溫室移動作業(yè)平臺自主換軌方法設(shè)計與試驗

王蓬勃 黃鋒 祁百生 耿長興 李小林

|摘要|文章針對連棟溫室軌道式種植工況環(huán)境特點，設(shè)計了一種在溫室內(nèi)可實現(xiàn)自主行走-定位-轉(zhuǎn)向-上下軌-換軌作業(yè)的移動作業(yè)平臺。該文闡述了自主移動平臺整體結(jié)構(gòu)和工作原理，提出融合視覺導航技術(shù)和射頻識別定位技術(shù)實現(xiàn)移動平臺在溫室內(nèi)的自主行駛作業(yè)，并設(shè)計了自動控制方案。樣機優(yōu)化后測試結(jié)果表明：①優(yōu)化前后軌道輪設(shè)計直徑差為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定位和視覺導航位姿偏差修正，不同速度下的位姿糾正平均成功率達到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;③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)自主導航行走-轉(zhuǎn)向-上軌-下軌-換軌的功能設(shè)計要求。

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)機具裝備技術(shù)與歐美發(fā)達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)機械[2-8]。

目前，溫室作業(yè)機器人都是根據(jù)不同的執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計不同的移動平臺，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器人。馮青春等[11]研究了一種軌道移動采摘機器人。2019年，福建省農(nóng)業(yè)科學院研制智能溫室輪式巡檢平臺。荷蘭Henten機器人利用連棟溫室種植工況的特點設(shè)計一種利用溫室內(nèi)供暖管道作為行駛軌道的機器人平臺，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，團隊研制了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作維護方便、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，融合視覺導航和RFID定位技術(shù)實現(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%。為溫室植保機器人、巡檢機器人、運輸機器人等執(zhí)行機構(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、軌道導向輪組成，其中地輪和軌道驅(qū)動輪為復合輪系，安裝在同一驅(qū)動軸上?？刂撇糠钟梢曈X模塊、電機驅(qū)動模塊、人機交互模塊、RFID定位模塊、二層執(zhí)行機構(gòu)控制接口模塊組成。防撞部分由超聲波模塊和防撞機構(gòu)組成。整機結(jié)構(gòu)及零部件安裝位置俯視圖如圖1所示。

功能設(shè)計及設(shè)計參數(shù)

◆功能設(shè)計

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航精度和入軌率，實現(xiàn)自主導航行駛-定位-上軌-下軌-轉(zhuǎn)向作業(yè)功能。

◆設(shè)計參數(shù)及要求

分析連棟溫室種植工況結(jié)合移動平臺設(shè)計功能要求，移動平臺設(shè)計參數(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)，自啟動前攝像機和補償光源，視覺模塊對采集到的導航線圖像進行分析處理，下達行駛指令，控制器驅(qū)動電機使移動平臺輪系中地輪沿著鋪設(shè)導航線自主行駛。當RFID模塊檢測到地面標簽時，讀取標簽內(nèi)信息并將信息傳遞給控制器，下達直角轉(zhuǎn)向指令，控制器驅(qū)動電機進行兩輪獨立差速直角轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向后繼續(xù)沿鋪設(shè)導航線自主行駛，當RFID模塊再次檢測到地面標簽時，讀取標簽內(nèi)信息并將信息傳遞給控制器，控制器下達相應(yīng)的執(zhí)行指令。

影響平臺自主進-出軌因素分析

上-下軌流程分析

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

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

影響上-下軌因素分析

連棟溫室種植工況的特點制約著移動作業(yè)平臺機構(gòu)設(shè)計尺寸和運動空間。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

視覺導航

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

RFID定位

單純的視覺導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)向點決策左右轉(zhuǎn)彎，將移動平臺的運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)彎和視覺直線導航兩個動作即可到達溫室中任意地點，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。

移動平臺自主換向

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

當移動作業(yè)平臺在進行差速運動時，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動時，兩輪和G（x，y）點所處位置在圓周運動中角速度是相等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）計算得出。移動作業(yè)平臺的旋轉(zhuǎn)半徑可由公式（2）計算得出。

ωG=（vr-vl）?l? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 公式（1）

公式（2）

移動平臺自主換軌控制方法實現(xiàn)

