彭雪斌，易 藝，周聯(lián)浩，陳得日，梁 軍

(桂林信息科技學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

目前，在我國(guó)主要的除草方式是人工除草和化學(xué)除草，人工除草主要是通過(guò)人力或簡(jiǎn)單的農(nóng)具進(jìn)行人工除草，其效率極為低下，且工作量巨大，大大消耗了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的勞動(dòng)力。而化學(xué)除草主要是通過(guò)化學(xué)除草劑進(jìn)行除草，農(nóng)民在除草過(guò)程中往往采用大面積噴灑的方式進(jìn)行除草，該方法的缺點(diǎn)是對(duì)地面雜草目標(biāo)沒(méi)有識(shí)別能力，大面積的施藥導(dǎo)致農(nóng)藥污染[1]。此外，沒(méi)有針對(duì)性的大面積除草，除草效率不高。近幾年，我國(guó)第一產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力大大下降，雖然我國(guó)人口基數(shù)很大，但勞動(dòng)力大多分布在其它產(chǎn)業(yè)，而且由于我國(guó)人口老齡化問(wèn)題的產(chǎn)生，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也不斷提高，所以研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人具有重要的意義[2]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械化，智能化是國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。近年來(lái)，中央下發(fā)文件中明確指出，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展對(duì)于我國(guó)的新農(nóng)村建設(shè)是必不可少的重要環(huán)節(jié)，更是提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的新概念，而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中重要之一就是利用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)條件減少對(duì)自然環(huán)境的污染和破環(huán)，智能除草機(jī)器人的研究可以大大降低勞動(dòng)成本，同時(shí)避免了大面積使用化學(xué)藥劑對(duì)環(huán)境造成的污染和對(duì)人類健康的危害。將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用在了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可以提高農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，成為近年來(lái)科研人員研究的熱點(diǎn)課題[3-12]。

為了精準(zhǔn)地噴灑農(nóng)藥進(jìn)行除草，減少農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染和農(nóng)藥在農(nóng)作物的殘留，提高除草效率，設(shè)計(jì)了一種基于ROS的大棚除草機(jī)器人。除草機(jī)器人采用Jetson Xavier NX[13]和STM32F103作為控制器，輔以激光雷達(dá)、深度相機(jī)和三軸陀螺儀/加速度傳感器進(jìn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航，通過(guò)相機(jī)采集大棚中的雜草和農(nóng)作物圖像，經(jīng)過(guò)分析、算法處理后獲取雜草的位置信息，然后控制機(jī)械臂上攜帶的噴頭噴灑農(nóng)藥，進(jìn)行除草，從而達(dá)到除草的目的。

1 系統(tǒng)組成和原理

除草機(jī)器人系統(tǒng)由頂層控制模塊和底層控制模塊組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

頂層控制模塊是除草機(jī)器人系統(tǒng)的主控制中心，主要負(fù)責(zé)除草機(jī)器人系統(tǒng)的功能控制、信息采集和處理等工作，Jetson Xavier NX處理器A主要控制激光雷達(dá)模塊和深度相機(jī)模塊進(jìn)行工作，分別獲取機(jī)器人行進(jìn)路線上的二維平面掃描數(shù)據(jù)和三維深度圖像數(shù)據(jù)。

底層模塊中的STM32微控制器A通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊A和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊B控制機(jī)器人上的4個(gè)電機(jī)進(jìn)行工作?；魻柧幋a器分別用來(lái)檢測(cè)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，獲取機(jī)器人運(yùn)行的速度，經(jīng)過(guò)處理后得到除草機(jī)器人的里程計(jì)定位坐標(biāo)。MPU6050三軸陀螺儀/加速度傳感器用來(lái)獲取除草機(jī)器人的姿態(tài)信息，然后通過(guò)STM32微控制器A的串口將除草機(jī)器人的姿態(tài)信息和里程計(jì)信息發(fā)送給Jetson Xavier NX處理器A。

Jetson Xavier NX處理器A將除草機(jī)器人的姿態(tài)信息、里程計(jì)信息、二維平面掃描數(shù)據(jù)和三維深度圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而完成除草機(jī)器人對(duì)大棚的建圖和導(dǎo)航功能，可以進(jìn)行巡壟行駛。

在巡壟的過(guò)程中，通過(guò)Jetson Xavier NX處理器B控制高清相機(jī)工作，不斷獲取大棚內(nèi)壟間的圖像信息，然后進(jìn)行圖像處理得到雜草的位置信息。Jetson Xavier NX處理器B通過(guò)串口發(fā)送指令給STM32微控制器B，STM32微控制器B收到指令后控制機(jī)械臂工作，使機(jī)械臂上攜帶的噴頭到達(dá)雜草位置上方，然后控制水泵工作，進(jìn)行噴藥除草。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括頂層控制模塊，底層控制模塊的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、MPU6050傳感器電路、編碼器電路和系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)。

