基于遙控的溫室噴霧機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

賈衛(wèi)東，顏　杰，歐鳴雄，沈　躍，王浩宇，董　祥

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 鎮(zhèn)江　212013；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083)

0　引言

與傳統(tǒng)種植方式相比，設(shè)施農(nóng)業(yè)具有更顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。其中，溫室發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)日趨壯大，已然成為21世紀(jì)最具活力的農(nóng)業(yè)新產(chǎn)業(yè)[1]。病蟲害防治作為農(nóng)作物生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，離不開高效安全的施藥機(jī)械。目前，我國(guó)的溫室施藥機(jī)具在實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化方面還有些欠缺，溫室空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，施藥機(jī)具操縱方便性差，絕大多數(shù)還依靠人工作業(yè)，不僅工效低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高、而且存在較大的施藥安全隱患[1-3]。越來越多的國(guó)家已經(jīng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用溫室噴霧機(jī)器人，并且融合了變量噴霧技術(shù)和精確噴霧技術(shù)，不僅降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且達(dá)到了有效利用農(nóng)藥及減輕環(huán)境污染的目的[4]。

在溫室生產(chǎn)中，安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)和準(zhǔn)確的路徑導(dǎo)航是保證噴霧機(jī)器人完成施藥作業(yè)任務(wù)及達(dá)到較好施藥效果的關(guān)鍵。多年來，圍繞溫室噴霧機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，如采用軌道式技術(shù)[5]、電磁感應(yīng)技術(shù)[6]、機(jī)器視覺技術(shù)[7-9]和激光技術(shù)[10]等實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航。李良等設(shè)計(jì)了溫室軌道施藥機(jī)器人系統(tǒng)；宋健等設(shè)計(jì)了電磁誘導(dǎo)式噴霧機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)；李明等設(shè)計(jì)了基于視覺傳感器的定位系統(tǒng)；賈世偉等開發(fā)了基于激光測(cè)距儀的路徑導(dǎo)航方法。軌道式技術(shù)和電磁感應(yīng)技術(shù)需要分別預(yù)先架設(shè)導(dǎo)軌、鋪設(shè)誘導(dǎo)線及磁標(biāo)等，應(yīng)用受限且成本高；機(jī)器視覺定位算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差；激光技術(shù)定位電路復(fù)雜，成本較高?，F(xiàn)有導(dǎo)航及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)存在實(shí)現(xiàn)困難、成本過高及容易發(fā)生誤操作等問題，所以在溫室中還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到實(shí)踐運(yùn)用的效果。

本文在溫室風(fēng)送靜電噴霧機(jī)上，搭載了圖像傳輸系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了基于無線遙控與沿作物行中心線自適應(yīng)行走相結(jié)合的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在人不進(jìn)入溫室的情況下，根據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)淖鳂I(yè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)在溫室環(huán)境里安全可靠平穩(wěn)的運(yùn)行，且在施藥過程中始終與作物保持近似平行，避免了重噴漏噴等現(xiàn)象。

1　溫室智能噴霧機(jī)樣機(jī)

1.1總體結(jié)構(gòu)

所研究的樣機(jī)是自主設(shè)計(jì)的溫室風(fēng)送靜電噴霧機(jī)，包括移動(dòng)底盤與噴霧系統(tǒng)，主要由施藥模塊、傳感模塊、控制模塊、動(dòng)力模塊和電源模塊組成。其中，超聲波與車輪布置示意圖如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

1、2.前組超聲波傳感器　3、4.后組超聲波傳感器 5.避障停車超聲波傳感器　6、7.驅(qū)動(dòng)輪　8、9.從動(dòng)輪

1.攝像頭　2、5.前組超聲波傳感器　3、6.驅(qū)動(dòng)輪 4.避障停車超聲波傳感器　 7.從動(dòng)輪　8.后組超聲波傳感器圖2　溫室噴霧機(jī)示意圖

施藥模塊包含藥箱、微型隔膜泵、電磁閥及噴嘴等。傳感模塊主要包括5個(gè)超聲波傳感器，分別安裝在噴霧機(jī)前方和兩側(cè)，前方傳感器用來緊急避障停車，兩側(cè)傳感器用來檢測(cè)車體位置狀態(tài)，以便于實(shí)現(xiàn)沿作物行中心線行走的自適應(yīng)控制?？刂颇K主要包括遙控與自適應(yīng)的兩個(gè)控制單元且都是基于STM32設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制器。遙控單元對(duì)噴霧機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的運(yùn)動(dòng)控制，包括前進(jìn)、后退、加減速、左右轉(zhuǎn)及啟停等功能，并且在作物行間直線行走時(shí)開啟沿作物行中心線行走的自適應(yīng)控制功能。動(dòng)力模塊主要采用四輪式結(jié)構(gòu)，前兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，后兩輪為從動(dòng)輪，所用電機(jī)為兩套步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，其轉(zhuǎn)向則是通過兩個(gè)電機(jī)的差速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。為保證平穩(wěn)性，電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪采用同步帶傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

