基于物聯(lián)網(wǎng)的果園避障除草機定位導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究

劉玉潔，陳 聰

(珠海城市職業(yè)技術(shù)學院，廣東 珠海 519090)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，它通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，把人與機器緊密地聯(lián)系在一起，利用傳感器技術(shù)在很多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了智能化自動控制和可視化遠程控制等，是計算機和互聯(lián)網(wǎng)之后信息產(chǎn)業(yè)最重要的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基于大量的微型傳感器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，也逐漸被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如很多農(nóng)機的自動化控制及遠程監(jiān)測。自動割草機是近幾年研發(fā)的一種新型農(nóng)機器具，其利用無線傳感技術(shù)可以實現(xiàn)割草的自動化控制。除草機如果采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對其進行改造，可以實現(xiàn)除草機的自動化作業(yè)。紅外線傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中最常用的傳感器，可以從尺寸方面降低器件的外觀尺寸，利用紅外線發(fā)射端，可以檢測到兩個方向的障礙物的環(huán)境信息，將障礙物信息反饋給除草機，實現(xiàn)除草機自動避開障礙物的功能。

1 除草機果園果樹及障礙物定位導(dǎo)航算法

基于測距的方法有TOA、AOA和RSSI等。AOA技術(shù)是利用多天線陣列技術(shù)，利用多個發(fā)射和接收點對未知節(jié)點進行測算，根據(jù)裝置之間的相對方位和交點，測定未知節(jié)點的相對距離。

基于AOA的除草機障礙物定位原理如圖1所示。其定位原理較為簡單，但較容易受到噪聲等外界因素的影響，其定位精度不能滿足高精度定位的需求，因此可以結(jié)合RSSI測距定位算法。

圖1 基于AOA的障礙物定位原理

RSSI定位主要是基于發(fā)射和接受到信號的強度，根據(jù)信號的損耗估算離障礙物的距離，這是因為信號強度在傳播過程中隨著距離的增加而衰減。其計算公式為

(1)

其中，Pt、Pr分別表示除草機天線的發(fā)射功率和接收功率；Gt、Gr分別表示除草機發(fā)射天線和接收天線的天線增益；λ為表示信號載波波長；R為表示信號傳輸距離。基于距離的定位方法容易受到外界環(huán)境因素的影響而產(chǎn)生波動，除了基于距離的定位方法，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還可以采用三邊測量和極大似然估計得方法。三邊測量方法主要是利用很多已知位置的傳感器節(jié)點，通過位置坐標聯(lián)立方程，確定位置節(jié)點的位置坐標，如圖2所示。

圖2 三邊測量法原理

如圖2所示，根據(jù)三邊測量法的基本原理，假設(shè)A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)3個節(jié)點的位置已知，D(x,y)是未知節(jié)點，未知節(jié)點與參考節(jié)點之間的距離用d1、d2、d3來表示，則可以通過聯(lián)立方程得到

(2)

用前兩個方程分別減第3個方程，將方程組線性化為

AX=b

(3)

其中

(4)

可以利用最小二乘法求解方程組，最后得到位置坐標。根據(jù)這種原理，還可以采用極大似然估計的方法來確定多個未知節(jié)點的距離。假設(shè)已知n個參考節(jié)點的坐標分別為(x1,y1)，(x2,y2)，…，(xn,yn)，它們到未知節(jié)點(x,y)的距離分別為d1，d2，…，dn，則有

(5)

用方程組中前n-1個方程減去第n個方程，將方程組線性化為

AX=b

(6)

其中

(7)

用最小二乘法求解方程組，可以得到位置節(jié)點的坐標，即障礙物的具體位置坐標，根據(jù)障礙物的位置坐標，可以采用自主導(dǎo)航的方法，有效地躲避障礙物，其原理如圖3所示。

圖3 除草機避障原理

在輸入除草機期望行駛的方向后，根據(jù)障礙物的距離，通過紅外線傳感器可以對方向偏差進行調(diào)整，利用反饋調(diào)節(jié)的方式使除草機的移動更加精確。除草機在移動時可以利用舵機調(diào)整方向，以前方障礙物的距離作為偏差用于增量式PID計算，控制舵機的占空比，從而使除草機可以通過改變一定的角度來變化行駛方向，達到自動控制的目的。

2 智能割草機定位導(dǎo)航和避障實驗測試

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的除草機器人自主定位導(dǎo)航和避障的可行性，設(shè)計了智能割草機的避障導(dǎo)航實驗。同時，設(shè)計了智能割草機的機械結(jié)構(gòu)，搭載了基于WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位的導(dǎo)航模塊，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為了執(zhí)行割草任務(wù)，需要針對智能割草機車體的實際情況，設(shè)計專用的割草機構(gòu)。此外，為了適應(yīng)不同草坪，割草刀盤還應(yīng)具備高度調(diào)節(jié)、刀片更換等功能。

如圖5所示，為了簡化測試，本次主要以直線運行的方式對除草機的定位和避障性能進行測試。在除草機遇到障礙物時，傳感器會測算出障礙物的具體位置，除草機會在原地改變一定的角度后繼續(xù)行駛。除草機是否能夠成功避障，主要依賴于障礙物節(jié)點的定位精度，因此首先對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位性能進行了測試，得到了如表1所示的測試結(jié)果。

圖4 智能割草機機械結(jié)構(gòu)圖

圖5 直線運行方式測試

通信方式傳輸距離/m傳輸速度/kB·s-1藍牙305000Wi-Fi10011000電磁波212000Zigbee150270

通過測試發(fā)現(xiàn)：基于不同的通信方式其傳輸距離和傳輸速度有所不同，通過對比發(fā)現(xiàn)Wi-Fi具有通信距離長、傳輸速度快等優(yōu)勢，可以滿足通信需求，因此本次選用Wi-Fi作為通信方式。

表2表示除草機定位誤差和避障成功率的測試結(jié)果。由測試結(jié)果可以看出：采用基于物理網(wǎng)技術(shù)的定位導(dǎo)航算法，除草機具有較高的定位精度，避障成功率較高，可以滿足智能化除草機的設(shè)計需求。

表2 定位誤差和避障成功率測試

3 結(jié)論

為了提高除草機自動化和智能化程度，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入到了除草機的自動化設(shè)計過程中，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點定位技術(shù)，實現(xiàn)了除草機的自主避障功能。為了選擇合適的通信方式，對各種通信方式進行了驗證，最終選擇了Wi-Fi通信方式，并對除草機的定位誤差和避障成功率進行了驗證。由測試結(jié)果可以看出：基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，除草機具有較高的定位和導(dǎo)航精度，定位的誤差最大僅為4.13%，低于5%，避障成功率達到了95%以上，可以滿足果園除草作業(yè)的需求。