2.1 頂層控制模塊的硬件設(shè)計(jì)

頂層控制模塊由Jetson Xavier NX處理器、激光雷達(dá)、深度相機(jī)、高清相機(jī)、觸摸屏、STM32微控制器、高清相機(jī)、水泵及其驅(qū)動(dòng)模塊和機(jī)械臂組成。其部分硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 頂層控制模塊部分電路設(shè)計(jì)框圖

主處理器采用的是英偉達(dá)Jetson Xavier NX處理器，它采用Volta架構(gòu)的384核GPU，且加入48個(gè)Tensor Core，擁有21TOPS的INT8運(yùn)算能力，它還擁有Carmel架構(gòu)的6核CPU，帶有10MB的緩存，64位運(yùn)算能力，最高可以達(dá)到1 900 MHz主頻，可以同時(shí)處理來(lái)自多個(gè)傳感器的高分辨率數(shù)據(jù)[14]。因此，選用Jetson Xavier NX處理器，可以滿足整個(gè)除草機(jī)器人系統(tǒng)的需求。

深度相機(jī)采用奧比中光Astra Pro實(shí)感深度相機(jī)，深度范圍能達(dá)到0.6 m至8 m，延遲在45 ms以內(nèi)，采用USB2.0進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要用于獲取壟間的深度圖像信息。深度相機(jī)能夠?qū)⒕哂幸欢ńY(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上，再由專門(mén)的紅外攝像頭進(jìn)行采集。它具備一定結(jié)構(gòu)的光線，會(huì)因被攝物體的不同深度區(qū)域反射，而采集不同的圖像相位信息，并能夠通過(guò)運(yùn)算單元將這種結(jié)構(gòu)的變化換算成深度信息，以此來(lái)獲得三維環(huán)境信息，深度相機(jī)的深度視覺(jué)利用RGB圖像和深度圖像來(lái)感知機(jī)器人周圍空間的三維信息，獲得的環(huán)境信息豐富。但是深度相機(jī)是通過(guò)深度圖像來(lái)感知周圍環(huán)境的信息，由于圖像會(huì)受環(huán)境光照變化的影響，當(dāng)環(huán)境光照不理想時(shí)，深度相機(jī)難以獲得足夠的圖像特征匹配點(diǎn)數(shù)目，從而導(dǎo)致獲取環(huán)境圖像信息不夠準(zhǔn)確[15]。

激光雷達(dá)采用思嵐RPLIDAR A1型激光雷達(dá)，主要用于獲取機(jī)器人行進(jìn)路線上的二維平面數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)通過(guò)旋轉(zhuǎn)的反射鏡將激光發(fā)射出去，利用接收反射光和發(fā)射光的時(shí)間比較從而完成距離的測(cè)量任務(wù)，因此激光雷達(dá)是通過(guò)激光感知機(jī)器人周圍的環(huán)境信息，其單次測(cè)量準(zhǔn)確，受外界的環(huán)境變化影響小，但是數(shù)據(jù)稀疏，并且只能獲得與激光雷達(dá)同一高度的二維信息，而對(duì)于不在同一高度的障礙物束手無(wú)策[15]，因此，除草機(jī)器人系統(tǒng)采用激光雷達(dá)和深度相機(jī)來(lái)獲取除草機(jī)器人行進(jìn)路線的環(huán)境信息，將激光雷達(dá)和深度相機(jī)結(jié)合，可以彌補(bǔ)各自的不足，取長(zhǎng)補(bǔ)短，解決了在除草機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中壟間環(huán)境信息的感知問(wèn)題，提高了除草機(jī)器人對(duì)壟間環(huán)境信息的感知能力，以及同步定位和建圖的準(zhǔn)確度[15]。

在人機(jī)交互方面，除草機(jī)器采用了一塊IPS電容觸摸高清屏。電容高清觸摸屏通過(guò)HDMI接口和Micro USB接口與英偉達(dá)Jetson Xavier NX處理器連接，完成畫(huà)面的顯示和觸摸功能。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的硬件設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用東芝半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片TB6612FNG來(lái)實(shí)現(xiàn)。該芯片采用大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，具有雙通道電路輸出功能，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，TB6612FNG每通道輸出最高連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流為1.2 A[16]。該芯片可以驅(qū)動(dòng)12 V直流減速電機(jī)，滿足除草機(jī)器人的需要。底層微控制器采用的是意法半導(dǎo)體公司32位增強(qiáng)型的STM32F103微控制器作為核心控制器，STM32具有片上資源豐富、功耗低和性能高等優(yōu)點(diǎn)，最高工作頻率能夠達(dá)到72 MHz，擁有64 k的SRAM，可以滿足除草機(jī)器人底層控制的功能需求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直接與STM32控制器連接，STM32控制器通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)PWM的占空比，通過(guò)TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，達(dá)到精確控制各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，其電路原理如圖3所示。