圖3　溫室噴霧機(jī)樣機(jī)

1.2遙控與自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)及原理

遙控與自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由控制模塊、檢測(cè)模塊及動(dòng)力模塊協(xié)調(diào)完成。動(dòng)力模塊采用86BYG型減速步進(jìn)電機(jī)及配套的MA860H細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制信號(hào)與步進(jìn)電機(jī)采用共陽(yáng)極接法，如圖4所示。

圖4　控制信號(hào)共陽(yáng)極接法

控制信號(hào)包括遙控主機(jī)的發(fā)送信號(hào)和超聲波傳感器所測(cè)得的距離信號(hào)。從機(jī)控制器實(shí)時(shí)接收及處理控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的運(yùn)動(dòng)，由從機(jī)控制器給驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖信號(hào)與方向信號(hào)，就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和車輪以一定的速度與方向轉(zhuǎn)動(dòng)。本樣機(jī)車速可以實(shí)現(xiàn)0～1.5m/s可調(diào)，加減速的步長(zhǎng)為0.1m/s。

為了避免一些誤動(dòng)作和偏差，脈沖信號(hào)(PUL)、方向信號(hào)(DIR)、使能信號(hào)(ENA)應(yīng)滿足一定的時(shí)序要求。在實(shí)際運(yùn)用中，本設(shè)計(jì)將使能信號(hào)完全懸空，如圖5所示。

圖5　控制信號(hào)時(shí)序圖

2　遙控與自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件設(shè)計(jì)

溫室智能噴霧機(jī)遙控與自適應(yīng)控制系統(tǒng)采用主從式控制方式，系統(tǒng)基于STM32開發(fā)而成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

主從控制器采用STM32F103ZET6的103系列芯片，是基于ARM Cortex-M3核心的32 位微控制器，512k片內(nèi)FLASH并支持在線編程，64k片內(nèi)RAM，7個(gè)定時(shí)器，3路AD輸入，2路DA輸出，高達(dá)72MHz的頻率，數(shù)據(jù)、指令分別走不同的流水線，以確保CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大化。超聲波傳感器采用防水型一體化超聲波探頭,探測(cè)范圍20～450cm，分辨率0.5cm，盲區(qū)20cm。無線模塊采用433M的 E30-TTL-100，其嵌入高速低功耗單片機(jī)和高性能射頻芯片SI4463，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高；發(fā)射功率 100MW，具有無線喚醒功能。主機(jī)控制器按鍵模塊發(fā)出的指令通過無線模塊發(fā)送給從機(jī)控制器，接收到指令后控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)完成動(dòng)作。此外，在作物行間直線行走時(shí)遙控從機(jī)開啟沿作物行中心線自適應(yīng)行走功能，通過超聲波傳感器獲得的信號(hào)，經(jīng)過從機(jī)控制器與PID控制程序處理后，發(fā)送出控制信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制左右步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變左右輪的車速，調(diào)節(jié)車體狀態(tài)，使車體始終沿著作物行中心線行走。整個(gè)系統(tǒng)的供電由兩組24VDC蓄電池，各個(gè)模塊所需要的電壓可由24VDC電源升降壓提供。

2.2軟件設(shè)計(jì)

2.2.1遙控與自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制主程序

遙控與自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)遙控主機(jī)信號(hào)的發(fā)送和從機(jī)信號(hào)的接收、超聲波傳感器距離信號(hào)的采集、步進(jìn)電機(jī)控制指令的生成及輸出、工作參數(shù)輸入和系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示等功能?？刂破髦鞒绦蛄鞒虉D如圖7所示。

圖7　主程序流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)后，開始自檢并初始化；通過遙控主機(jī)按鍵輸入工作參數(shù)后，系統(tǒng)讀取并判斷工作參數(shù)是否正常，不正常則重新輸入，正常則發(fā)送參數(shù)數(shù)據(jù)。從機(jī)控制器一直掃描并等待接收主機(jī)信號(hào)，如果接收到遙控參數(shù)信息，立即判斷是否開啟自適應(yīng)模式，如果不是則完成指定動(dòng)作；否則，就立即啟動(dòng)前方避障傳感器采集定時(shí)中斷程序，判斷前方是否有障礙物，有則報(bào)警停車，無則啟動(dòng)兩邊避障采集定時(shí)中斷程序進(jìn)行兩邊4個(gè)距離的定時(shí)循環(huán)采集和更新。之后，從機(jī)控制器讀取最新的兩邊測(cè)量距離并先后進(jìn)行比較，生成步進(jìn)電機(jī)調(diào)整信號(hào)的指令，并輸出給驅(qū)動(dòng)器。

