溫室自主沿邊導(dǎo)航的移動平臺設(shè)計與試驗

居 錦，李萍萍，劉繼展，李 男，彭海軍

(1.江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境學(xué)院，南京 210037)

0 引言

近年來，我國溫室技術(shù)不斷發(fā)展，溫室作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主體，由于其空間狹小，人工往返作業(yè)量大、效率低，因此各類溫室移動作業(yè)機器人陸續(xù)出現(xiàn)，如采摘機器人、噴藥機器人、移栽機器人等，而移動平臺是溫室移動作業(yè)機器人的移動基礎(chǔ)。

目前，溫室移動作業(yè)機器人大多是根據(jù)單一作業(yè)機器人配置或開發(fā)了相應(yīng)的移動平臺，其結(jié)構(gòu)形式和導(dǎo)航方法各異。例如，楊世勝等人設(shè)計的噴霧機器人，配置了四輪獨立驅(qū)動的電磁引導(dǎo)式移動平臺；E.J. Van Henten等人研制的黃瓜收獲機器人和王曉楠等人研制的番茄采摘機器人配置了沿著鐵軌導(dǎo)航的移動平臺，其運動軌跡固定，但靈活性與通用性不足；江锽等人研制的溫室噴霧機器人配置了三輪結(jié)構(gòu)的移動平臺，并基于Kinect視覺探測路沿實現(xiàn)了自主行走，但其算法較復(fù)雜、實時性較低；葛君山設(shè)計的采摘機器人配置了四輪移動平臺，使用GPS導(dǎo)航方法，但導(dǎo)航精度較低[1-11]。

隨著實際生產(chǎn)發(fā)展，對能夠進行多種作業(yè)的通用自主移動平臺開始提出了需求。例如，瓦赫寧根大學(xué)的T.Bakkert等人設(shè)計了柴油發(fā)動機提供動力的四輪獨立轉(zhuǎn)向平臺，并采用全球定位系統(tǒng)確定相對路徑位置和方向，其體積較大，多用于大田等寬敞的作業(yè)空間；徐麗明等提出了可加裝不同機具的溫室四輪多功能作業(yè)車，但未對作業(yè)機具的裝配及自動作業(yè)進行研究[12-14]。

本文針對規(guī)范化溫室栽培槽、高架行間等狹窄通道及多種植株管理作業(yè)要求，設(shè)計了一款承載強兼具轉(zhuǎn)向靈活性的移動平臺，能夠方便地搭載和識別作業(yè)模塊，且提出了一種基于光電開關(guān)圓弧陣列的沿邊導(dǎo)航方法。最后，進行了直線行走、作業(yè)模塊搭載和沿邊行走試驗，獲得了良好的效果。

1 溫室移動平臺總體設(shè)計

1.1 工作環(huán)境與設(shè)計要求

本研究主要是針對規(guī)范化建設(shè)的溫室環(huán)境，溫室移動平臺在栽培槽、高架間等行間的通道(見圖1)內(nèi)行進作業(yè)。所設(shè)計的溫室移動平臺應(yīng)該滿足以下需求：

1)承載結(jié)構(gòu)滿足各作業(yè)模塊的載荷要求，且轉(zhuǎn)彎靈活性高，適應(yīng)溫室狹窄空間；

2)其能夠根據(jù)作業(yè)需求，搭載采摘、施藥、移栽、基質(zhì)攤鋪等多種植株管理作業(yè)模塊，并滿足各作業(yè)模塊運動控制要求；

3)能夠在栽培槽、新型高架栽培等行間通道自動沿著路沿邊行走作業(yè)。

(a) 栽培槽間通道 (b) 高架間通道

1.2 移動平臺設(shè)計總方案

移動平臺采用中間兩驅(qū)動輪、前后各兩萬向輪的六輪式差速結(jié)構(gòu)，使用鋰電池供電，通過無線遙控器模塊及PLC控制器對兩驅(qū)動電機進行控制。各作業(yè)模塊可通過多功能作業(yè)模塊接口(各作業(yè)模塊統(tǒng)一固定安裝的機械接口、為各作業(yè)模塊統(tǒng)一供電的電源接口、各作業(yè)模塊電氣信號集成的信號接口)與移動平臺相連接，如圖2所示。

