王蓬勃，黃 鋒，祁百生，耿長興**，李小林（1.蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州 215021；2.江蘇省先進機器人技術重點實驗室，江蘇蘇州 215021；.蘇州博田自動化技術有限公司，江蘇蘇州 21511）

現(xiàn)代溫室種植模式開啟了農業(yè)種植的新篇章，特別是連棟溫室種植模式得到推廣應用[1]。連棟溫室種植工況的特點對溫室內作業(yè)平臺的自動化、智能化、效率和通用性有更高的要求。國內設施農機具裝備技術與歐美發(fā)達國家相比還存在著顯著的差距，特別是用于連棟溫室種植環(huán)境下作業(yè)農機具的自動化和智能化程度低、缺少與種植工況相匹配的智能作業(yè)機械[2-8]。

目前，溫室作業(yè)機器人都是根據(jù)不同的執(zhí)行機構設計不同的移動平臺，其結構、行走方式、成本、作業(yè)效率、智能化程度各異。居錦等[9]采用兩輪差速配合萬向輪行走方式，研究了一種用于溫室環(huán)境的移動平臺。袁挺等[10]采用履帶式移動底盤研究了一種黃瓜采摘機器人。馮青春等[11]研究了一種軌道移動采摘機器人。2019 年，福建省農業(yè)科學院研制智能溫室輪式巡檢平臺。荷蘭Henten 機器人利用連棟溫室種植工況的特點設計一種利用溫室內供暖管道作為行駛軌道的機器人平臺，但是該平臺成本高、需要人工輔助換軌作業(yè)。

針對現(xiàn)在溫室作業(yè)平臺智能化程度低、利用率低、成本高的缺點，團隊研制了一種結構簡單、操作維護方便、能夠自主行駛的移動作業(yè)平臺。該平臺通過兩輪差速驅動行駛，融合視覺導航和RFID 定位技術實現(xiàn)移動平臺自主行走-上軌-下軌-定位作業(yè)，利用視覺修正和RFID 位姿糾正并通過設計不同的輪系尺寸和安裝高度，平臺上軌-下軌成功率分別為96% 和100%。為溫室植保機器人、巡檢機器人、運輸機器人等執(zhí)行機構提供了智能化的移動平臺支撐[12-15]。

平臺結構與工作原理

結構組成

自主移動作業(yè)平臺主要由機構主體部分、驅動部分、輪系部分、控制部分、防撞部分、二層搭載平臺等組成。其中輪系部分由地輪、軌道驅動輪、萬向輪、軌道導向輪組成，其中地輪和軌道驅動輪為復合輪系，安裝在同一驅動軸上。控制部分由視覺模塊、電機驅動模塊、人機交互模塊、RFID 定位模塊、二層執(zhí)行機構控制接口模塊組成。防撞部分由超聲波模塊和防撞機構組成。整機結構及零部件安裝位置俯視圖如圖1 所示。

功能設計及設計參數(shù)

◆功能設計

自主移動作業(yè)平臺應用于連棟溫室種植環(huán)境，如圖2 所示。根據(jù)連棟溫室種植區(qū)和非種植區(qū)工況特點采用兩種不同行走方式，在種植區(qū)行駛路徑采用驅動軌道輪在軌道上行走的方式，解決輪式行走時軌道對輪子干涉問題；在非種植區(qū)行駛路徑采用驅動地輪行走的方式，減少與地面的摩擦，提高行走效率。融合視覺導航技術和RFID 射頻識別定位技術用于移動平臺在溫室內自主導航行走-定位-上軌-下軌-轉向作業(yè)。通過視覺糾偏和RFID 位姿修正提高移動平臺的視覺導航精度和入軌率，實現(xiàn)自主導航行駛-定位-上軌-下軌-轉向作業(yè)功能。

