農(nóng)業(yè)機器人導航系統(tǒng)故障檢測模塊的設計

郝昕玉 姬長英

摘要 介紹了一種基于時間序列理論建立的故障檢測模塊。該檢測模塊可用于自主移動農(nóng)業(yè)機器人導航系統(tǒng)的故障診斷。檢測模塊的設計思想就是通過對導航系統(tǒng)中定位傳感器GPS正常和故障情況下輸出的隨機漂移信號進行分析，得到一種判斷GPS性能故障的規(guī)律，即建立AR模型進行時間序列分析。利用K-L信息測度函數(shù)作為判別函數(shù)來檢測系統(tǒng)故障。

關鍵詞 導航系統(tǒng)；故障檢測模塊；時間序列

中圖分類號 S24 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）34-334-03

自主移動農(nóng)業(yè)機器人是電池驅(qū)動，有4只輪子，能自由行走在農(nóng)田里的一種移動平臺。并且能夠自動完成相關指令，動作或者任務的一類輪式農(nóng)業(yè)機器人。這類農(nóng)業(yè)機器人用途很廣，發(fā)展前景很好。比如在農(nóng)田水果采摘中，利用視覺系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等完成自主導航，通過機械手設備摘取果實，從而完成農(nóng)田采摘的作用。

在研究自主移動農(nóng)業(yè)機器人的領域當中，很多研究的前提都是假設農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)能工作在理想狀態(tài)中。但實際上自主移動農(nóng)業(yè)機器人在田地的真實環(huán)境中工作，由于工作環(huán)境復雜，難以預料的情況較多，很容易出現(xiàn)故障， 尤其是其機械部件和控制系統(tǒng)極易出現(xiàn)故障。故障的類型很多，以故障產(chǎn)生的部位來分，可以分為零部件故障、執(zhí)行器故障和傳感器故障。以分析自主移動農(nóng)業(yè)機器人本身的特點，傳感器故障最為常見，比如強光反射、多種多樣的光照條件、陰影、雜物和路面不平整等因素在不同程度上會影響視覺傳感器的精度，導致其出現(xiàn)不可預測的故障；多路徑、大樹、天氣變化、高層建筑物以及其本身的故障等引起的測量誤差，都將影響GPS提供的信息喪失正確性。 這些原因引起的故障，人沒有辦法直接進行干預或者是直接干預的代價太高。如果這些故障沒有得到及時處理或者是沒有被檢測出來，那么自主移動農(nóng)業(yè)機器人將會以一種危險的方式或者不可預測的方式運行。這不僅會使自主移動農(nóng)業(yè)機器人的使用壽命縮短，甚至會使自主移動農(nóng)業(yè)機器人不能正常工作，最終很可能產(chǎn)生非常嚴重的事故。所以必須安裝機器人導航系統(tǒng)故障檢測模塊，以提高其作業(yè)的安全性。為此介紹了一種適用于自主移動農(nóng)業(yè)機器人導航系統(tǒng)的故障檢測模塊。

1 工作原理

在沒有研制出檢測模塊之前，自主移動農(nóng)業(yè)機器人導航系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的故障檢測模式，通過實際值與設定的閾值進行比較，若超出允許范圍，則認為輸出值出現(xiàn)異?；蚬收希环粗?，認為工作正常。顯而易見，這種故障檢測和診斷方式不但準確性和可控性較差，而且對于某些故障仍無法檢測。另外，定位傳感器GPS正常工作時的輸出信號并不是在某一狀態(tài)下維持一個固定值不變，且由于受到常值漂移及外界干擾等因素的影響，其信號特征比較復雜，因此傳統(tǒng)的故障檢測方式準確率不高。為達到對其進行性能檢測和故障診斷的目的，設計并研制了定位導航系統(tǒng)的專用檢測模塊。

