機(jī)器人在戶外的大致位置信息。 本設(shè)計(jì)采用了集成的GPS 定位模塊，模塊采集的位置信息通過串口發(fā)送至主控制器。 模塊原理圖如圖2 所示。

圖2 模塊原理圖

2.2 電磁巡線模塊

在地面鋪設(shè)電磁引導(dǎo)線并通入20kHz 的正弦信號(hào)，機(jī)器人加裝用于采集磁場(chǎng)信號(hào)的電感后就可以用自動(dòng)沿著電磁引導(dǎo)線前進(jìn)。 這一方式的定位精度可到亞厘米級(jí)，精度較高，可用于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃。 巡線的原理是電磁感應(yīng)定律，即磁通量的變化會(huì)在線圈中引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。傳感器與電磁引導(dǎo)線的距離越近，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就越大，故這一電動(dòng)勢(shì)稍加處理就可以反映出當(dāng)前機(jī)器人與引導(dǎo)線的相對(duì)位置偏差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巡線功能。 使用10mH 電感與6.8nF 電容組成并聯(lián)諧振電路，可以有效地輸出20kHz的信號(hào)而抑制其他頻率信號(hào)的影響，但因輸出是交變的信號(hào)，故還須在后一級(jí)電路中對(duì)信號(hào)進(jìn)行整流[2]。 圖3 為電感傳感器的等效電路圖。

圖3 等效電路圖

2.3 MPU6050 陀螺儀模塊

MPU6050 是一款集成的運(yùn)動(dòng)處理組件，可用于采集地磁方向與加速度信息。 在本設(shè)計(jì)中未使用地磁場(chǎng)信息，僅使用了模塊的三軸加速度信息。 確定了出發(fā)位置后，不斷對(duì)機(jī)器人的三軸加速度積分，就可推算出當(dāng)前的位置、速度以及偏航角等信息。這種定位或路徑規(guī)劃方法稱為慣性導(dǎo)航，因幾乎不依賴任何外界信息，也幾乎不受外界環(huán)境干擾的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于潛艇、飛機(jī)與彈道導(dǎo)彈等等[3]。 因?yàn)闊o法獨(dú)立預(yù)測(cè)識(shí)別途中是否存在合適的道路或障礙物，這一方法較少應(yīng)用于地面交通工具。圖4 為模塊原理圖。

2.4 超聲波避障模塊

圖5 超聲波測(cè)距模塊原理圖

超聲波避障的原理是使用超聲波對(duì)機(jī)器人的行駛方向測(cè)距，若在距離測(cè)量范圍之內(nèi)有障礙物，則可以確定機(jī)器人到障礙物的距離，進(jìn)而通過MCU 實(shí)現(xiàn)避障。 超聲波測(cè)距是一種間接測(cè)距方式。 在進(jìn)行測(cè)距時(shí)，模塊發(fā)射端向某一方向發(fā)出一段一定頻率的超聲波，若該方向上有某一物體，則超聲波會(huì)被反射回來并被接收端捕獲，因?yàn)槁暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣认鄬?duì)固定，15℃時(shí)約為340m/s，通過記錄發(fā)射與接收的時(shí)間間隔，就可以算出模塊到障礙物的直線距離。 圖5 為超聲波測(cè)距模塊的原理圖。

2.5 微控制器

STM32F103 是 ST （意法半導(dǎo)體） 公司推出的基于ARM Cortex-M3 架構(gòu)的32 位微控制器系列。 本設(shè)計(jì)中的主控制器使用的是其中一款暢銷的芯片STM32F103ZET6，該芯片支持最大72MHz 時(shí)鐘主頻，支持單周期的乘法與硬件除法，擁有11 個(gè)定時(shí)器、3 個(gè)ADC、5個(gè)USART 接口與112 個(gè)雙向I/O 口，性能強(qiáng)勁，功能強(qiáng)大。 圖6 為最小系統(tǒng)的原理圖。

圖6 最小系統(tǒng)原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

完成硬件電路的搭建后，就可以著手進(jìn)行軟件部分的設(shè)計(jì)。 軟件與硬件有機(jī)協(xié)調(diào)配合才能讓系統(tǒng)更加平穩(wěn)地運(yùn)行。 在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候需要充分考慮硬件電路的特性以及可能發(fā)生的意外情況。

系統(tǒng)軟件部分開發(fā)在集成的開發(fā)環(huán)境中完成。 一般用于開發(fā)STM32 系列微控制器軟件的集成開發(fā)環(huán)境是Keil MDK。 Keil MDK 簡(jiǎn)潔實(shí)用，完美支持 Cortex-M 系列的產(chǎn)品，且可搜集到的STM32 的源碼資料大多是在Keil MDK 平臺(tái)上編寫的，這有助于新手學(xué)習(xí)開發(fā)技術(shù)。機(jī)器人的軟件部分主要包括各硬件模塊的初始化，AGV 巡線程序，定位程序，避障程序等[4]。 接下來分別進(jìn)行介紹。

