溫室機(jī)器人道路識別與路徑導(dǎo)航研究—基于紅外測距

張 麗，李名莉

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

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溫室機(jī)器人道路識別與路徑導(dǎo)航研究—基于紅外測距

張 麗，李名莉

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

針對溫室內(nèi)移動機(jī)器人的應(yīng)用需求，提出了一種基于紅外線測距的溫室機(jī)器人自主導(dǎo)航算法，并使用模糊算法對導(dǎo)航誤差進(jìn)行控制，實現(xiàn)了溫室機(jī)器人的精確自主移動功能。溫室機(jī)器人導(dǎo)航過程中，當(dāng)紅外線接收管接受到紅外線信號時，會產(chǎn)生一個光強(qiáng)電流，電流放大后可以輸出一個模擬電壓；根據(jù)電壓值，通過編程計算，利用電壓和距離的對應(yīng)關(guān)系，可以得到機(jī)器人和標(biāo)志物的距離誤差；距離信息通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)上，PC機(jī)利用模糊控制原理對距離誤差進(jìn)行判斷，發(fā)出控制指令。實驗測試發(fā)現(xiàn)：機(jī)器人導(dǎo)航的距離偏差平均值為-1.28cm，均方差為2.68，超調(diào)較小，可以實現(xiàn)較為精確的導(dǎo)航。

溫室機(jī)器人；紅外測距；路徑導(dǎo)航；模糊控制；PC機(jī)

0 引言

路徑的導(dǎo)航與定位是溫室機(jī)器人視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。在國內(nèi)外的研究中，很多學(xué)者利用CMOS圖像傳感器和雙目圖像采集系統(tǒng)及立體的視差，對導(dǎo)航標(biāo)志進(jìn)行定位，并將標(biāo)志的質(zhì)心轉(zhuǎn)換為空間坐標(biāo)，完成定位。但是，基于雙目的圖像采集系統(tǒng)，由于采用左右兩個相機(jī)來模擬人眼的雙目，其標(biāo)定和匹配的難度較大，因此實現(xiàn)高精度的定位具有一定的困難。利用小波算法、關(guān)聯(lián)性匹配等圖像處理方法可以有效地降低噪聲的干擾，但圖像處理較為復(fù)雜，實時性較差。本研究使用紅外線傳感器，利用其體積小、功耗低、抗干擾和速度快等特點，結(jié)合模糊控制算法，對溫室機(jī)器人道路識別和路徑導(dǎo)航進(jìn)行了深入的研究，對于提高溫室機(jī)器人的自主導(dǎo)航和定位精度具有重要的意義。

1 溫度機(jī)器人路徑導(dǎo)航和紅外測距算法

本文研究設(shè)計的機(jī)器人自動測距主要是依據(jù)紅外線傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個紅外線接收器和2個紅外線發(fā)射管構(gòu)成，檢測距離為10～100cm，可以檢測前方和左右前方的障礙物，并根據(jù)反射回來的紅外線判斷障礙物的距離。其結(jié)構(gòu)原理和測距過程如圖1所示。

圖1 機(jī)器人紅外線識別障礙物和測距原理

圖1中，紅外線發(fā)射的角度為60°，紅外線覆蓋的區(qū)域為陰影區(qū)；當(dāng)接收器接收到信號后向PC上位機(jī)發(fā)出障礙物信號后，PC機(jī)做出反應(yīng)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)障礙物之后，機(jī)器人利用紅外線測距卡PSD進(jìn)行測距，測距原理為三角測量原理。當(dāng)紅外線傳播過程中遇到障礙物時，一部分光被反射回來，反射到PSD傳感器上的部分光束聚焦到透鏡后面的CCD線性電耦合器件上，根據(jù)CCD上的位置便可以知道紅外線的反射角，從而得到距離障礙物的距離。PSD輸出值是電壓的變化，由于電壓和距離為非線性關(guān)系，其函數(shù)表達(dá)式可以寫為

y=α+βx-1

(1)

其中，y為輸出電壓；x為測量距離。如果要根據(jù)電壓顯示測量距離，則需要利用實驗數(shù)據(jù)求出α和β的值。本研究使用較為簡單的分段方法對距離進(jìn)行校準(zhǔn)。傳感器顯示數(shù)據(jù)和距離之間的函數(shù)關(guān)系曲線，可以利用微分方法將曲線分成n段，每段近似為線性關(guān)系，可以得到

(2)

其中，y為機(jī)器人紅外線傳感器顯示的讀數(shù)；x為實際的測量距離，yi-1和xi-1分別為第i-1點紅外線傳感器顯示讀數(shù)和實際測量距離。由此可以得到，在機(jī)器人紅外線傳感器顯示為y時機(jī)器人實際的測量距離為

(3)