故障檢測模塊的工作流程如圖1所示。導航系統(tǒng)進入將要檢測的狀態(tài)時，定位導航系統(tǒng)的專用檢測模塊通過RS-232串行口向自主移動農(nóng)業(yè)機器人的導航系統(tǒng)發(fā)送各種檢測指令，定位導航系統(tǒng)隨機進入相應的檢測狀態(tài)，同時把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳到導航系統(tǒng)的專用檢測模塊，由檢測模塊完成數(shù)據(jù)的分析、處理、判斷。檢測過程中，工控機通過中斷控制方式接收命令、采集數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)處理及判斷；檢測過程由工控機自動完成，無需人工干預。

2 硬件配置

工業(yè)控制計算機作為整個自主移動農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)的控制中心，主要任務是負責各種數(shù)據(jù)的傳輸和相關處理，比如處理各種圖像數(shù)據(jù)、采集編碼器等傳感器的信息、傳送控制命令等，因此對于硬件的配置有很高的要求。自主移動農(nóng)業(yè)機器人系統(tǒng)選用了臺灣研華公司生產(chǎn)的工業(yè)控制計算機IPC510，主要配置：

CPU類型 Intel 奔騰4 2.4 GHz；

硬盤的容量80 GB；

內(nèi)存的容量 512 MB；

顯存128 MB；

其硬件組成如圖2所示。

實現(xiàn)田間自主導航的關鍵問題是系統(tǒng)的供電問題，自主移動農(nóng)業(yè)機器人的電源是由3個蓄電池組成，如圖3所示。采用一塊獨立的12 V、60 AH鉛酸蓄電池給工控機和下位機電動機控制器等微電子部分供電，避免驅(qū)動系統(tǒng)對控制系統(tǒng)的電磁干擾，自主移動農(nóng)業(yè)機器人工作時通過逆變器將蓄電池的直流電轉換為交流電后供給工業(yè)控制計算機；將其他兩個12 V、100 AH鉛酸蓄電池進行串聯(lián)，輸出電壓為24 V，給功率消耗大的8個電動機供電。

圖3 電源模塊

3 軟件設計

自主移動農(nóng)業(yè)機器人導航系統(tǒng)故障檢測模塊的軟件設計是基于Windows平臺的Visual C++6.0和MATLAB7.0設計完成的。1984年，Math Works 公司推出的圖像處理及數(shù)值計算軟件即MATLAB軟件。MATLAB軟件可以實現(xiàn)圖像處理、信號處理、自動控制、偏微分方程數(shù)值解、統(tǒng)計、優(yōu)化、數(shù)值分析、等若干領域的圖形顯示和計算功能。其中集成的控制系統(tǒng)工具箱提供了有效的方法和途徑可以進行分析和設計各種復雜的控制系統(tǒng)。在開始編譯程序之前，必須正確設置VC的編譯環(huán)境。

（1）設置 Visual C++6.0 的編譯環(huán)境：點擊菜單Tools/Options，打開Visual C++6.0設置屬性頁，進入Directories頁面，在Show directories for下拉菜單中選擇Include Files。添加路徑為C：Program Files＼Matlab704＼extern＼include（在Matlab的安裝路徑下），再選擇下拉列表中的Library Files。添加路徑為C：Program Files＼Matlab704＼extern＼lib＼win32＼microsoft＼msvc60（在Matlab的安裝路徑下）。編譯環(huán)境設置好之后，以后使用中無需重新設置。

（2）庫文件的添加：點擊菜單Project/settings，進入Link頁面，在Object/Library/Modules框中，添加庫文件名，即libmx.lib、libmat.lib、libeng.lib。對于每個新的工程文件都要單獨添加庫文件。

