溫室移動作業(yè)平臺自主換軌方法設(shè)計(jì)與試驗(yàn)＊

王蓬勃，黃 鋒，祁百生，耿長興**，李小林（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215021；2.江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇蘇州 215021；.蘇州博田自動化技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 21511）

現(xiàn)代溫室種植模式開啟了農(nóng)業(yè)種植的新篇章，特別是連棟溫室種植模式得到推廣應(yīng)用[1]。連棟溫室種植工況的特點(diǎn)對溫室內(nèi)作業(yè)平臺的自動化、智能化、效率和通用性有更高的要求。國內(nèi)設(shè)施農(nóng)機(jī)具裝備技術(shù)與歐美發(fā)達(dá)國家相比還存在著顯著的差距，特別是用于連棟溫室種植環(huán)境下作業(yè)農(nóng)機(jī)具的自動化和智能化程度低、缺少與種植工況相匹配的智能作業(yè)機(jī)械[2-8]。

目前，溫室作業(yè)機(jī)器人都是根據(jù)不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的移動平臺，其結(jié)構(gòu)、行走方式、成本、作業(yè)效率、智能化程度各異。居錦等[9]采用兩輪差速配合萬向輪行走方式，研究了一種用于溫室環(huán)境的移動平臺。袁挺等[10]采用履帶式移動底盤研究了一種黃瓜采摘機(jī)器人。馮青春等[11]研究了一種軌道移動采摘機(jī)器人。2019 年，福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制智能溫室輪式巡檢平臺。荷蘭Henten 機(jī)器人利用連棟溫室種植工況的特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種利用溫室內(nèi)供暖管道作為行駛軌道的機(jī)器人平臺，但是該平臺成本高、需要人工輔助換軌作業(yè)。

針對現(xiàn)在溫室作業(yè)平臺智能化程度低、利用率低、成本高的缺點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作維護(hù)方便、能夠自主行駛的移動作業(yè)平臺。該平臺通過兩輪差速驅(qū)動行駛，融合視覺導(dǎo)航和RFID 定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動平臺自主行走-上軌-下軌-定位作業(yè)，利用視覺修正和RFID 位姿糾正并通過設(shè)計(jì)不同的輪系尺寸和安裝高度，平臺上軌-下軌成功率分別為96% 和100%。為溫室植保機(jī)器人、巡檢機(jī)器人、運(yùn)輸機(jī)器人等執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供了智能化的移動平臺支撐[12-15]。

平臺結(jié)構(gòu)與工作原理

結(jié)構(gòu)組成

自主移動作業(yè)平臺主要由機(jī)構(gòu)主體部分、驅(qū)動部分、輪系部分、控制部分、防撞部分、二層搭載平臺等組成。其中輪系部分由地輪、軌道驅(qū)動輪、萬向輪、軌道導(dǎo)向輪組成，其中地輪和軌道驅(qū)動輪為復(fù)合輪系，安裝在同一驅(qū)動軸上?？刂撇糠钟梢曈X模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、人機(jī)交互模塊、RFID 定位模塊、二層執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制接口模塊組成。防撞部分由超聲波模塊和防撞機(jī)構(gòu)組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)及零部件安裝位置俯視圖如圖1 所示。

功能設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)參數(shù)

◆功能設(shè)計(jì)

自主移動作業(yè)平臺應(yīng)用于連棟溫室種植環(huán)境，如圖2 所示。根據(jù)連棟溫室種植區(qū)和非種植區(qū)工況特點(diǎn)采用兩種不同行走方式，在種植區(qū)行駛路徑采用驅(qū)動軌道輪在軌道上行走的方式，解決輪式行走時軌道對輪子干涉問題；在非種植區(qū)行駛路徑采用驅(qū)動地輪行走的方式，減少與地面的摩擦，提高行走效率。融合視覺導(dǎo)航技術(shù)和RFID 射頻識別定位技術(shù)用于移動平臺在溫室內(nèi)自主導(dǎo)航行走-定位-上軌-下軌-轉(zhuǎn)向作業(yè)。通過視覺糾偏和RFID 位姿修正提高移動平臺的視覺導(dǎo)航精度和入軌率，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航行駛-定位-上軌-下軌-轉(zhuǎn)向作業(yè)功能。