1.機械接口 2.限位卡鉗 3.急停按鈕 4.運行指示燈 5.信號接口

當(dāng)相應(yīng)作業(yè)模塊加載至移動平臺后，可通過遙控駛?cè)霚厥业男虚g道路，由光電開關(guān)圓弧陣列獲取移動平臺相對于路沿的位姿信息并反饋給PLC控制器；然后，PLC根據(jù)所設(shè)計的沿邊導(dǎo)航程序調(diào)節(jié)左右伺服電機轉(zhuǎn)速，使其能夠沿著路沿行走，實現(xiàn)自動作業(yè)，如圖3所示。

圖3 溫室移動平臺工作原理圖

2 移動平臺承載結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 移動平臺輪系總布置

本研究將使用中間兩驅(qū)動輪、前后各兩萬向輪的六輪式差速結(jié)構(gòu)，其控制算法簡單且相對于一般四輪式差速結(jié)構(gòu)有兩個優(yōu)勢：①腳輪數(shù)量多，能夠承載的載荷更大；②可以繞自身中心旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)半徑最小(見圖4)，靈活性更高[15]。

(a) 四輪式差速結(jié)構(gòu) (b) 六輪式差速結(jié)構(gòu)

受寬度限制，直角行星減速器與驅(qū)動電機相連接沿移動平臺的縱向布置，鋰電池和控制系統(tǒng)電器分別布置于兩端以保證整體載荷均勻，如圖5所示。所設(shè)計的移動平臺長寬為1 200mm×600mm、驅(qū)動輪輪距480mm，回轉(zhuǎn)半徑為671mm。

1.驅(qū)動電機 2.直角行星減速器 3.萬向輪 4.溫室移動平臺

2.2 萬向輪浮動支撐結(jié)構(gòu)

移動平臺行走時由于輪胎氣壓不等、樣機制造誤差、載荷差異及路面不平等因素，很難保證兩驅(qū)動輪著地的同時4個萬向輪也同時著地，勢必造成其行走穩(wěn)定性不足。為此，本研究設(shè)計了萬向輪浮動支撐結(jié)構(gòu)，以補償4個萬向輪豎直方向的位移量，保證車輪與地面有效地接觸。

2.2.1 豎向位移誤差分析

驅(qū)動輪氣壓不等、制造誤差、載荷差異因素屬于樣機內(nèi)部原因，最大負(fù)載與空載情況下引起的極限豎向位移誤差約為4mm；路面不平因素而來自外界，與路面的平整度有關(guān)，實際測得溫室水泥路面的1.2m以內(nèi)的最大平整度約為3mm，則總的豎向位移誤差在7mm以內(nèi)。

2.2.2 浮動支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

溫室移動平臺的4個萬向輪分別與4個彈性支座使用螺紋聯(lián)接(見圖6)，再與移動平臺骨架底部聯(lián)接。其中，彈性支座是一個具有一定剛度的彈性阻尼元件，其內(nèi)部主要有彈簧、橡膠墊等組成，載荷范圍45～80kg，豎向剛度52.3N/m，豎直方向最大位移補償約10mm。

(a) 萬向輪與彈性支座聯(lián)接 (b) 彈性支座

圖6 浮動支撐結(jié)構(gòu)

Fig.6 The floating support structure

安裝時，應(yīng)保證最大載荷情況下的兩驅(qū)動輪底面與彈性支座壓縮量為3mm時的萬向輪底面在同一平面。

2.3 承載骨架設(shè)計與強度校核

移動平臺需要在多種作業(yè)工況下工作，因此骨架的強度需滿足不同作業(yè)模塊的最大載荷。使用CATIA建立移動平臺三維骨架模型，并將其導(dǎo)入Nx Nastran進行四面體網(wǎng)格劃分。由于移動平臺的萬向輪是安裝在柔性的支座上，只給予對左右驅(qū)動輪車架安裝軸孔固定約束；所設(shè)計的作業(yè)模塊最大載重在250kg 以內(nèi)，分析時在骨架上方設(shè)置250kg均布載荷；驅(qū)動輪支架材料使用304不銹鋼，車架其余部位均采用鋁合金T6061。求解可得到車架的應(yīng)力、變形云圖，如圖7和圖8所示。