◆設計參數(shù)及要求

分析連棟溫室種植工況結合移動平臺設計功能要求，移動平臺設計參數(shù)及要求如表1 所示。

工作原理

工作原理流程圖如圖3 所示，啟動移動平臺系統(tǒng)，自啟動前攝像機和補償光源，視覺模塊對采集到的導航線圖像進行分析處理，下達行駛指令，控制器驅動電機使移動平臺輪系中地輪沿著鋪設導航線自主 行 駛。當RFID模塊檢測到地面標簽時，讀取標簽內信息并將信息傳遞給控制器，下達直角轉向指令，控制器驅動電機進行兩輪獨立差速直角轉向，轉向后繼續(xù)沿鋪設導航線自主行駛，當RFID 模塊再次檢測到地面標簽時，讀取標簽內信息并將信息傳遞給控制器，控制器下達相應的執(zhí)行指令。

圖3 移動平臺工作原理流程圖

影響平臺自主進-出軌因素分析

上-下軌流程分析

移動作業(yè)平臺能否實現(xiàn)自主上軌-下軌是移動作業(yè)平臺設計功能實現(xiàn)的難點，下面對移動平臺上軌-下軌流程進行分析。上軌-下軌流程示意圖，如圖4 所示。

當移動作業(yè)平臺沿鋪設導航線自主行駛至第一行軌道前端時，RFID 模塊檢測到路面標簽2，移動平臺原地左轉向90°。轉向后檢測到導航線自主行走，同時進行導航偏差修正，調整移動平臺上軌位姿。當檢測到標簽3，移動平臺執(zhí)行直行指令，前軌道導向輪首先進入軌道，當軌道驅動輪完全進入軌道后地輪為懸空狀態(tài)，標志整個移動平臺進入軌道行駛，此時RFID 模塊檢測到標簽4，關閉前攝像機和補償光源，停用視覺導航。移動平臺在軌道上作業(yè)一段距離后，檢測到標簽5，移動平臺反向行駛。當后軌道導向輪脫離軌道時，開啟下軌流程，萬向輪首先觸地，支撐移動平臺，當再次檢測到標簽4 時，啟動后攝像機和補償光源，開啟視覺導航。當前軌道導向輪脫離軌道，標志著移動平臺下軌流程結束，完成一壟軌道作業(yè)。當移動平臺檢測到標簽2，原地左轉彎90°。移動平臺沿導航線直行，當檢測到標簽7，原地左轉彎90°，以此循環(huán)完成整個溫室內單元作業(yè)。當完成整個溫室單元作業(yè)后移動平臺沿鋪設導航線和RFID 轉彎標簽自主行駛-轉彎-行駛至起始位置。

表1 移動平臺設計參數(shù)及要求

圖4 移動平臺上-下軌示意圖

影響上-下軌因素分析

連棟溫室種植工況的特點制約著移動作業(yè)平臺機構設計尺寸和運動空間。溫室內光照度的不同會影響移動作業(yè)平臺對導航線的提取。移動作業(yè)平臺在連棟溫室內行走分為種植區(qū)行走和非種植區(qū)行走，種植區(qū)內主要在軌道上行走，非種植區(qū)一般采用混凝土硬化路面，由于硬化路面平整度不均勻，會對平臺行走穩(wěn)定性帶來影響。理想狀態(tài)下軌道安裝底端應該與硬化路面相切接觸，由于軌道安裝高度和硬化路面平整度均存在差異，因此會影響移動平臺上軌道時對軌精度。另一方面，在移動平臺轉彎換向時由于地面平整度不均和平臺轉向產生的慣性使平臺轉向后的位姿發(fā)生改變，也會影響平臺上軌精度。

移動作業(yè)平臺自主換軌方法

視覺導航

自主移動作業(yè)平臺采用視覺導航方法行駛。該方法首先要在行駛路徑上鋪設導航標識線，采用攝像頭獲取地面導航線圖像，通過圖像分析計算地面導航線與虛擬定標線之間的偏差獲取對應參數(shù)，完成自身位姿校正，引導作業(yè)平臺沿導航線直行。技術路線圖，如圖5 所示：