在噴霧機(jī)作業(yè)過程中，需要超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)距離信號(hào)并反饋給控制器。本文采用了5個(gè)超聲波傳感器，為避免它們之間的相互影響，控制器將先后分別驅(qū)動(dòng)5個(gè)傳感器進(jìn)行距離檢測(cè)。首先，由前方傳感器5判斷前方是否有障礙物，當(dāng)前方1m處有障礙物時(shí)，車速立即降為當(dāng)前速度的1/2；當(dāng)距離前方0.4m時(shí)，報(bào)警停車。若無障礙物，則分別啟動(dòng)傳感器1、2、3、4檢測(cè)。此外，由于環(huán)境的干擾及超聲波傳感器本身的測(cè)量誤差都會(huì)對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，所以對(duì)超聲波傳感器的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判斷、優(yōu)化是十分有必要的。本文針對(duì)可能存在的測(cè)量誤差采用去最值平均法。即單個(gè)超聲波對(duì)同一位置處的距離連續(xù)檢測(cè)5次，得到的測(cè)量值分別記為X1、X2、X3、X4、X5，并進(jìn)行比較排序，去掉最大值與最小值之后，對(duì)剩下的3個(gè)測(cè)量值進(jìn)行求平均值作為一次測(cè)量結(jié)果。

2.2.3自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制方法

針對(duì)溫室道路有障礙物、打滑及運(yùn)動(dòng)誤差或凹凸型墻體等因素，設(shè)計(jì)一種沿作物行中心線自適應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制的行走方法，避免了傾斜碰撞且使噴霧機(jī)近似平行于作物，達(dá)到較好的施藥防治效果。自適應(yīng)控制系統(tǒng)由5個(gè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，并經(jīng)過控制器運(yùn)算比較，再給電機(jī)發(fā)出運(yùn)動(dòng)調(diào)整的控制信號(hào)。

步進(jìn)電機(jī)所需的調(diào)節(jié)信號(hào)及控制算法可以通過分析不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及超聲波測(cè)量結(jié)果綜合反向推導(dǎo)得出，如圖8所示。以左側(cè)情況為例分析行走方案及算法，假設(shè)溫室道路左側(cè)存在凸出墻體或障礙物及運(yùn)動(dòng)誤差或打滑引起的車體傾斜。

圖8　車體調(diào)整狀態(tài)變化示意圖

如圖8(a)中所示虛線為初始中心線1，D1、D2、D3、D4 分別表示傳感器1、2、3、4所檢測(cè)到的距離值。假設(shè)左邊有凸出墻體或障礙物，那么車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)只包括不做調(diào)整和向右調(diào)整(或向右調(diào)整后再向左調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))。結(jié)合標(biāo)號(hào)1和2所示，左側(cè)的兩個(gè)傳感器(1、3)沒有同時(shí)檢測(cè)到，而是先后經(jīng)過障礙物，故車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不需要做調(diào)整。其中，當(dāng)傳感器1經(jīng)過時(shí)，檢測(cè)條件滿足D1

如圖8(a)中標(biāo)號(hào)3所示，當(dāng)傳感器1和3同時(shí)檢測(cè)到時(shí)，則需要向右調(diào)整(或向右調(diào)整后再向左調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))，這一調(diào)整過程包括先調(diào)整到新的中心線2行走，然后再回到中心線1行走。對(duì)此情況做具體放大分析，如圖8(b)所示。調(diào)整過程分為前半段和后半段討論：前半段檢測(cè)條件滿足D1D4。

基于有限元及試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪模態(tài)分 析 ……………………………………… 孟德健，張伯俊，董曉偉（32）

以上是針對(duì)一側(cè)進(jìn)行討論，另一側(cè)則與之相反。為了簡(jiǎn)化算法復(fù)雜程度便于實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用，對(duì)以上判定條件進(jìn)行綜合討論分類研究，可得到整體自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的判別條件。

當(dāng)D1=D2 時(shí)，車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不做調(diào)整。當(dāng)D1

若D3不等于D4，則向右調(diào)整(或向右調(diào)整后再向左調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))，直至D1=D2。當(dāng)D1>D2 時(shí)，若D3=D4，則不需要調(diào)整；若D3不等于D4，則向左調(diào)整(或向左調(diào)整后再向右調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))，直至D1=D2。