因此，根據(jù)紅外線顯示數(shù)據(jù)，便可以推算出機(jī)器人實際的測量距離。在機(jī)器人進(jìn)行自主導(dǎo)航過程中，可以在溫室中設(shè)置標(biāo)定物(如導(dǎo)航線)，使機(jī)器人實現(xiàn)自主導(dǎo)航。溫室機(jī)器人在作業(yè)過程中，當(dāng)機(jī)器人偏離導(dǎo)航線一定距離時，會產(chǎn)生誤差，為了消除誤差對導(dǎo)航精度的影響，利用模糊控制規(guī)則對誤差進(jìn)行控制，其原理如圖2所示。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)原理圖

模糊化過程主要將輸入誤差劃分為語言詞集，然后定義隸屬函數(shù)，將非模糊化的誤差量轉(zhuǎn)換為模糊量。該模糊量用隸屬度的某個詞集表示，然后利用經(jīng)驗總結(jié)的規(guī)則語句組成的規(guī)則庫對模糊控制過程進(jìn)行表述，其表達(dá)式為

IF(X1為A1,...,Xn為An)and

(Y1為B1,...,Yn為Bn),

THEN(Z1為C1,...,Z1為C1)

(4)

其中，X、Y為模糊化后輸入信息；Z為去模糊化后的輸出信息；Ai、Bi、Ci(i=1,2,…,n)為第i條規(guī)則語句輸入量和輸出量的詞集。將Ai、Bi、Ci看成X、Y、Z對應(yīng)論域上的詞集，可以推出控制語句之間的關(guān)系為

Ri=(Ai×Bi)×Ci

(5)

Ri隸屬函數(shù)的表達(dá)式為

μRi(X,Y,Z)=μAi(xi)∧μBi(yi)∧μci(zi)

?x∈X,?y∈Y,?z∈Z

(6)

為了求出所有模糊規(guī)則對應(yīng)的模糊關(guān)系，可以采用取并集的方法，其表達(dá)式為

(7)

R的隸屬函數(shù)為

(8)

將X、Y模糊化后得到模糊集A、B，通過推理后得到C，其表達(dá)式為

C=(A×B)·R

(9)

C的隸屬函數(shù)為

(10)

由于被控制的機(jī)器人誤差大小有一定的控制要求，因此需要對模糊集進(jìn)行去模糊化處理。最常用的方法是將隸屬度函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，然后進(jìn)行判別，其表達(dá)式為

(11)

在機(jī)器人誤差控制過程中，以誤差范圍K作為基本論域，利用三角形分布的方法將誤差進(jìn)行劃分，其隸屬函數(shù)的表達(dá)式為

(12)

其中，a、b、c分布為誤差的閾值，可以通過對其數(shù)值的設(shè)定，約束溫室機(jī)器人在溫室導(dǎo)航中的位置誤差，從而提高機(jī)器人自主導(dǎo)航的精確性。

2 紅外線測距硬件和軟件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

在移動式機(jī)器人的設(shè)計中，一般采用單片機(jī)作為中央控制器，紅外線測距模塊也采用單片機(jī)作為控制模塊，如AVR、ATMEGA16等微處理器。這些控制器雖然可以完成信號的接收與傳輸，并可以將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，但其運算速度較低，數(shù)字信號的處理功能較少，無法完成機(jī)器人控制的關(guān)鍵技術(shù)，因此需要借助于ARM系列處理器，來完成機(jī)器人的硬件設(shè)計。

1)系統(tǒng)組成。ARM系列處理器有許多無可比擬的優(yōu)勢，并支持多線程，其運算速度較快、開發(fā)周期較短，因此在移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。本次研究采用三星公司的S3C2440A，其片上的資源非常豐富，性價比比較高，集成了嵌入式系統(tǒng)接口，并具有串口通訊、網(wǎng)絡(luò)通訊功能，還具有APD轉(zhuǎn)換模塊。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)組成

當(dāng)紅外線得到導(dǎo)航標(biāo)識的具體信息后，距離信息由電壓信號經(jīng)過S3C2440A輸入引腳Ain0，S3C2440A利用APD模塊對模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過編程計算得到具體的距離信息，并將距離信息通過串口傳輸?shù)絇C機(jī)上；PC機(jī)利用模糊控制原理對距離誤差進(jìn)行判斷，發(fā)出控制指令。

2)紅外測距模塊。紅外線是微波和可見光之間的一種電磁波，具有光的直線傳播、反射和折射功能，還具有微波特性，穿透力較強(qiáng)，可以貫穿一些不透明的物質(zhì)。紅外線傳感器主要是由發(fā)射器和接收器構(gòu)成，由于自然界中所有物體的溫度都高于絕對零度，都會輻射紅外線，因此紅外線傳感器具有較強(qiáng)的發(fā)射和接受功能。