圖5 視覺導航行駛技術路線圖

RFID 定位

單純的視覺導航在遇到可向左右轉彎的交叉路口時，由于存在視野盲區(qū)，難以提取正確的導航線，連棟溫室作業(yè)空間狹窄，而使用RFID 定位作為轉向點決策左右轉彎，將移動平臺的運動軌跡限制為若干條直線段的組合，線段和線段之間相互平行或垂直，移動平臺在固定路徑中，僅需要直角轉彎和視覺直線導航兩個動作即可到達溫室中任意地點，能夠根據(jù)溫室空間合理規(guī)劃移動作業(yè)平臺行駛路徑，RFID 的工作流程圖，如圖6 所示。

眾所周知，經濟發(fā)達地區(qū)使得大量外來人口涌入，形成了較大的人口基數(shù)和密度，人口增長率提高，商業(yè)地產市場較為廣闊，房源供給量大。同時也存在較大的潛在住宅需求，但由于消費偏好和收入水平的階級化，使得區(qū)位好、采光足的房源供不應求，從而使得部分物美價廉的房源價格上漲。

圖6 RFID 工作流程圖

移動平臺自主換向

移動作業(yè)平臺采用兩輪獨立差速驅動實現(xiàn)移動平臺換向轉彎，轉彎示意圖如圖7 所示。

當移動作業(yè)平臺在進行差速運動時，假設vr＞vl，是移動作業(yè)平臺兩個地輪在相鄰足夠短的時刻瞬間運動狀態(tài)，則移動作業(yè)平臺的行駛速度v=(vl+vr)/2。移動作業(yè)平臺在做同軸圓周運動時，兩輪和G(x,y)點所處位置在圓周運動中角速度是相 等ωl=ωr=ωG，即θ1=θ2=θ3，有l(wèi)=vr/ωr-vl/ωl，則移動作業(yè)平臺瞬時角速度ωG可以由公式（1）計算得出。移動作業(yè)平臺的旋轉半徑可由公式（2）計算得出。

圖7 兩輪差速轉彎示意圖

圖8 移動作業(yè)平臺系統(tǒng)硬件結構圖

圖9 移動作業(yè)平臺控制流程圖

圖10 平臺上下軌道示意圖

圖11 優(yōu)化后有無負載測試圖

移動平臺自主換軌控制方法實現(xiàn)

自主移動作業(yè)平臺控制系統(tǒng)主要由上位機和下位機(ECU) 兩部分組成，下位機主要負責車輛控制包括行走控制、遙控和安全機制；上位機主要負責定位及路徑規(guī)劃、導航行走控制。下位機通過CAN 總線連接電機驅動器，獲取輪速；上位機使用兩輪輪速實現(xiàn)里程計，實現(xiàn)初略定位；從遠程獲取操作任務后，上位機通過簡單深度搜索獲取規(guī)劃路徑，使用RFID 點轉向加視覺導航直線行走的方式控制車輛行走至指定區(qū)域作業(yè)。移動平臺系統(tǒng)硬件結構圖和自主行走控制流程圖分別如圖8～9 所示。

移動平臺自主換軌測試

輪系尺寸和負載對上下軌影響測試

移動作業(yè)平臺地輪設計半徑為100 mm，軌道輪半徑是40 mm，地輪半徑和軌道輪半徑差等于軌道末端底面和頂面之差60 mm。理想情況下，當軌道安裝離地高度等于60 mm 時作業(yè)平臺剛好順利上軌。但由于地面平整度不均導致軌道末端安裝高度存在差異，當軌道安裝離地高度大于60 mm 時，如圖10a 所示，平臺呈上仰姿態(tài)入軌，導向輪易被軌道阻擋，發(fā)生撞擊。當軌道安裝離地高度小于60 mm 時，如圖10b 所示，入軌呈下俯姿態(tài)，能夠順利上軌，但是在出軌時萬向輪容易被地面卡住。經過現(xiàn)場實際大量測試統(tǒng)計，軌道末端上沿離地高度在55～66 mm 之間。據(jù)此對導向輪尺寸和萬向輪安裝高度進行優(yōu)化，使前軌道導向輪直徑尺寸減少到95 mm，后萬向輪安裝高度減少5 mm。