◆設(shè)計(jì)參數(shù)及要求

分析連棟溫室種植工況結(jié)合移動平臺設(shè)計(jì)功能要求，移動平臺設(shè)計(jì)參數(shù)及要求如表1 所示。

工作原理

工作原理流程圖如圖3 所示，啟動移動平臺系統(tǒng)，自啟動前攝像機(jī)和補(bǔ)償光源，視覺模塊對采集到的導(dǎo)航線圖像進(jìn)行分析處理，下達(dá)行駛指令，控制器驅(qū)動電機(jī)使移動平臺輪系中地輪沿著鋪設(shè)導(dǎo)航線自主 行 駛。當(dāng)RFID模塊檢測到地面標(biāo)簽時，讀取標(biāo)簽內(nèi)信息并將信息傳遞給控制器，下達(dá)直角轉(zhuǎn)向指令，控制器驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行兩輪獨(dú)立差速直角轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后繼續(xù)沿鋪設(shè)導(dǎo)航線自主行駛，當(dāng)RFID 模塊再次檢測到地面標(biāo)簽時，讀取標(biāo)簽內(nèi)信息并將信息傳遞給控制器，控制器下達(dá)相應(yīng)的執(zhí)行指令。

圖3 移動平臺工作原理流程圖

影響平臺自主進(jìn)-出軌因素分析

上-下軌流程分析

移動作業(yè)平臺能否實(shí)現(xiàn)自主上軌-下軌是移動作業(yè)平臺設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)，下面對移動平臺上軌-下軌流程進(jìn)行分析。上軌-下軌流程示意圖，如圖4 所示。

當(dāng)移動作業(yè)平臺沿鋪設(shè)導(dǎo)航線自主行駛至第一行軌道前端時，RFID 模塊檢測到路面標(biāo)簽2，移動平臺原地左轉(zhuǎn)向90°。轉(zhuǎn)向后檢測到導(dǎo)航線自主行走，同時進(jìn)行導(dǎo)航偏差修正，調(diào)整移動平臺上軌位姿。當(dāng)檢測到標(biāo)簽3，移動平臺執(zhí)行直行指令，前軌道導(dǎo)向輪首先進(jìn)入軌道，當(dāng)軌道驅(qū)動輪完全進(jìn)入軌道后地輪為懸空狀態(tài)，標(biāo)志整個移動平臺進(jìn)入軌道行駛，此時RFID 模塊檢測到標(biāo)簽4，關(guān)閉前攝像機(jī)和補(bǔ)償光源，停用視覺導(dǎo)航。移動平臺在軌道上作業(yè)一段距離后，檢測到標(biāo)簽5，移動平臺反向行駛。當(dāng)后軌道導(dǎo)向輪脫離軌道時，開啟下軌流程，萬向輪首先觸地，支撐移動平臺，當(dāng)再次檢測到標(biāo)簽4 時，啟動后攝像機(jī)和補(bǔ)償光源，開啟視覺導(dǎo)航。當(dāng)前軌道導(dǎo)向輪脫離軌道，標(biāo)志著移動平臺下軌流程結(jié)束，完成一壟軌道作業(yè)。當(dāng)移動平臺檢測到標(biāo)簽2，原地左轉(zhuǎn)彎90°。移動平臺沿導(dǎo)航線直行，當(dāng)檢測到標(biāo)簽7，原地左轉(zhuǎn)彎90°，以此循環(huán)完成整個溫室內(nèi)單元作業(yè)。當(dāng)完成整個溫室單元作業(yè)后移動平臺沿鋪設(shè)導(dǎo)航線和RFID 轉(zhuǎn)彎標(biāo)簽自主行駛-轉(zhuǎn)彎-行駛至起始位置。

