基于多路由協(xié)議的株間鋤草機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

李　偉，江民夏，汪小志，余良俊

(1.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌　330095；2.南昌大學(xué) 過程裝備與控制工程系，南昌　330031；3.武漢工程科技學(xué)院，武漢　430200)

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基于多路由協(xié)議的株間鋤草機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

李偉1，江民夏1，汪小志2，余良俊3

(1.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南昌330095；2.南昌大學(xué) 過程裝備與控制工程系，南昌330031；3.武漢工程科技學(xué)院，武漢430200)

摘要：為獲得理想的苗間機(jī)械鋤草效果，提出了一種新的鋤草機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。該方法主要采用多目標(biāo)優(yōu)化模型對(duì)鋤草末端結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用多路由協(xié)議對(duì)多鋤草機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同控制，大大提高了田間鋤草機(jī)器人的工作效率。在建立了機(jī)械鋤草齒運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)藝對(duì)機(jī)械鋤草參數(shù)的限定及要求，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型，并利用MatLab優(yōu)化工具箱得到最優(yōu)解，將其應(yīng)用在多機(jī)器人系統(tǒng)控制的多路由協(xié)議框架中。為了驗(yàn)證優(yōu)化方法的有效性，在田間對(duì)多鋤草機(jī)器人協(xié)同作業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明：優(yōu)化后的多路由鋤草機(jī)器人不僅大大提高了作業(yè)速度和鋤草效率，而且降低了作物苗損失率，為大型中耕除草機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋤草機(jī)器人；多路由協(xié)議；中耕機(jī)械；多目標(biāo)優(yōu)化；鋤草率

0引言

鋤草工作開始時(shí)，鋤草機(jī)器人開始采集田間苗草圖像，并將采集到的圖像輸入PC機(jī)里。機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，搭載在鋤草機(jī)械上的視覺系統(tǒng)動(dòng)態(tài)采集田間苗草圖像并輸入PC機(jī)，PC機(jī)對(duì)圖像處理后可得出刀苗距信息及鋤刀運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)行圖控制系統(tǒng)融合旋轉(zhuǎn)編碼器和霍爾傳感器的輸入信息，將輸出信息實(shí)時(shí)傳送給電動(dòng)機(jī)。鋤草機(jī)器人在工作時(shí)，鋤刀工作同時(shí)繞電動(dòng)機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)可鏟除雜草，并完成切割。鋤刀控制系統(tǒng)將轉(zhuǎn)速信息輸出到電動(dòng)機(jī)，從而完成不同位置電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角控制，使鋤刀轉(zhuǎn)動(dòng)1圈時(shí)正好停留在相鄰的兩株苗中間；當(dāng)鋤刀處于苗位置時(shí)，苗與豁口正好對(duì)齊，避苗完成，其主要控制過程如圖1所示。

由圖1可以看出：在多路由協(xié)議的控制下，機(jī)器人可以完成協(xié)同控制；但是這對(duì)于鋤草機(jī)器人刀具的要求較高，因此需要對(duì)刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其優(yōu)化過程如圖2所示。其基本過程是首先建立刀具的模型，然后利用實(shí)際刀具的約束條件，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，并利用MatLab對(duì)最優(yōu)解進(jìn)行求解，最后對(duì)刀具進(jìn)行優(yōu)化。

圖1　鋤草機(jī)器人控制框圖

圖2　刀具優(yōu)化過程示意圖

1鋤草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋤草機(jī)器人由多種系統(tǒng)組成，包括移動(dòng)平臺(tái)、視覺圖像獲取系統(tǒng)及鋤草機(jī)具等。在移動(dòng)平臺(tái)的下方裝有鋤草機(jī)具，平臺(tái)的上前方裝有獲取圖像的攝像機(jī)。如圖3所示，攝像機(jī)視場(chǎng)下邊和盤型旋轉(zhuǎn)鋤刀的旋轉(zhuǎn)中心正好相對(duì)齊。