對優(yōu)化后移動平臺分別在空載和負載300 kg條件下上軌、下軌試驗測試，如圖12 所示。上下軌試驗測試結果如表2 所示。

試驗結果表明，移動平臺在負載情況下，前軌道導向輪和后軌道導向輪直徑分別設計為95 mm 和100 mm，存在5 mm 的高度差且后萬向輪安裝高度與前萬向輪安裝高度存在5 mm 的高度差時，移動平臺上、出軌道成功率分別為96% 和100%，滿足平臺動能設計要求。

表2 上下軌試驗測試結果

圖12 位姿修正前后對比圖

直角轉向對位姿影響測試

位姿修正成功率測試：在攝像頭視野范圍內，人為設置移動作業(yè)平臺位姿左和右偏，行駛速度分別設置0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m/s，左右分別測20 次。測量結果如表3 所示。

表3 位姿修正成功率測試

由測試結果可知，對移動作業(yè)平臺在轉向時采用視覺位姿修正后，當最大速度達到0.6 m/s時，成功率在95%以上，當最大速度在0.3 m/s 時，成功率為100%，滿足對作業(yè)平臺的糾偏需求。

導航偏差對導航線提取影響測試

采用機器視覺方法處理導航圖像得到的擬合線與車體本身的中心線會產生偏差。為保證車體沿導航中心線行走，需對車體的行走偏差進行及時糾正。當車體偏離導航線時會產生距離偏差 λ和角度偏差θ，如圖13 所示，它們之間的數(shù)學關系式如下。

圖13 視覺修正示意圖

通過差速運動模型可將偏差轉換成半徑r和差速Δv：

式中：L是導航圖像視場長度；

l是車體左右輪間距；

vr和vl是左右輪速度；

x是導航線與視場下邊緣交點橫坐標。

視覺位姿修正示意圖，如圖14 所示。經過120 次不同偏差角矯正仿真試驗得到偏差矯正數(shù)據(jù)，如表4 所示。試驗表明隨著偏差角度的增加，糾偏成功率呈現(xiàn)下降的趨勢，但是整體處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，平均糾偏率為93.3%，符合工作需求。

行駛速度對RFID 定位精度影響

為確定行駛速度對RFID 定位識別精度的影響，本文對移動平臺的行駛速度分別設置為0.2、0.4、0.6 m/s，采用前進和后退兩種方式，測量平臺檢測到RFID 標簽信號后，觸發(fā)立即停車指令，車體中心與RFID 標簽之間的距離。測試結果如表5 所示，其中負為滯后，正為超前。測試結果表明，當移動平臺的行駛速度設置為0.2 m/s 時RFID 的定位精度最高。在采用前進和后退兩種不同運動方式時，都需要對RFID 定位進行位置補償。

表4 仿真實驗結果

表5 RFID 觸發(fā)測試數(shù)據(jù)

結論

該試驗針對連棟溫室種植工況環(huán)境特殊性，設計了一種融合視覺導航和RFID 射頻識別的導航定位技術，用于移動作業(yè)平臺的自主導航行走。具體包括移動平臺的尺寸優(yōu)化確定、控制系統(tǒng)的設計、工作原理和運動流程進行分析，對移動平臺上軌-下軌、位姿修正、RFID 定位精度進行試驗分析并得到相關設計參數(shù)。

同時還試制了移動平臺的樣機，通過對優(yōu)化后樣機測試結果表明：①優(yōu)化前后軌道輪設計直徑差為5 mm 差值，前后萬向輪安裝高度差5 mm 后，上軌-下軌成功率分別為96% 和100%；②通過RFID 定位和視覺導航位姿偏差修正，不同速度下的位姿糾正平均成功率達到95% 以上，最佳的RFID 檢測和車體制動距離所對應的車體速度為0.2 m/s。最終自主移動作業(yè)平臺在連棟溫室種植環(huán)境下能夠實現(xiàn)自主導航行走-轉向-上軌-下軌-換軌的功能設計要求。