圖7 車架Von mises應(yīng)力云圖

圖8 車架變形云圖

由圖7和圖8可見：其骨架的最大應(yīng)力為20.13MPa,骨架兩端的最大變形為0.151mm；而T6061鋁型材的屈服極限約55MPa，304不銹鋼的屈服極限約205MPa，能夠滿足載荷要求。

3 多作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 雙控制模式

由于溫室道路環(huán)境比較復(fù)雜，全自動控制模式的移動平臺的實現(xiàn)困難大且成本較高。本研究提出了少量人工干預(yù)，大部分自動作業(yè)的‘遙控-自動作業(yè)’雙控制模式，即當(dāng)作業(yè)模塊加載至移動平臺后，通過手動遙控駛?cè)霚厥倚虚g通道，隨后通過遙控器的“一鍵作業(yè)”功能(見圖9)，即可識別作業(yè)模塊，并執(zhí)行相應(yīng)模塊的控制程序，進行沿邊自動作業(yè)。

圖9 遙控器示意圖

3.2 多功能作業(yè)模塊接口設(shè)計

3.2.1 機械接口

溫室移動平臺所安裝的作業(yè)模塊是針對栽培槽、高架間的植株管理，無需地面作業(yè)，機械接口設(shè)置在移動平臺上方，主要實現(xiàn)移動平臺與各作業(yè)模塊之間的安裝、切換及相對固定。通過移動平臺上凸起的作業(yè)模塊接口(見圖2)嵌入各作業(yè)模塊上的統(tǒng)一位置凹槽來進行水平方向約束，再使用移動平臺兩端的限位卡鉗對作業(yè)模塊進行豎直方向的約束。

3.2.2 電氣接口

由于各作業(yè)模塊控制要求不一，若針對每種作業(yè)都在遙控器上設(shè)置對應(yīng)的控制按鍵，遙控器所需的按鍵數(shù)量增加，也增大了農(nóng)民按錯按鍵的概率和操作難度。通過電氣接口，PLC可直接識別作業(yè)模塊，無需遙控器進行其他設(shè)置。電氣接口包括電源接口與信號接口。其中，電源接口為作業(yè)模塊電器元件提供電力；信號接口用于作業(yè)模塊的選擇和信號傳輸，包括判斷位與信號位。

1)判斷位。判斷位用于作業(yè)模塊的選擇，如移動平臺需加載移栽、施藥、基質(zhì)攤鋪3種作業(yè)模塊(見圖10)，其對應(yīng)的2#、3#兩個引腳狀態(tài)分別為10、01、11?？刂破鞲鶕?jù)引腳狀態(tài)自動選擇作業(yè)模塊子控制程序，無需遙控器進行設(shè)置。當(dāng)移動平臺需搭載更多的作業(yè)模塊，可通過添加判斷的引腳，來識別更多的作業(yè)模塊，n個引腳的狀態(tài)可識別2n個作業(yè)模塊。

2)信號位。信號位用于反饋信號和控制信號的傳輸。移動平臺的控制器選擇相應(yīng)模塊的控制程序后，其接收作業(yè)模塊與移動平臺當(dāng)前狀態(tài)的反饋信號，并輸出控制信號對作業(yè)模塊和移動平臺的執(zhí)行元件進行控制。

1.電源接口 2.信號接口

3.3 控制電路設(shè)計

圖11為控制系統(tǒng)電氣原理圖。伺服電機采用位置控制模式，共陽極接線法與PLC相連接，分別通過PLC的Y0、Y1端口輸出高速脈沖對其進行運動控制；X0、X1為模塊選擇端口，PLC通過X0、X1兩端口的高低電平狀態(tài)來對識別作業(yè)模塊；X2～X10，為光電開關(guān)狀態(tài)的輸入端，PLC控制器由光電開關(guān)狀態(tài)來獲取溫室移動平臺相對于路沿的位姿信息。X12～X17為遙控器的輸入，可對溫室移動平臺前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止及作業(yè)控制，當(dāng)按下作業(yè)按鍵，移動平臺即可進入相應(yīng)的作業(yè)程序?qū)λ欧姍C進行調(diào)控，進而沿邊自動作業(yè)。