圖3 TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖

2.3 IMU加速度/陀螺儀模塊的硬件設(shè)計(jì)

IMU加速度/陀螺儀模塊采用的Invensense公司的MPU6050芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)[17]。該模塊用來(lái)獲取除草機(jī)器人的姿態(tài)信息。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得知：如果僅使用一種里程計(jì)信息，其存在累計(jì)誤差，隨時(shí)間的推移和輪子打滑等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致除草機(jī)器人在位姿的估算定位中，存在較大的誤差。通過(guò)將IMU加速度/陀螺儀模塊的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器實(shí)時(shí)輸出機(jī)器人的角速度，經(jīng)過(guò)積分得到姿態(tài)信息，然后結(jié)合輪式里程計(jì)、視覺(jué)里程計(jì)[18]等多種里程計(jì)信息，可以更準(zhǔn)確地得到機(jī)器人位置和姿態(tài)[19]。IMU加速度/陀螺儀模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖4 IMU加速度/陀螺儀傳感器電路原理圖

在除草機(jī)器人上安裝霍爾編碼器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。設(shè)電機(jī)測(cè)速編碼數(shù)為M，在一個(gè)時(shí)間周期t(單位為s)內(nèi)，測(cè)量得到的脈沖數(shù)為N，則由公式(1)可以計(jì)算得到除草機(jī)器人上每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速[20]。

(1)

將除草機(jī)器人的輪子半徑r和電機(jī)的減速比(1∶50)代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算，得到除草機(jī)器人每個(gè)輪子的速度。

vr(vl)=100*n*(2*π*r)/50

(2)

式(2)中左車輪速度為vl，右車輪速度為vr。

除草機(jī)器人采用4個(gè)車輪差速運(yùn)動(dòng)的模型，左側(cè)前后兩個(gè)車輪的速度相同，右側(cè)前后兩個(gè)車輪的速度相同，因此將除草機(jī)器人左側(cè)車輪速度為vl，右側(cè)車輪速度為vr，左右車輪間距為L(zhǎng)，代入公式(3)、公式(4)和公式(5)可以分別求得除草機(jī)器人的線速度v、角速度ω和旋轉(zhuǎn)半徑r。

(3)

(4)

(5)

將除草機(jī)器人的角速度ω、線速度v對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，求得機(jī)器人的移動(dòng)距離，進(jìn)而得到機(jī)器人的位置信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由頂層控制模塊的處理器程序設(shè)計(jì)和底層控制模塊程序設(shè)計(jì)組成。

3.1 頂層控制模塊的處理器程序設(shè)計(jì)

在Jetson Xavier NX處理器中安裝了ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，即 Robot Operating System它是一種適用于移動(dòng)機(jī)器人、無(wú)人駕駛等領(lǐng)域的開(kāi)源操作系統(tǒng)。它是銜接在真正操作系統(tǒng)和諸多實(shí)體傳感器之間的一個(gè)特殊的中間平臺(tái)。ROS有一套標(biāo)準(zhǔn)信息定義格式，包括集合概念信息定義(如：位姿、變換、矢量等)和傳感器信息定義(如：激光雷達(dá)、深度相機(jī)等)。

ROS 操作系統(tǒng)包含進(jìn)程消息傳遞、底層控制和包的管理等基本服務(wù)。在除草機(jī)器人研發(fā)中，可以利用ROS 包含的開(kāi)源功能包，像搭建積木一樣搭建功能模塊[19]。ROS 包含了服務(wù)、話題和參數(shù)服務(wù)器等通信方式[21]。

ROS操作系統(tǒng)主要處理來(lái)自激光雷達(dá)、深度相機(jī)、底層控制模塊反饋的輪式里程計(jì)信息、高清相機(jī)等數(shù)據(jù)信息，從而進(jìn)行位置的測(cè)算、建圖和導(dǎo)航，以及雜草圖像的處理和識(shí)別，進(jìn)而控制機(jī)械臂噴灑農(nóng)藥。其軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 上層軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