3.1 AGV 巡線程序

路徑的規(guī)劃由電磁巡線模塊完成，需要編寫驅(qū)動(dòng)程序?qū)υ撃K進(jìn)行初始化以及數(shù)據(jù)采集等操作。 AGV 電磁巡線模塊返回的是模擬信號(hào)，其初始化程序主要是對(duì)微控制器A/D 轉(zhuǎn)換模塊的配置[5]。STM32F103ZET6 自帶A/D轉(zhuǎn)換器，故無需外接A/D 轉(zhuǎn)換芯片。 巡線程序流程圖如圖7 所示。

圖7 巡線程序流程圖

圖7 中，對(duì)傳感器返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行了差比和運(yùn)算，在此對(duì)差比和算法加以簡(jiǎn)要介紹。 機(jī)器人行進(jìn)方向共安裝了5 個(gè)電感傳感器模塊，取左右對(duì)稱的一對(duì)傳感器AD 值進(jìn)行如下運(yùn)算：

式中：e(t)為經(jīng)由這一對(duì)傳感器計(jì)算出的當(dāng)前的位置偏差；eL(t)為左側(cè)傳感器采集到的位置偏差；eR(t)為右側(cè)傳感器采集到的位置偏差。

取三種特殊情況進(jìn)行分析：

1）eL(t)=eLmax，eR(t)=0 時(shí)，e(t)=1，可認(rèn)為此時(shí)機(jī)器人的向左偏差達(dá)到最大。

2）eR(t)=eRmax，eL(t)=0 時(shí)，e(t)=-1，可認(rèn)為此時(shí)機(jī)器人的向右偏差達(dá)到最大。

3）eL(t)=eR(t)時(shí)，e(t)=0，可認(rèn)為此時(shí)機(jī)器人行走在引導(dǎo)線的正中間。

4）其它情況時(shí)，e(t)在上述3 個(gè)值之間連續(xù)變化。

使用這一種方法處理電感傳感器的偏差數(shù)據(jù)，可以有效地抑制環(huán)境影響，增加系統(tǒng)的魯棒性。

3.2 GPS 定位模塊

本設(shè)計(jì)使用的ATK1218-BD 是一款GPS 定位模塊，采用串口方式與其它模塊通信。通信協(xié)議是NMEA-0813。NMEA - 0183 是一種海用電子設(shè)備定位的標(biāo)準(zhǔn)格式，由美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)（National Marine Electronics Association） 提出。 NMEA-0183 協(xié)議采用 ASCII 碼來傳遞GPS 定位信息，稱之為幀。 幀格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)。

1）“$”：幀命令起始位。

2）aaccc：地址域，前兩位為識(shí)別符（aa），后三位為語(yǔ)句名（ccc）。

3）ddd…ddd：數(shù)據(jù)。

4）“*”： 校驗(yàn)和前綴 （也可以作為語(yǔ)句數(shù)據(jù)結(jié)束的標(biāo)志）。

5）hh： 校驗(yàn)和 （check sum），$與 * 之間所有字符ASCII 碼的校驗(yàn)和（各字節(jié)做異或運(yùn)算，得到校驗(yàn)和后，再轉(zhuǎn)換 16 進(jìn)制格式的 ASCII 字符）。

6）(CR)(LF)：幀結(jié)束，回車和換行符。

NMEA-0183 常用命令如下表1 所示。

表1 NMEA-0183 常用命令

3.3 慣性導(dǎo)航程序

本設(shè)計(jì)中使用的MPU6050 模塊自帶數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（DMP），通過IIC 接口向控制器輸出數(shù)據(jù)。 慣性導(dǎo)航程序模塊中包含模塊的初始化程序、數(shù)據(jù)接收程序，加速度積分程序以及路徑規(guī)劃程序等。 程序流程圖如圖8 所示。

圖8 程序流程圖

3.4 避障程序

小車在行進(jìn)過程中需要主動(dòng)避開障礙物，這一功能由超聲波測(cè)距傳感器作為硬件基礎(chǔ)。 避障功能的軟件部分主要是超聲波傳感器的驅(qū)動(dòng)程序[6]。驅(qū)動(dòng)程序包括傳感器的初始化與距離檢測(cè)程序等。 避障程序的流程圖如圖 9 所示。

圖9 避障程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了燃料電池驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，工作效率高，減少環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。通過AGV、GPS、慣性導(dǎo)航等技術(shù)進(jìn)行控制，能夠完成對(duì)物料的準(zhǔn)確定位，保證了系統(tǒng)的安全性和可靠性。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)減少了功耗，便于維修和檢修且維護(hù)成本較低，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)耕作的各個(gè)方面，可減少人力工資花費(fèi)，增加農(nóng)民收入，有較好的應(yīng)用前景。