圖11 控制系統(tǒng)電氣原理圖

4 基于光電圓弧的沿邊導(dǎo)航設(shè)計

4.1 光電圓弧的布置

本研究按半徑R、總角度θ的圓弧均勻布置7個光電開關(guān)檢測點A1～A7形成光電圓弧，由光電圓弧的狀態(tài)反饋移動平臺相對于路沿的位姿(光電開關(guān)在路沿兩側(cè)處于不同的狀態(tài))。其中，光電開關(guān)檢測點A2、A3、A5、A6之間的區(qū)域為目標(biāo)區(qū)域(見圖12)，即當(dāng)檢測點A3～A5探測到路沿外側(cè)而使光電開關(guān)被觸發(fā)、狀態(tài)發(fā)生變化，其它檢測點未探測到路沿時，路沿處于目標(biāo)區(qū)域，此時移動該平臺處于比較理想的沿邊行走狀態(tài)。

1.道路邊沿 2.目標(biāo)區(qū)域 3.移動平臺

溫室栽培槽、高架等行間的通道路沿按其形狀可分為凸起路沿和下沉路沿兩種，針對凸起路沿可將光電開關(guān)沿同一水平面布置，通過調(diào)節(jié)7個光電開關(guān)量程來獲得光電圓??；針對下沉路沿可將光電開關(guān)垂直安裝，通過將7個光電開關(guān)在水平面的圓弧布置來獲得光電圓弧，如圖13所示。

(a) 凸起路沿 (b) 下沉路沿

4.2 基于光電圓弧的位姿檢測原理

假設(shè)移動平臺沿邊行走過程中，標(biāo)號為Aa～Ab(1≤a≤b≤7)的光電開關(guān)檢測點探測到路沿外側(cè)，則被觸發(fā)的光電開關(guān)數(shù)量為

Nd=b-a+1

(1)

顯然，Nd=3時，移動平臺與路沿距離適中；當(dāng)Nd增大，移動平臺向路沿靠近，反之則遠離。

同時，被觸發(fā)的光電開關(guān)中間序號為

Nf=(b+a)/2

(2)

顯然，Nf=4時，移動平臺近似平行于路沿；當(dāng)Nf增大，表明移動平臺頭部偏離路沿，反之則偏向路沿。根據(jù)Nd、Nf的閾值可將移動平臺的位姿分為如下幾個狀態(tài)，如表1所示。

表1 移動平臺位姿狀態(tài)

4.3 沿邊調(diào)控方法

針對表1所示移動平臺9種不同位姿狀態(tài)，當(dāng)路沿跨出理想目標(biāo)帶時，采取相應(yīng)的調(diào)控軌跡模式。其具體調(diào)節(jié)如圖14所示。

1)過遠外偏A、正位外偏B、過近內(nèi)偏I狀態(tài)下，控制光電圓弧目標(biāo)帶的中心點D沿圓弧軌跡像路沿切近，直至光電圓弧進入狀態(tài)E。

3)過遠內(nèi)偏G、正位內(nèi)偏H、過近外偏C狀態(tài)下，先將偏移到移動平臺與路沿平行的過遠不偏D、過近不偏F狀態(tài), 再按2)進行調(diào)節(jié)。

(a) 狀態(tài)A、B調(diào)控軌跡 (b) 狀態(tài)C調(diào)控軌跡

(c) 狀態(tài)D調(diào)控軌跡 (e) 狀態(tài)F調(diào)控軌跡

(f) 狀態(tài)G、H調(diào)控軌跡 (g) 狀態(tài)I調(diào)控軌跡

5 樣機與試驗

5.1 樣機開發(fā)

樣機使用兩組48V20AH鋰電池供電，使用無錫信捷XDM-60T10-E/C PLC作為主控制器；伺服電機選用北京飛利美60FSM-04030-48直流伺服電機,配備FWS400全數(shù)字伺服驅(qū)動器；光電開關(guān)使用歐姆龍E3Z-D61,NPN輸出型漫反射式光電開關(guān)，量程100mm；選用萬虹中業(yè)科技公司的8路遙控模塊。表2為樣機的主要技術(shù)參數(shù)。

表2 溫室移動平臺的主要技術(shù)參數(shù)