激光節(jié)點(diǎn)在建圖、定位和導(dǎo)航過(guò)程中負(fù)責(zé)提供和發(fā)布雷達(dá)數(shù)據(jù)，相機(jī)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)在定位和建圖過(guò)程中讀取和發(fā)布圖像數(shù)據(jù)，為機(jī)器人提供豐富的周圍環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)。USB通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)與STM32底層控制器進(jìn)行里程計(jì)等數(shù)據(jù)的交換，建圖節(jié)點(diǎn)通過(guò)訂閱里程計(jì)、圖像、深度相機(jī)等數(shù)據(jù)完成二維柵格-三維點(diǎn)云地圖的構(gòu)建，同時(shí)輸出機(jī)器人的位置狀態(tài)，主節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)管理其他各個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，為方便軟件調(diào)試，采用了Rviz(三維可視化工具)[22]作為可視化界面進(jìn)行軟件的調(diào)試。

除草機(jī)器人系統(tǒng)在進(jìn)行建圖時(shí)，激光節(jié)點(diǎn)和相機(jī)節(jié)點(diǎn)分別發(fā)布激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)話題和圖像的數(shù)據(jù)話題，建圖節(jié)點(diǎn)會(huì)訂閱激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)話題和圖像的數(shù)據(jù)話題并在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行處理，主要為了激光點(diǎn)云的特征提取和匹配以及根據(jù)標(biāo)定的信息將激光點(diǎn)云映射到相機(jī)坐標(biāo)系下，同時(shí)會(huì)在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部進(jìn)行圖像深度信息的提取和匹配特征點(diǎn)獲得其位置和映射的關(guān)系，并同時(shí)訂閱USB通信節(jié)點(diǎn)發(fā)布的里程計(jì)數(shù)據(jù)話題，利用匹配好的激光視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行位置姿態(tài)的測(cè)算，隨后進(jìn)行大范圍的點(diǎn)云建圖以及回環(huán)檢測(cè)。啟動(dòng)ROS系統(tǒng)中的Rviz(三維可視化工具)節(jié)點(diǎn)，Rviz節(jié)點(diǎn)通過(guò)訂閱機(jī)器人位姿數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)，為軟件的調(diào)試提供效果展示[23]。

除草機(jī)器人通過(guò)高清相機(jī)采集作物壟間雜草的圖像數(shù)據(jù)，隨后將圖像數(shù)據(jù)傳送給Jetson Xavier NX處理器B進(jìn)行圖像處理，在圖像處理過(guò)程中，首先是將圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，隨后將圖像數(shù)據(jù)的顏色空間轉(zhuǎn)化為HSV顏色空間，利用閥值分割與濾波處理提取出綠色的像素?cái)?shù)據(jù)，然后繪制出綠色像素?cái)?shù)據(jù)矩形邊框并計(jì)算其面積大小，濾除不符合面積閥值的矩形，計(jì)算出符合面積閥值的矩形空間中心坐標(biāo)，即為雜草的像素坐標(biāo)，接著再轉(zhuǎn)化為世界坐標(biāo)下的三維坐標(biāo)點(diǎn)，并利用三維立體空間中的兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算出除草機(jī)器人與雜草間距離，然后控制機(jī)械臂定點(diǎn)噴灑農(nóng)藥。圖像處理程序流程圖如圖6所示。

圖6 圖像處理流程圖

3.2 底層控制模塊程序設(shè)計(jì)

底層控制主要由STM32F103微控制器作為核心控制器來(lái)完成控制工作。在底層控制模塊中，STM32采用片內(nèi)定時(shí)器產(chǎn)生不同占空比的PWM信號(hào)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)除草機(jī)器人電機(jī)進(jìn)行工作，然后使用片內(nèi)的定時(shí)器來(lái)獲取霍爾編碼器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理得到除草機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時(shí)控制IMU加速度/陀螺儀模塊工作，獲取IMU加速度/陀螺儀模塊的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口發(fā)送給Jetson Xavier NX處理器A。STM32微控制器通過(guò)串口接收來(lái)自Jetson Xavier NX處理器A的命令。底層控制軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。