1.移動(dòng)平臺(tái)　2.視覺信息獲取系統(tǒng)　3.鋤草機(jī)具

當(dāng)鋤草機(jī)器人在田間工作時(shí)，視覺系統(tǒng)將獲取的圖像信息進(jìn)行分析處理，從而準(zhǔn)確獲得鋤刀旋轉(zhuǎn)中心和菜苗的相對(duì)位置；機(jī)器人的控制系統(tǒng)依照苗與刀的間距做出準(zhǔn)確的鋤刀轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)腳的調(diào)整，控制好苗株和鋤刀的相對(duì)位置；達(dá)到經(jīng)過每個(gè)苗間距時(shí)，鋤刀都保證旋轉(zhuǎn)1周，從而實(shí)現(xiàn)鋤草避苗，如圖4所示。

圖4　鋤草刀工作過程仿真

影響鋤草率和傷苗率的主要因素為鋤草刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)，鋤草率和鋤草作業(yè)前后的雜草株數(shù)有關(guān)，傷草率和完成鋤草后損傷的秧苗株數(shù)有關(guān)。目前，由于沒有對(duì)雜草的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行模擬，所以很難得出雜草的株數(shù)和損傷的苗株數(shù)，因此用覆蓋率和入侵率代替鋤草率和傷苗率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。覆蓋率和入侵率是影響鋤草率和傷苗率的關(guān)鍵問題。

圖5表示鋤草機(jī)器人在苗間鋤草時(shí)的示意圖。其中，區(qū)域1表示刀具的實(shí)際覆蓋區(qū)域，區(qū)域2表示刀具未覆蓋區(qū)域，區(qū)域3為防止傷苗的保護(hù)帶，對(duì)于不同株距的刀具運(yùn)動(dòng)如圖6所示。

當(dāng)株距比200mm小時(shí)，刀具在盲區(qū)的轉(zhuǎn)角小于180°；當(dāng)株距等200mm時(shí)，刀具在盲區(qū)的轉(zhuǎn)角等于180°；當(dāng)株距比200mm大時(shí)，刀具在盲區(qū)的轉(zhuǎn)角小于180°。其中，機(jī)器人通過車載的DGPS來獲取位置和方向信息，對(duì)其軌跡、速度和方向進(jìn)行控制。

1.區(qū)域1　2.區(qū)域　3.區(qū)域3

圖6　不同株距刀具運(yùn)動(dòng)示意圖

鋤草機(jī)器人在田間作業(yè)時(shí)，可穿越障礙物，實(shí)現(xiàn)田間操作的可跨壟行作業(yè)，提高了作業(yè)效率，如圖7所示。

圖7　裝置穿越障礙物示意圖

2鋤具多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以水平旋轉(zhuǎn)刀具的中心為坐標(biāo)圓點(diǎn)O，過O點(diǎn)水平方向，機(jī)組前進(jìn)方向?yàn)閤軸，過O點(diǎn)的垂直方向?yàn)閥軸，則鋤草機(jī)器人末端刀具的擺線方程為

(1)

其中,t為時(shí)間，ω為角速度，R表示刀具直徑，Vm表示刀具的前進(jìn)速度。假設(shè)相鄰兩組曲線的相位之差為φ，則刀具平移的曲線方程可表示為

(2)

其中,k為鋤草齒序號(hào)。xk可以表示為

(3)

兩個(gè)鋤草齒到同一個(gè)位置的時(shí)間差為

(4)

其中,Z表示齒數(shù)，則相鄰兩個(gè)鋤草齒的齒跡在x軸方向的間距為

(5)

其中,Vr表示徑向速度。平移曲線與原始曲線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)可表示為

(6)

原始曲線的極坐標(biāo)為

(7)

將式(6)帶入式(3)可得

(8)

其中,yck表示平移曲線與原始曲線的交點(diǎn)縱坐標(biāo)，則近似菱形齒跡縱向跨度為

(9)

假設(shè)近似菱形齒跡橫向跨度x與理想跨度由20mm的誤差，有

(10)

假設(shè)近似菱形齒跡橫向跨度y與理想跨度有1.5Δx的誤差，有

(11)

假設(shè)不可用軌跡區(qū)間大小為

F3=2R-∑[Δyksign(Δyk-40)sing(55-Δyk)]

(12)

則可以建立多目標(biāo)優(yōu)化模型為

(13)

利用MatLab軟件可以求得多目標(biāo)的最優(yōu)解，其中求得Vm0=6.28，Z0=16.32，R=163，n=126。根據(jù)這些參數(shù)，可以對(duì)機(jī)器人執(zhí)行末端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