表1 移動平臺設(shè)計(jì)參數(shù)及要求

圖4 移動平臺上-下軌示意圖

影響上-下軌因素分析

連棟溫室種植工況的特點(diǎn)制約著移動作業(yè)平臺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸和運(yùn)動空間。溫室內(nèi)光照度的不同會影響移動作業(yè)平臺對導(dǎo)航線的提取。移動作業(yè)平臺在連棟溫室內(nèi)行走分為種植區(qū)行走和非種植區(qū)行走，種植區(qū)內(nèi)主要在軌道上行走，非種植區(qū)一般采用混凝土硬化路面，由于硬化路面平整度不均勻，會對平臺行走穩(wěn)定性帶來影響。理想狀態(tài)下軌道安裝底端應(yīng)該與硬化路面相切接觸，由于軌道安裝高度和硬化路面平整度均存在差異，因此會影響移動平臺上軌道時對軌精度。另一方面，在移動平臺轉(zhuǎn)彎換向時由于地面平整度不均和平臺轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的慣性使平臺轉(zhuǎn)向后的位姿發(fā)生改變，也會影響平臺上軌精度。

移動作業(yè)平臺自主換軌方法

視覺導(dǎo)航

自主移動作業(yè)平臺采用視覺導(dǎo)航方法行駛。該方法首先要在行駛路徑上鋪設(shè)導(dǎo)航標(biāo)識線，采用攝像頭獲取地面導(dǎo)航線圖像，通過圖像分析計(jì)算地面導(dǎo)航線與虛擬定標(biāo)線之間的偏差獲取對應(yīng)參數(shù)，完成自身位姿校正，引導(dǎo)作業(yè)平臺沿導(dǎo)航線直行。技術(shù)路線圖，如圖5 所示：

圖5 視覺導(dǎo)航行駛技術(shù)路線圖

RFID 定位

單純的視覺導(dǎo)航在遇到可向左右轉(zhuǎn)彎的交叉路口時，由于存在視野盲區(qū)，難以提取正確的導(dǎo)航線，連棟溫室作業(yè)空間狹窄，而使用RFID 定位作為轉(zhuǎn)向點(diǎn)決策左右轉(zhuǎn)彎，將移動平臺的運(yùn)動軌跡限制為若干條直線段的組合，線段和線段之間相互平行或垂直，移動平臺在固定路徑中，僅需要直角轉(zhuǎn)彎和視覺直線導(dǎo)航兩個動作即可到達(dá)溫室中任意地點(diǎn)，能夠根據(jù)溫室空間合理規(guī)劃移動作業(yè)平臺行駛路徑，RFID 的工作流程圖，如圖6 所示。

眾所周知，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)使得大量外來人口涌入，形成了較大的人口基數(shù)和密度，人口增長率提高，商業(yè)地產(chǎn)市場較為廣闊，房源供給量大。同時也存在較大的潛在住宅需求，但由于消費(fèi)偏好和收入水平的階級化，使得區(qū)位好、采光足的房源供不應(yīng)求，從而使得部分物美價廉的房源價格上漲。

圖6 RFID 工作流程圖

移動平臺自主換向

移動作業(yè)平臺采用兩輪獨(dú)立差速驅(qū)動實(shí)現(xiàn)移動平臺換向轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎示意圖如圖7 所示。

