宋 敏，陳志丁，陳志偉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津300222）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多的農(nóng)民希望能夠從繁雜、重復(fù)的生產(chǎn)活動中解放出來。農(nóng)用機(jī)器人的出現(xiàn)順應(yīng)了時(shí)代發(fā)展的潮流，能夠極大地緩解農(nóng)民繁重的勞動。本課題組在追求解放勞動力的同時(shí)，采用燃料電池代替普通電池驅(qū)動機(jī)器人進(jìn)行工作，減少了環(huán)境污染，降低了消耗成本，提高了生產(chǎn)效率。導(dǎo)航定位技術(shù)是智能機(jī)器人所要解決的核心技術(shù)之一，迄今為止其手段主要為圖像、光、聲、電磁等原理方法的運(yùn)用，根據(jù)機(jī)器人工作的空間環(huán)境、介質(zhì)性質(zhì)、行走距離、定位精度、對信號的敏感性等方面要求，確定解決問題的合理方式是其重點(diǎn)[1]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)為農(nóng)業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的自主定位以及規(guī)避障礙物的功能，適用于多種農(nóng)業(yè)耕作場所。能夠?qū)崿F(xiàn)對任務(wù)目標(biāo)的路徑優(yōu)化，提高了耕作的安全性、工作的可靠性以及工作效率。利用超聲波傳感器檢測行駛方向障礙，實(shí)現(xiàn)對搬運(yùn)目標(biāo)的精準(zhǔn)定位。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 燃料電池特點(diǎn)

燃料電池與一般的電池相比具體有如下特點(diǎn)：

1）價(jià)格低、效率高、性價(jià)比高。燃料電池能夠?qū)⑷剂系幕瘜W(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，它的燃料-電能轉(zhuǎn)換效率較高，注意這里不是電化學(xué)效率，而是熱能充分利用后轉(zhuǎn)換為電效率。如果直接使用氫氣，其電能轉(zhuǎn)換效率超過50%；如果發(fā)電設(shè)施與燃?xì)鉁u輪機(jī)并用，則整體效率可超過60%；如果再將電池排放的廢熱加以回收利用，則燃料能量的利用率可超過85%。要知道，核電的熱-電轉(zhuǎn)換效率不到30%，火電的大約在40%，很多熱能都浪費(fèi)了。

2）燃料電池的電站建設(shè)占地面積小，建設(shè)周期短，添加速度快，不必像充電電池一樣等待較長時(shí)間。

3）燃料電池的電站獨(dú)立性較強(qiáng)，各種規(guī)模都能建設(shè)，十分方便。既適合集中式電站，也能夠作為分布式電站建設(shè)，也可以像充電樁一樣在小區(qū)、工廠、單位等地方建設(shè)。

4）電站的功率調(diào)節(jié)靈活，只要調(diào)節(jié)燃料供給量，就可以低負(fù)荷運(yùn)行或者滿負(fù)荷運(yùn)行。

5）燃料的適應(yīng)面廣泛，能夠適用多種燃料。

6）經(jīng)濟(jì)環(huán)保，燃料電池產(chǎn)生的水和二氧化碳可以直接進(jìn)行排放，不會對環(huán)境造成二次污染。

從目前來看，燃料電池集合了眾多的優(yōu)勢于一身，它已經(jīng)引起人們的極大關(guān)注。由燃料電池構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)對電力工業(yè)都具有極大的吸引力[2]。

3 定位及導(dǎo)航

移動機(jī)器人路徑規(guī)劃的簡化可視圖環(huán)境建模方法，通過綜合考慮環(huán)境中障礙物的位置與移動機(jī)器人起點(diǎn)和終點(diǎn)的關(guān)系，剔除對路徑規(guī)劃結(jié)果不影響的障礙物，簡化了環(huán)境模型的表示，達(dá)到了減少移動機(jī)器人候選路徑數(shù)量的目的，提高了后續(xù)的路徑規(guī)劃算法的效率[3]。統(tǒng)一采用GPS衛(wèi)星定位模塊進(jìn)行定位，并進(jìn)行SLAM建圖，采用行車圖路徑規(guī)劃的方法進(jìn)行了地圖的轉(zhuǎn)換，如圖2所示，并找出了所有的可通行路徑。