3多路由鋤草機(jī)器人田間測(cè)試

為了驗(yàn)證鋤草末端結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化和鋤草機(jī)器人多路由協(xié)同控制的有效性和可靠性，在田間對(duì)鋤草機(jī)器人的苗間作業(yè)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過對(duì)多路由多機(jī)器人協(xié)同控制的作業(yè)效果試驗(yàn)，得到機(jī)器人鋤草的效果。多機(jī)器人協(xié)同工作的示意圖如圖8所示。

圖8　鋤草機(jī)器人協(xié)同作業(yè)

利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)鋤草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，可以降低鋤草機(jī)器人的傷苗率。其中，通過試驗(yàn)，得到了普通方法和多目標(biāo)優(yōu)化方法得到的鋤草機(jī)器人傷苗率對(duì)比曲線，如圖9所示。

圖9　傷苗率對(duì)比曲線

由測(cè)試結(jié)果可以看出，使用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)鋤草機(jī)器人的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，可以大大降低鋤草機(jī)器人的傷苗率。

表1表示通過5次測(cè)試，得到的田間鋤草時(shí)間的對(duì)比結(jié)果。由表1可以看出：使用多路由鋤草機(jī)器人對(duì)可以有效的提高鋤草的速度，并且鋤草速度變化比較平穩(wěn)。

表2表示通過5次測(cè)試，得到的鋤草率的對(duì)比結(jié)果。由表2可以看出：使用多路由鋤草機(jī)器人對(duì)可以有效的提高鋤草率，從而驗(yàn)證了機(jī)器人多路由協(xié)同控制方法在鋤草效果上的優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)代自動(dòng)化鋤草裝備的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

表1　鋤草時(shí)間對(duì)比表

表2　鋤草率對(duì)比表

4結(jié)論

1)提出了一種新的鋤草機(jī)器人刀具多目標(biāo)優(yōu)化方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了建模和MatLab最優(yōu)解的計(jì)算，提出了一種多路由協(xié)議的機(jī)器人協(xié)同控制方法，并對(duì)其工作效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2)通過對(duì)傳統(tǒng)鋤草機(jī)器人和多路由協(xié)議多目標(biāo)算法優(yōu)化后的機(jī)器人的鋤草效率進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，選用多目標(biāo)和多路由協(xié)議協(xié)同控制不僅可以提高鋤草速度，而且可以提高鋤草率，降低傷苗概率。

3)該裝置可以得到理想的苗間機(jī)械鋤草效果，為現(xiàn)代自動(dòng)化大型中耕除草裝備的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)理論依據(jù)。但是，也有很多需要改進(jìn)的地方，如刀具的形式、機(jī)器人系統(tǒng)控制的數(shù)量等。

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Control Optimization Design and Structure of Plant Weeding Robot Based on Muti-routing Protocols

Li Wei1,Jiang Minxia1,Wang Xiaozhi2,Yu liangjun3

(1.Jiangxi Modern Polytechnic College, Nanchang 330095,China; 2.Department of Process Equipment and Control Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031, China;3.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200，China)

Abstract：In order to obtain the ideal effect of mechanical weeding between seedlings,it presents a new structural optimization method of weeding robot.It adopts the multi-objective optimization model to design the terminal structure of weeding, the cooperative control of multiple weeding robot with multiple routing protocols,greatly improving the work efficiency of field weeding robot. Based on the established mechanical weeding tooth trajectory mathematical model, it was combined with the requirements of modern agriculture to the limit and mechanical weeding parameters.The multi-objective optimization model is established,and the optimization toolbox of Matlab to obtain the optimal solution and its application in multi robot routing protocol system control framework.In order to verify the validity of the optimization method,experiments are carried out in collaboration of multi field weeding robot, it found through experiments, the multi routing weeding robot after optimization,not only greatly improves the operation speed and the weeding efficiency,but also reduce the crop loss rate, which provides a theoretical basis for the design of rotary tillage weeding machine in large scale.

Key words：weeding robot; multipath routing; cultivating machine; multi objective optimization; weeding rate

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0237-05

中圖分類號(hào)：S224.1;TP242.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李偉(1981-)，男，江西余干人,講師。通訊作者：余良俊(1984-)，女，武漢人，講師，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFC1079);湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013CFB418)

收稿日期：2015-04-12