當(dāng)移動作業(yè)平臺在進(jìn)行差速運(yùn)動時，假設(shè)vr＞vl，是移動作業(yè)平臺兩個地輪在相鄰足夠短的時刻瞬間運(yùn)動狀態(tài)，則移動作業(yè)平臺的行駛速度v=(vl+vr)/2。移動作業(yè)平臺在做同軸圓周運(yùn)動時，兩輪和G(x,y)點(diǎn)所處位置在圓周運(yùn)動中角速度是相 等ωl=ωr=ωG，即θ1=θ2=θ3，有l(wèi)=vr/ωr-vl/ωl，則移動作業(yè)平臺瞬時角速度ωG可以由公式（1）計(jì)算得出。移動作業(yè)平臺的旋轉(zhuǎn)半徑可由公式（2）計(jì)算得出。

圖7 兩輪差速轉(zhuǎn)彎示意圖

圖8 移動作業(yè)平臺系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖9 移動作業(yè)平臺控制流程圖

圖10 平臺上下軌道示意圖

圖11 優(yōu)化后有無負(fù)載測試圖

移動平臺自主換軌控制方法實(shí)現(xiàn)

自主移動作業(yè)平臺控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)(ECU) 兩部分組成，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)車輛控制包括行走控制、遙控和安全機(jī)制；上位機(jī)主要負(fù)責(zé)定位及路徑規(guī)劃、導(dǎo)航行走控制。下位機(jī)通過CAN 總線連接電機(jī)驅(qū)動器，獲取輪速；上位機(jī)使用兩輪輪速實(shí)現(xiàn)里程計(jì)，實(shí)現(xiàn)初略定位；從遠(yuǎn)程獲取操作任務(wù)后，上位機(jī)通過簡單深度搜索獲取規(guī)劃路徑，使用RFID 點(diǎn)轉(zhuǎn)向加視覺導(dǎo)航直線行走的方式控制車輛行走至指定區(qū)域作業(yè)。移動平臺系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖和自主行走控制流程圖分別如圖8～9 所示。

移動平臺自主換軌測試

輪系尺寸和負(fù)載對上下軌影響測試

移動作業(yè)平臺地輪設(shè)計(jì)半徑為100 mm，軌道輪半徑是40 mm，地輪半徑和軌道輪半徑差等于軌道末端底面和頂面之差60 mm。理想情況下，當(dāng)軌道安裝離地高度等于60 mm 時作業(yè)平臺剛好順利上軌。但由于地面平整度不均導(dǎo)致軌道末端安裝高度存在差異，當(dāng)軌道安裝離地高度大于60 mm 時，如圖10a 所示，平臺呈上仰姿態(tài)入軌，導(dǎo)向輪易被軌道阻擋，發(fā)生撞擊。當(dāng)軌道安裝離地高度小于60 mm 時，如圖10b 所示，入軌呈下俯姿態(tài)，能夠順利上軌，但是在出軌時萬向輪容易被地面卡住。經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際大量測試統(tǒng)計(jì)，軌道末端上沿離地高度在55～66 mm 之間。據(jù)此對導(dǎo)向輪尺寸和萬向輪安裝高度進(jìn)行優(yōu)化，使前軌道導(dǎo)向輪直徑尺寸減少到95 mm，后萬向輪安裝高度減少5 mm。

對優(yōu)化后移動平臺分別在空載和負(fù)載300 kg條件下上軌、下軌試驗(yàn)測試，如圖12 所示。上下軌試驗(yàn)測試結(jié)果如表2 所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，移動平臺在負(fù)載情況下，前軌道導(dǎo)向輪和后軌道導(dǎo)向輪直徑分別設(shè)計(jì)為95 mm 和100 mm，存在5 mm 的高度差且后萬向輪安裝高度與前萬向輪安裝高度存在5 mm 的高度差時，移動平臺上、出軌道成功率分別為96% 和100%，滿足平臺動能設(shè)計(jì)要求。

表2 上下軌試驗(yàn)測試結(jié)果

圖12 位姿修正前后對比圖

直角轉(zhuǎn)向?qū)ξ蛔擞绊憸y試

位姿修正成功率測試：在攝像頭視野范圍內(nèi)，人為設(shè)置移動作業(yè)平臺位姿左和右偏，行駛速度分別設(shè)置0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m/s，左右分別測20 次。測量結(jié)果如表3 所示。