圖4為紅外線測距模塊的硬件框圖。在測距過程中，首先利用紅外線發(fā)光發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線遇到障礙物時，會被反射到接收管內(nèi)，此時紅外線接收管也會產(chǎn)生一個光強(qiáng)電流，電流放大后可以輸出一個模擬電壓；根據(jù)電壓值，利用電壓和距離的對應(yīng)關(guān)系，可以得到機(jī)器人和導(dǎo)航標(biāo)志物之間的位置關(guān)系，從而為自主導(dǎo)航提供依據(jù)。

圖4 紅外測距模塊硬件框圖

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要是主程序的設(shè)計。通過主程序的驅(qū)動，使機(jī)器人可以完成距離的測量，為自主導(dǎo)航的精確控制提供相應(yīng)的依據(jù)。軟件的設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計主流程圖

開始時，首先將S3C2440A進(jìn)行初始化，通過紅外線信號的發(fā)射和采集得到電壓模擬信號，利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將電壓轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的距離值，最后輸出相應(yīng)的距離值。

3 溫室紅外線導(dǎo)航機(jī)器人性能測試

本次對溫室機(jī)器人設(shè)計的最終目的是實現(xiàn)機(jī)器人在溫室道路上的自主行走。為了測試機(jī)器人的性能，在溫室環(huán)境中對機(jī)器人進(jìn)行了測試。溫室道路及其周圍環(huán)境如圖6所示。

圖6 溫室道路和周圍環(huán)境

溫室道路寬度為0.8m，在試驗過程中，以中心線作為導(dǎo)航標(biāo)志物，使溫室機(jī)器人沿著中心線進(jìn)行自主導(dǎo)航，使用的機(jī)器人構(gòu)造如圖7所示。

該機(jī)器人具有紅外線測距模塊及光電編碼器等，并配置了PC上位機(jī)，以實現(xiàn)模糊控制算法。機(jī)器人的本體寬度為0.6 m，移動方式為四輪形式，驅(qū)動輪為前輪，每個輪配備了400W伺服電機(jī)，通過測試得到了如圖8所示的機(jī)器人導(dǎo)航偏差曲線。

1.激光測距儀 2.顯示器 3.后輪 4.前輪 5.驅(qū)動電機(jī)

圖8 導(dǎo)航偏差檢測

在整個測試過程中，每隔2s完成一次掃描，并計算一次導(dǎo)航偏差；整個試驗的掃描次數(shù)為130次，通過計算得到的偏差曲線。最后，統(tǒng)計計算得到的偏差平均值為-1.28cm，均方差為2.68，超調(diào)較小，說明模糊控制對于機(jī)器人的導(dǎo)航起到了很好的控制效果，也驗證了紅外線機(jī)器人導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論和討論

為了實現(xiàn)溫室機(jī)器人自主導(dǎo)航能力，提高導(dǎo)航的速度和精度，結(jié)合紅外線測距原理，設(shè)計了一種新的移動式溫室機(jī)器人，并采用模糊控制算法對導(dǎo)航誤差進(jìn)行了控制，從而實現(xiàn)了機(jī)器人較為精確的自主導(dǎo)航功能。為了驗證機(jī)器人的自主導(dǎo)航功能和模糊控制算法的可靠性，在溫室內(nèi)對機(jī)器人的導(dǎo)航性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明：機(jī)器人導(dǎo)航的距離偏差平均值為-1.28cm，均方差為2.68，超調(diào)較小，可以實現(xiàn)較為精確的導(dǎo)航。本試驗僅對較為平坦的溫室道路進(jìn)行了測試，對于陡坡和凹凸不平的路面還沒有進(jìn)行測試，在下一步的研究中，將結(jié)合三維紅外線測距方法，爭取解決復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中的導(dǎo)航問題，為溫室機(jī)器人的研究提供移動式的平臺支持。

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Greenhouse Robot Path Recognition and Path Navigation —Based on Infrared Distance Measurement

Zhang Li, Li Mingli

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

In view of the greenhouse in mobile robot applications, and puts forward a greenhouse robot autonomous navigation based on infrared distance measurement algorithm and use fuzzy algorithm to control the navigation error, to achieve the greenhouse robot autonomous precision mobile function. Greenhouse robot navigation in the process, when the infrared receiving tube receives the infrared signal, to generate a light current, current amplification can be an analog voltage output, according to the voltage values, calculated by programming, using the corresponding relation between the voltage and the distance can machine and markers of the distance error is obtained. Distance information through the serial port to transfer to the PC, PC using fuzzy control principle to judge distance error, sends out the control command. Finally through the test found that the distance deviation of robot navigation average - 128 cm, and the mean square error is 2.68, smaller overshoot, can achieve more accurate navigation.

greenhouse robot; infrared distance measurement; navigation; fuzzy control; PC

2016-01-08

河南省自然科學(xué)基金項目(2015ZCB115)；南陽市科技公關(guān)項目(2013GG044)

張 麗(1979-)，女，河南南陽人，講師，碩士。

李名莉(1987-)，女，河南南陽人，助教，碩士，(E-mail)mlli1987@qq.com。

TP242.6;S24

A

1003-188X(2017)04-0221-05