自主移動作業(yè)平臺控制系統(tǒng)主要由上位機和下位機（ECU）兩部分組成，下位機主要負責車輛控制包括行走控制、遙控和安全機制;上位機主要負責定位及路徑規(guī)劃、導航行走控制。下位機通過CAN總線連接電機驅(qū)動器，獲取輪速;上位機使用兩輪輪速實現(xiàn)里程計，實現(xiàn)初略定位;從遠程獲取操作任務(wù)后，上位機通過簡單深度搜索獲取規(guī)劃路徑，使用RFID點轉(zhuǎn)向加視覺導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

輪系尺寸和負載對上下軌影響測試

移動作業(yè)平臺地輪設(shè)計半徑為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致軌道末端安裝高度存在差異，當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，導向輪易被軌道阻擋，發(fā)生撞擊。當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)場實際大量測試統(tǒng)計，軌道末端上沿離地高度在55～66 mm之間。據(jù)此對導向輪尺寸和萬向輪安裝高度進行優(yōu)化，使前軌道導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載300 kg條件下上軌、下軌試驗測試，如圖12所示。上下軌試驗測試結(jié)果如表2所示。

試驗結(jié)果表明，移動平臺在負載情況下，前軌道導向輪和后軌道導向輪直徑分別設(shè)計為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)計要求。

直角轉(zhuǎn)向?qū)ξ蛔擞绊憸y試

當移動平臺通過RFID定位轉(zhuǎn)彎時，由于地表局部存在起伏、摩擦系數(shù)不一，車輪存在打滑的現(xiàn)象，導致移動平臺在定位轉(zhuǎn)彎后的位姿處于傾斜狀態(tài)，如果不將移動平臺位姿修正，會影響上下軌和行走精度。為解決此問題，首先對移動平臺采取視覺位姿修正，當識別第一個地面標簽后，移動平臺轉(zhuǎn)向90°，但實際存在左偏、或右偏情況，通過地面色帶進行視覺位姿修正。其次檢測到第二個地面標簽后再對移動平臺進行上軌定位，修正前后效果分別如圖13所示。

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。

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，當最大速度達到0.6 m/s時，成功率在95%以上，當最大速度在0.3 m/s時，成功率為100%，滿足對作業(yè)平臺的糾偏需求。

導航偏差對導航線提取影響測試

采用機器視覺方法處理導航圖像得到的擬合線與車體本身的中心線會產(chǎn)生偏差。為保證車體沿導航中心線行走，需對車體的行走偏差進行及時糾正。當車體偏離導航線時會產(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)學關(guān)系式如下。

公式（3）

通過差速運動模型可將偏差轉(zhuǎn)換成半徑r和差速Δv：

公式（4）

公式（5）

式中：L是導航圖像視場長度;

l是車體左右輪間距;

vr和vl是左右輪速度;

x是導航線與視場下邊緣交點橫坐標。

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得到偏差矯正數(shù)據(jù)，如表4所示。試驗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，采用前進和后退兩種方式，測量平臺檢測到RFID標簽信號后，觸發(fā)立即停車指令，車體中心與RFID標簽之間的距離。測試結(jié)果如表5所示，其中負為滯后，正為超前。測試結(jié)果表明，當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。在采用前進和后退兩種不同運動方式時，都需要對RFID定位進行位置補償。

結(jié)論

該試驗針對連棟溫室種植工況環(huán)境特殊性，設(shè)計了一種融合視覺導航和RFID射頻識別的導航定位技術(shù)，用于移動作業(yè)平臺的自主導航行走。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、工作原理和運動流程進行分析，對移動平臺上軌-下軌、位姿修正、RFID定位精度進行試驗分析并得到相關(guān)設(shè)計參數(shù)。

同時還試制了移動平臺的樣機，通過對優(yōu)化后樣機測試結(jié)果表明：①優(yōu)化前后軌道輪設(shè)計直徑差為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定位和視覺導航位姿偏差修正，不同速度下的位姿糾正平均成功率達到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)自主導航行走-轉(zhuǎn)向-上軌-下軌-換軌的功能設(shè)計要求。

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*項目支持：國家重點研發(fā)計劃-溫室精細生產(chǎn)作業(yè)機器人研發(fā)項目“溫室智能化精細生產(chǎn)技術(shù)與裝備研發(fā)”（2017YFD0701502）。

作者簡介：王蓬勃（1984-）男，副教授，碩士生導師。E-mail： phwang@suda.edu.cn。

**通信作者：耿長興（1983-）男，副教授，碩士生導師。E-mail：chxgeng@suda.edu.cn。

[引用信息]王蓬勃，黃鋒，祁百生，等.溫室移動作業(yè)平臺自主換軌方法設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2021，41（04）：27-32.