5.2 試驗安排

5.2.1 樣機行走性能試驗

1)直線行走試驗。由于車輪安裝誤差、制作誤差、輪胎氣壓差異等多種因素，移動平臺左右車輪實際速度與理論車速不等，對后續(xù)沿邊導(dǎo)航不利，為此進行直線行走試驗。

試驗路面選取江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程實驗樓內(nèi)水平度良好的水磨石地面。使移動平臺從沿同一位置出發(fā)，設(shè)置初始速度為0.05m/s行駛1m，用秒表記錄所用時間t1，并測得橫向位移量y1，重復(fù)以上步驟5次，可得時間t1～t5，橫向位移量y1～y5；再將初始速度調(diào)節(jié)為0.1、0.15m/s重復(fù)以上試驗。

表3 直線行走數(shù)據(jù)表

由表3可發(fā)現(xiàn)：隨著速度的增加，移動平臺的橫向位移偏差曾增大趨勢，但在0.15m/s內(nèi)橫向最大偏差為15mm，直線行駛性能比較良好。由3種理論速度下平均時間t可計算出實際速度分別為0.046、0.089、0.138m/s，約為理論速度的92%。

2)作業(yè)模塊搭載試驗。將所完成的攤鋪模塊和移栽模塊搭載至本樣機(見圖15)，使用遙控器對其進行前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、一鍵作業(yè)控制，測試表明：樣機搭載各作業(yè)模塊后啟停順利、行走平穩(wěn)、車輪同時著地，且能夠順利識別作業(yè)模塊并執(zhí)行相應(yīng)的自動作業(yè)程序。

(a) 基質(zhì)攤鋪模塊 (b) 移栽模塊

5.2.2 沿邊導(dǎo)航

為方便試驗開展，選取江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院實驗樓旁的水泥路沿，其與上所述溫室下沉路沿特征相同，路沿的臺階高度約14cm。

按θ=20°、R=3 291mm在移動平臺沿邊一側(cè)均勻布置7個光電開關(guān)，并在移動平臺后部中心線位置安裝一沙漏用于記錄移動平臺軌跡；移動平臺初始橫向位置偏差為Δy=60mm,姿態(tài)偏差為Δγ=0°，設(shè)置其左右輪初始速度分別為0.05、0.1、0.15m/s進行沿邊行走試驗，如圖16所示。

1.移動平臺 2.下沉路沿 3.光電開關(guān) 4.光電開關(guān)圓弧

試驗結(jié)果表明：隨著速度增加，其調(diào)控的誤差曾增大趨勢，但未出現(xiàn)移動平臺位姿劇烈震蕩、調(diào)控不穩(wěn)現(xiàn)象。在0.15m/s的速度內(nèi)移動平臺實際位置與絕對離理想位置偏差能夠保持在-35～+15mm(見表4)，其偏差的絕對值的均值在16.9mm以內(nèi),基本能夠滿足溫室內(nèi)一般作業(yè)要求，實現(xiàn)了實時、低成本導(dǎo)航。

表4 移動平臺行走軌跡誤差表

6 結(jié)論

1)基于溫室內(nèi)的行間道路環(huán)境、多作業(yè)工況等要求設(shè)計了一中間兩驅(qū)動輪、前后各兩萬向輪的六輪式差速結(jié)構(gòu)溫室移動平臺，能夠搭載并識別多種植株管理作業(yè)模塊，進而選擇并執(zhí)行相應(yīng)的控制程序，實現(xiàn)沿邊導(dǎo)航作業(yè)。

2)創(chuàng)新地提出了基于光電圓弧的位姿檢測方法，并設(shè)計了移動平臺沿邊調(diào)控方法，實現(xiàn)了實時、低成本的沿邊導(dǎo)航，具有重要的創(chuàng)新意義和實際價值。進一步研究，可對光電圓弧進行參數(shù)優(yōu)化以提高沿邊導(dǎo)航精度。

3)研究中只對下沉路沿開展了沿邊導(dǎo)航實驗，對于溫室普遍存在的凸起路沿，該方法也同樣適用。后續(xù)研究可在移動平臺上安裝運動狀態(tài)反饋傳感器，如速度、加速度等，形成閉環(huán)控制能夠獲得更好的沿邊效果。

AbstractID:1003-188X(2018)09-0081-EA