青家興 楊萬林 徐學(xué)呈

(福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福建 福州 850003)

1 巡視小車設(shè)計

田間的環(huán)境是復(fù)雜多變的，田間地面凹凸不平程度不一，田間的土壤松軟程度是不一致的，田間的道路是彎曲的等。為了使該小車可以在田間行駛比較通暢，該巡視小車采用深花紋輪胎，以防止巡視小車打滑或陷于泥濘之中。

該小車車身上有升降支柱，該支柱上方固定的為橫梁，橫梁上帶有滑軌。拍攝作物的光學(xué)儀器懸掛于在滑軌下方并可以在滑軌上左右地自由滑動。攝像頭采用“雙舵機云臺”，可做水平180°旋轉(zhuǎn)及上下傾角的改變。拍攝田間作物的光學(xué)儀器對作物進行拍攝以及通過內(nèi)部系統(tǒng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，再由云端傳輸?shù)接脩舻慕缑?，用戶便能夠及時了解作物的健康狀況。

為了保證該巡視小車的行駛安全以及巡視的平穩(wěn)，在該小車的前部安裝“超聲波避障傳感器”，避免撞上低位的障礙物；同時安裝“紅外線測深傳感器”，避免深陷在田間的凹坑處。

2 巡視小車運行過程

本巡視小車采用的技術(shù)組合為：無人車、機器視覺、GPS全球定位系統(tǒng)。該巡視小車主要是收集田間作物的生長狀況，對其進行圖像采集與傳輸。其工作流程如下：(1)輸入數(shù)據(jù)：用戶根據(jù)GPS定位，明確需要巡視田間點的經(jīng)緯度。用戶在該巡視操作系統(tǒng)中輸入需要巡視點的經(jīng)緯度。(2)最優(yōu)的路徑規(guī)劃：操作系統(tǒng)將所得到點的經(jīng)緯度通過遺傳算法，最終得到巡視的最優(yōu)路徑。該最優(yōu)路徑的長度是從起點出發(fā)，巡視完所有的點再回到起點的最短路徑的長度。(3)上傳云端：將巡視的點以及最優(yōu)的路徑上傳至云端系統(tǒng)。(4)巡視小車開始巡視：云端利用GPS技術(shù)將導(dǎo)航指令逐條發(fā)送給巡視小車。小車在整個巡視的過程中，小車利用車載GPS定位器，確定自己位置，把巡視小車編號，時間、經(jīng)度、緯度打包發(fā)送至云端。云端再把小車的信息發(fā)送給用戶，用戶便可時刻觀察小車的位置。(5)巡視數(shù)據(jù)返回用戶端：巡視小車使用光學(xué)攝像頭采集田間作物的圖像，再將圖像傳輸?shù)皆贫耍詈笥稍贫藢D像發(fā)送給用戶。用戶便根據(jù)圖像，判斷是否需要對作物進行作業(yè)。(6)巡視小車完成巡視：該小車巡視完畢就返回起點。該小車便在起點待命，等待下一次的巡檢任務(wù)。

3 遺傳算法的運用

3.1 遺傳算法介紹

遺傳算法是一種基于自然遺傳機制和自然選擇原理的搜索(尋優(yōu))算法，它是模擬自然界中的生命進化的機制，在人工系統(tǒng)中實現(xiàn)特定目標(biāo)的優(yōu)化[1]。遺傳算法的本質(zhì)是通過群體搜索技術(shù)，根據(jù)適者生存的原則逐代地完成進化，最終得到最優(yōu)解或準最優(yōu)解[2]。本文設(shè)置的參數(shù)見(表1)，其中迭代次數(shù)是可以根據(jù)數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度進行調(diào)整。

表1 遺傳算法設(shè)置的參數(shù)表

3.2 遺傳算法系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)得到用戶輸入的需要巡檢的GPS坐標(biāo)，該系統(tǒng)就采用遺傳算法對得到點的經(jīng)緯度進行路徑規(guī)劃，再將得到的最優(yōu)路徑輸入到云端系統(tǒng)中。該小車會參照最優(yōu)的路徑完成巡視，巡視途中會根據(jù)實時的路況，進行避障以及完成路徑重新規(guī)劃等功能。

以下舉例模擬該系統(tǒng)的運行：用戶輸入需要巡檢的8個點的經(jīng)緯度(見表2)，系統(tǒng)便迅速規(guī)劃出最優(yōu)的路徑，該系統(tǒng)輸入的路線圖見圖1。該系統(tǒng)最優(yōu)的全局最優(yōu)路線總距離為11.8897。該巡視的路徑為：(0，0)，(3.26，1.18)，(4.2，2.17)，(3.5，2.15)，(3.52，2.44)，(3.14，3.47)，(2.42，2.24)，(1.56，1.19)，(1.23，1.25)，(0，0)。表2之中(0，0)為巡視的起點，該巡檢小車按照最優(yōu)路徑進行巡檢，最后返回起點。完成這一次的巡檢任務(wù)之后，該小車便在起點等待下一次的巡檢任務(wù)。

圖1 最優(yōu)路徑圖

表2 需要巡檢的經(jīng)緯度

4 結(jié)語

本文簡單介紹了該巡視小車的整體設(shè)計以及系統(tǒng)通過遺傳算法得到最優(yōu)路徑的方法。該巡視小車適合于大塊田野的巡視，以最優(yōu)的路徑完成巡視，能夠有效節(jié)約時間以及降低巡檢的成本。在未來的智慧農(nóng)業(yè)之中，該巡視小車將會有著重要的作用。