（3）程序在使用engine函數(shù)的頭文件，必須包含2個文件，即# include “engine.h”和# include “stdafx.h”。

（4）在應用程序中，添加調(diào)用Matlab引擎的程序代碼：

void matlab_engine∷OnButton1（）

{

// TODO：Add your control notification handler code here

Engine *ep；

{ If（！（ep=engOpen（NULL））） //打開MATLAB引擎

∷MessageBox（NULL，"Can start the MATLAB engine"，"VC調(diào)用matlab engine"，MB_OK）；

……

engEvalString（ep，"t=1：1：300；t=t；"）；

engEvalString（ep，"y=y；"）；

engEvalString（ep，"D=dataprocess（t，y）；"）；

……

∷MessageBox（（HWND）NULL，（LPSTR）buffer，（LPSTR）"MATLAB-whos"，MB_OK）；

D=engGetVariable（ep，"D"）；

engClose（ep）；

}

Dreal=mxGetPr（D）；

sprintf（buffer，"D=%f"，Dreal[1]）；

∷MessageBox（（HWND）NULL，（LPSTR）buffer，（LPSTR）"Engwindemo.c"，MB_OK）；

mxDestroyArray（y）；

}

（5）程序運行的界面與功能：這里只是采用無故障樣本數(shù)據(jù)對程序進行演示。點擊“載入路徑”，軟件將自動輸入事先保存在記事本中的樣本數(shù)據(jù)。該記事本與軟件在同一目錄下。程序的界面如圖4所示。點擊自主模式，在運行過程中，將調(diào)用MATLAB程序，對數(shù)據(jù)進行故障診斷，診斷結果如圖5所示。

圖4 程序運行界面

圖5 程序運行結果

這里D表示參考殘差序列{ωt}R和殘差序列{ωt}RT之間的信息距離。這里D=0，表示待檢測的時間序列所描述的工作狀況是正常的。和之前所選擇的無故障樣本數(shù)據(jù)對程序進行演示是一致的。

4 結語

故障檢測模塊的設計成功，解決了自主移動農(nóng)業(yè)機器人

導航系統(tǒng)故障診斷的難題。故障檢測模塊既可以獲取自主

移動農(nóng)業(yè)機器人導航系統(tǒng)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)又可以完成系統(tǒng)

的性能分析和故障診斷，還可以保證導航系統(tǒng)的正常工作并

且性能指標不受影響。檢測模塊的工作原理為已有設備的性能檢測和故障診斷提供了一種新思路。

由于自主移動農(nóng)業(yè)機器人沒有外部測試設備的檢測接口，目前的故障檢測模塊只能通過串口獲得系統(tǒng)內(nèi)部的信息，一旦系統(tǒng)內(nèi)部的計算機出現(xiàn)故障，將很難實施故障的診斷。由此得到一個提醒，在設計某個產(chǎn)品或系統(tǒng)時應充分考慮到它的檢測性，預留檢測接口，盡可能為以后的故障診斷提供必要的條件。

參考文獻

[1] 林昌龍，劉開周.基于貝葉斯估計的水下機器人羅盤故障檢測[J].控制工程，2015，22（3）：559-563.

[2] 張亮，王繼陽.MATLAB與C/C++混合編程[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[3] 丁魏，戈振楊，盧衷正.GPS組合模糊控制的農(nóng)田機器人導航系統(tǒng)設計[J].農(nóng)機化研究，2015（9）：109-112.

[4] 詹姆斯D·漢密爾頓.時間序列分析[M].斬云匯，等譯.北京：中國社會科學出版社，1999.

[5] CARLSON J，MURPHY R R.Reliability analysis of mobile robots[C]//Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.USA：IEEE，2003：274-281.

[6] 趙琳，班鏡超.組合導航聯(lián)邦濾波故障檢測技術研究[J].遙測遙控，2014，35（2）：9-13.

[7] 慕軍營，戚樹，陳軍，等.自動導航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中的應用及果園適用性分析[J].農(nóng)機化研究，2014（7）：6-12.

[8] 蔣美云，郭雷.機器人導航系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].計算機與數(shù)字工程，2014（10）：1901-1904.

[9] 郝昕玉.自主移動農(nóng)業(yè)機器人導航系統(tǒng)的故障診斷技術研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學，2009.

[10] 安丘.農(nóng)業(yè)機器人視覺導航系統(tǒng)及其光照問題的研究[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學，2008.