圖7 底層控制軟件流程圖

在底層控制模塊程序中，程序首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，比如定時(shí)器、串口中斷、編碼器和MPU6050模塊的初始化等，然后程序在定時(shí)器的定時(shí)下以100 Hz的頻率執(zhí)行，讀取出MPU6050模塊中的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP(digital motion processor)解算的俯仰角、橫滾角和航向角等數(shù)據(jù)，然后再以50 Hz的頻率將編碼器采集到的數(shù)據(jù)結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，經(jīng)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)解析，計(jì)算出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)線速度和角速度，并對(duì)其在時(shí)間上進(jìn)行積分，計(jì)算出機(jī)器人里程計(jì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置，接著通過(guò)串口向Jetson Xavier NX處理器A發(fā)送陀螺儀角速度、加速度、姿態(tài)角度、里程計(jì)坐標(biāo)、里程計(jì)坐標(biāo)變化量和編碼器的當(dāng)前值和目標(biāo)值等數(shù)據(jù)，當(dāng)Jetson Xavier NX處理器A通過(guò)串口向底層控制模塊中的STM32微控制器A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，底層控制程序會(huì)先判斷串口接收的數(shù)據(jù)是否符合命令格式，如果符合，就將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后結(jié)合除草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型，經(jīng)逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)算，計(jì)算出每個(gè)電機(jī)的速度，接著在通過(guò)PID算法調(diào)節(jié)控制4個(gè)電機(jī)的PWM信號(hào)的占空比從而實(shí)現(xiàn)控制除草機(jī)器人達(dá)到預(yù)期的速度。其PID算法的框圖如圖8所示。

圖8 PID算法框圖

圖8中，r(t)為設(shè)定狀態(tài)量，y(t)為實(shí)際狀態(tài)量，e(t)為當(dāng)前誤差，u(t)為控制器輸出。PID是一個(gè)作用于閉環(huán)系統(tǒng)的控制算法，由比例環(huán)節(jié)(Р)、積分環(huán)節(jié)(Ⅰ)、微分環(huán)節(jié)(D)共3個(gè)部分組成[24]。

up(t)=Kp*e(t)=Kp*[r(t)-y(t)]

(6)

(7)

(8)

(9)

式(6)為比例環(huán)節(jié)公式(Р)，比例環(huán)節(jié)有誤差存在時(shí)才會(huì)產(chǎn)生輸出up(t)。比例調(diào)節(jié)的過(guò)程是成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，通過(guò)Kp*e(t)產(chǎn)生控制作用以減小偏差。

式(7)為積分環(huán)節(jié)(I)公式，積分環(huán)節(jié)的輸出ui(t)與系統(tǒng)的誤差累加和有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)存在誤差時(shí)，積分環(huán)節(jié)將誤差累加后起調(diào)節(jié)作用，直到誤差為0后控制器穩(wěn)定輸出。積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)比例環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)誤差，一般常用PI調(diào)節(jié)，即up(t)+ui(t) ，使得實(shí)際狀態(tài)量等于設(shè)定狀態(tài)量。

式(8)為微分環(huán)節(jié)(D)公式，微分環(huán)節(jié)的輸出ud(t)與系統(tǒng)的誤差變化率有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)在的趨勢(shì)去判斷未來(lái)，可以阻礙未來(lái)可能出現(xiàn)過(guò)度的調(diào)節(jié)，微分環(huán)節(jié)可以反應(yīng)偏差信號(hào)的變化規(guī)律。

式(9)是整個(gè)PID控制器的輸出，即3個(gè)環(huán)節(jié)的輸出求和[25]。

4 系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證除草機(jī)器人系統(tǒng)的除草效果以及其工作的穩(wěn)定性，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件下，在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建模擬測(cè)試環(huán)境，選用白菜作為壟間作物植株，白菜的總數(shù)量為30顆，排列成3列即兩壟的形式，白菜排列的行間距為60 cm，株距為60 cm，壟長(zhǎng)為5.4 m，適合機(jī)器人在行間行走，雜草的株高在2～10 cm不等。為驗(yàn)證除草機(jī)器人噴藥作業(yè)的實(shí)際噴藥效果，采用水分檢測(cè)試紙進(jìn)行測(cè)試觀察。在測(cè)試過(guò)程中，除草機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)用事先建好的離線地圖，在除草機(jī)器人的操作界面規(guī)劃好路徑，除草機(jī)器人沿著壟間行走。在正常光照條件下，除草機(jī)器人進(jìn)行噴藥作業(yè)，隨后通過(guò)統(tǒng)計(jì)與分析水分檢測(cè)試紙的顏色變化情況，計(jì)算出除草機(jī)器人的噴藥成功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 除草機(jī)器人的噴藥作業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于Jetson Xavier NX處理器搭載ROS系統(tǒng)，結(jié)合激光雷達(dá)、深度相機(jī)和高清相機(jī)等外部設(shè)備，采用圖像識(shí)別處理技術(shù)、建圖和導(dǎo)航技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種大棚除草機(jī)器人。本文介紹了除草機(jī)器人的系統(tǒng)組成原理，軟硬件實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)除草機(jī)器人進(jìn)行功能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常的光線條件下，該除草機(jī)器人噴藥除草效果良好。