圖2 行車圖路徑規(guī)劃

采用A*算法從所有路徑中分析，找到最優(yōu)路徑自主導(dǎo)航，如圖3所示。正是由于它本身的重要性，自主定位導(dǎo)航技術(shù)在機(jī)器人控制系統(tǒng)中有著重要的作用。除了機(jī)器人行業(yè)，自主導(dǎo)航也廣泛應(yīng)用在汽車的無人駕駛技術(shù)當(dāng)中。

圖3 A*搜索算法

移動機(jī)器人通過內(nèi)部的傳感器可以確定自己的位置，通過外置的傳感器可以感知周邊的環(huán)境，利用地圖能夠在環(huán)境中進(jìn)行自主的移動。GPS定位通過衛(wèi)星信號能夠確定機(jī)器人的所在位置，內(nèi)置的陀螺儀和編碼器能夠確定機(jī)器人的位置和姿態(tài)，能夠?yàn)闄C(jī)器人導(dǎo)航提供最基本的數(shù)據(jù)要求。本系統(tǒng)涉及定位裝置主要有超聲波導(dǎo)航定位、GPS定位系統(tǒng)。

3.1 超聲波

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，各種測距傳感器都被研究者用在移動機(jī)器人上。目前，常用的有電磁雷達(dá)、激光雷達(dá)、紅外傳感器、超聲波傳感器、視覺傳感器等[4]。超聲波是頻率高于20 kHz一種聲波，波長短于常見聲波，有較好方向性，在所有照明條件下甚至是陽光直射條件下均能完美工作，能可靠探測任何顏色的物體，包括透明物體。超聲波由單片機(jī)控制其發(fā)生端發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波在傳送過程中遇到障礙物時(shí)進(jìn)行反射，接收端收到超聲波信號。單片機(jī)在發(fā)出信號控制發(fā)送端工作時(shí)開始計(jì)時(shí)，接收到超聲波時(shí)停止計(jì)時(shí)，該時(shí)間乘以超聲波的傳送速度就能計(jì)算出傳播距離，S=Tv/2，其中T為超聲波發(fā)射和接收的時(shí)間差；v為超聲波在介質(zhì)中傳播的波速。

超聲波傳感器具有檢測精度高的特點(diǎn)，可以達(dá)到毫米級別，并且檢測范圍廣，價(jià)格低，使用場合要求較低，能夠適應(yīng)大部分的工作場合，被廣泛地應(yīng)用到移動機(jī)器人的導(dǎo)航避障、定位中。由于超聲波檢測時(shí)數(shù)據(jù)量較低，所以采集速度快，可以適用于高速移動的機(jī)器人當(dāng)中。

超聲波傳感器中采用熱敏電阻檢測環(huán)境溫度，由于超聲波傳遞速度受溫度的影響較大，通過檢測的溫度結(jié)果對超聲波的檢測距離進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償，具有溫度補(bǔ)償?shù)某暡▊鞲衅髂軌蜻m用于絕大部分的場合，而且適應(yīng)能力較強(qiáng)。超聲波定位原理如圖4所示。超聲波具有很強(qiáng)的方向性,有利于回波檢測識別，使得超聲波測距被廣泛應(yīng)用,尤其應(yīng)用于汽車?yán)走_(dá)、掃地機(jī)器人等各種電子產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品逐漸成為人們的生活必需品，同時(shí)，人們對這些電子設(shè)備的高精度性能提出了更高的要求[5]。采用超聲波傳感器進(jìn)行避障，采用勢場圖法處理超聲波的數(shù)據(jù)，如圖5所示，自動加權(quán)調(diào)整規(guī)劃好的路徑，達(dá)到自動避障的目的。

圖4 超聲波定位原理圖

3.2 避障系統(tǒng)

圖5 勢場圖法

4 總結(jié)

綜上所述，燃料電池驅(qū)動農(nóng)業(yè)搬運(yùn)機(jī)器人的研究發(fā)展對減少空氣污染、節(jié)約有效燃油資源、減少勞動力成本等具有十分重要的意義。同時(shí)，燃料電池可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動能源供應(yīng)，延長機(jī)器人工作時(shí)間，省去為機(jī)器人更換電池的人力。