表3 位姿修正成功率測試

由測試結(jié)果可知，對移動作業(yè)平臺在轉(zhuǎn)向時采用視覺位姿修正后，當(dāng)最大速度達(dá)到0.6 m/s時，成功率在95%以上，當(dāng)最大速度在0.3 m/s 時，成功率為100%，滿足對作業(yè)平臺的糾偏需求。

導(dǎo)航偏差對導(dǎo)航線提取影響測試

采用機(jī)器視覺方法處理導(dǎo)航圖像得到的擬合線與車體本身的中心線會產(chǎn)生偏差。為保證車體沿導(dǎo)航中心線行走，需對車體的行走偏差進(jìn)行及時糾正。當(dāng)車體偏離導(dǎo)航線時會產(chǎn)生距離偏差 λ和角度偏差θ，如圖13 所示，它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下。

圖13 視覺修正示意圖

通過差速運(yùn)動模型可將偏差轉(zhuǎn)換成半徑r和差速Δv：

式中：L是導(dǎo)航圖像視場長度；

l是車體左右輪間距；

vr和vl是左右輪速度；

x是導(dǎo)航線與視場下邊緣交點(diǎn)橫坐標(biāo)。

視覺位姿修正示意圖，如圖14 所示。經(jīng)過120 次不同偏差角矯正仿真試驗(yàn)得到偏差矯正數(shù)據(jù)，如表4 所示。試驗(yàn)表明隨著偏差角度的增加，糾偏成功率呈現(xiàn)下降的趨勢，但是整體處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，平均糾偏率為93.3%，符合工作需求。

行駛速度對RFID 定位精度影響

為確定行駛速度對RFID 定位識別精度的影響，本文對移動平臺的行駛速度分別設(shè)置為0.2、0.4、0.6 m/s，采用前進(jìn)和后退兩種方式，測量平臺檢測到RFID 標(biāo)簽信號后，觸發(fā)立即停車指令，車體中心與RFID 標(biāo)簽之間的距離。測試結(jié)果如表5 所示，其中負(fù)為滯后，正為超前。測試結(jié)果表明，當(dāng)移動平臺的行駛速度設(shè)置為0.2 m/s 時RFID 的定位精度最高。在采用前進(jìn)和后退兩種不同運(yùn)動方式時，都需要對RFID 定位進(jìn)行位置補(bǔ)償。

表4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 RFID 觸發(fā)測試數(shù)據(jù)

結(jié)論

該試驗(yàn)針對連棟溫室種植工況環(huán)境特殊性，設(shè)計(jì)了一種融合視覺導(dǎo)航和RFID 射頻識別的導(dǎo)航定位技術(shù)，用于移動作業(yè)平臺的自主導(dǎo)航行走。具體包括移動平臺的尺寸優(yōu)化確定、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工作原理和運(yùn)動流程進(jìn)行分析，對移動平臺上軌-下軌、位姿修正、RFID 定位精度進(jìn)行試驗(yàn)分析并得到相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

同時還試制了移動平臺的樣機(jī)，通過對優(yōu)化后樣機(jī)測試結(jié)果表明：①優(yōu)化前后軌道輪設(shè)計(jì)直徑差為5 mm 差值，前后萬向輪安裝高度差5 mm 后，上軌-下軌成功率分別為96% 和100%；②通過RFID 定位和視覺導(dǎo)航位姿偏差修正，不同速度下的位姿糾正平均成功率達(dá)到95% 以上，最佳的RFID 檢測和車體制動距離所對應(yīng)的車體速度為0.2 m/s。最終自主移動作業(yè)平臺在連棟溫室種植環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航行走-轉(zhuǎn)向-上軌-下軌-換軌的功能設(shè)計(jì)要求。