由于以上判斷方法存在噴霧機(jī)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過程中循環(huán)走折線的問題，不能快速達(dá)到穩(wěn)定的工作效果，在其基礎(chǔ)上引入了PID控制方法，設(shè)定期望值α及運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)際測(cè)量的實(shí)時(shí)變化值L2，將L2與α的差值作為PID的輸入?yún)?shù)，輸出實(shí)時(shí)PWM脈沖，從而控制左右輪的速度，調(diào)整車身位置以保證沿中心線附近行走。

此外，由于實(shí)際工作因素的影響，為了避免噴霧機(jī)在沿作物行中心線行走的過程中發(fā)生頻繁調(diào)節(jié)的現(xiàn)象及不能滿足平穩(wěn)性要求，對(duì)于以上判別條件中大小的判斷存在誤差(如檢測(cè)到的數(shù)值不可能完全相等)，系統(tǒng)設(shè)定了調(diào)節(jié)閥值δ。例如，當(dāng)-δ≤D1-D2≤δ時(shí)，判定D1=D2。

3　室內(nèi)場(chǎng)地試驗(yàn)

噴霧機(jī)的車體寬0.6m，走廊寬2.2m，行駛速度為0.5m/s，設(shè)定閥值δ=10cm。圖9為噴霧機(jī)在走廊中行走的情況。為了方便測(cè)量與記錄，在噴霧機(jī)尾部中心位置安裝了沙漏裝置，通過漏細(xì)沙的方法記錄運(yùn)動(dòng)軌跡，并且通過游標(biāo)卡尺檢測(cè)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)到道路中心線的實(shí)際距離，且當(dāng)車體調(diào)整到沿中心線附近行走(即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài))時(shí)，讀取前后兩組超聲波所檢測(cè)距離的差值(即前組傳感器1和2的差值)，則

d1=|D1-D2|

(1)

后組傳感器3和4的差值為

d2=|D3-D4|

(2)

對(duì)兩組差值取均值后，再計(jì)算出傳感器所測(cè)量的偏移道路中心線的距離，即

(3)

同時(shí)，與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。在調(diào)整階段，沿道路每0.5m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在達(dá)到中心線附近時(shí)每2m設(shè)置一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，共記錄10個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分別如表1和表2所示。

圖9　走廊環(huán)境試驗(yàn)

由表1、表2可知：當(dāng)噴霧機(jī)在沿作物行中心線行走時(shí)，能夠快速調(diào)整運(yùn)動(dòng)到中心線附近；當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，噴霧機(jī)中心距離道路中心線的距離平均值為6cm，最大值為7cm。根據(jù)前后兩組超聲波傳感器讀出的數(shù)據(jù)，計(jì)算出偏移道路中心線偏差值的均值為5.3cm，實(shí)際測(cè)量值與傳感器測(cè)量偏移值的誤差均值為0.7cm。根據(jù)設(shè)定的閥值δ=10cm，理論偏移中心線距離為5cm。所以，基本滿足控制要求及誤差要求。

表1室內(nèi)場(chǎng)地偏差試驗(yàn)數(shù)據(jù)
Table 1Deviation data of indoor ground test cm

測(cè)量序號(hào)噴霧機(jī)中心距離道路中心的距離L測(cè)量序號(hào)噴霧機(jī)中心距離道路中心的距離L130220314485665768796106

表2穩(wěn)定狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 2Experimental data of the steady-state cm

測(cè)量序號(hào)噴霧機(jī)中心偏離道路中心線的距離L1前組傳感器測(cè)量的差值d1后組傳感器測(cè)量的差值d2傳感器測(cè)量偏離道路中心線距離L25610125．50659104．757611105．258713105．759610125．5010610105．00

4　結(jié)論

1)提出了一種基于遙控的溫室智能噴霧機(jī)自適應(yīng)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)及算法，利用超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)溫室道路兩邊距離，且根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而由控制器生成控制指令，使得噴霧機(jī)始終沿著道路中心線附近行走。該機(jī)器具有成本低廉、操作性好、安全可靠等特點(diǎn)。

2)室內(nèi)場(chǎng)地試驗(yàn)表明：開啟自適應(yīng)控制系統(tǒng)后，噴霧機(jī)在偏離道路的情況下能夠快速調(diào)整運(yùn)動(dòng)到道路中心線附近，使噴霧機(jī)近似平行于作物，有利于達(dá)到較好的施藥防治效果并避免了重噴漏噴現(xiàn)象，且將偏離道路中心線的距離控制在7cm范圍內(nèi)。

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