視覺(jué)導(dǎo)航的溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究

王艷莉，郭志文，姜寬舒，2，呂涂弘濤，丁 捷

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇 句容 212400）

0 引言

十三五以來(lái)，設(shè)施農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)主導(dǎo)著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向，溫室大棚作業(yè)機(jī)械和生產(chǎn)管理向著智能化、信息化發(fā)展[1-2]。自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于溫室作業(yè)機(jī)械，大大提高了生產(chǎn)效率，溫室自主導(dǎo)航作業(yè)平臺(tái)的研究已成為當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向之一[3-4]。本文立足于溫室作業(yè)機(jī)械化、智能化的產(chǎn)業(yè)需求，將農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一臺(tái)基于機(jī)器視覺(jué)的溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)。該作業(yè)平臺(tái)選用視覺(jué)傳感器，準(zhǔn)確地完成自主定位和路徑規(guī)劃，搭載播種、灌溉及噴霧等作業(yè)設(shè)備，可以完成運(yùn)輸、噴藥、施肥、播種等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用，平臺(tái)共享”，滿足了不同農(nóng)作物和不同季節(jié)的多樣作業(yè)需求，降低了不同農(nóng)機(jī)用具的多重投入資金，同時(shí)減少了溫室的投資成本，從而實(shí)現(xiàn)溫室作業(yè)的無(wú)人化、自主化，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 工作原理

在溫室內(nèi)作業(yè)時(shí)，利用全方位視覺(jué)傳感器（導(dǎo)航攝像頭）實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，檢測(cè)溫室大棚內(nèi)植株行的位置信息，采集的數(shù)據(jù)信息反饋給工控機(jī)，上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)RS232控制繼電器模組輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)電磁繼電器控制并驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿，依靠扶手上的兩個(gè)電推桿來(lái)執(zhí)行移動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向，單側(cè)電推桿帶動(dòng)單側(cè)機(jī)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的轉(zhuǎn)向。上位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)RS232控制交流接觸器輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制三相交流異步電機(jī)并用來(lái)驅(qū)動(dòng)載具（旋耕、開(kāi)溝、起壟覆膜等），即將三相交流異步電機(jī)通過(guò)V帶將動(dòng)力傳輸給變速箱，變速箱將三相交流異步電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速減至載具所需的轉(zhuǎn)速，同時(shí)增大驅(qū)動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)載具作業(yè)；也可以通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)后面的驅(qū)動(dòng)車輪行走，變速箱的操控設(shè)計(jì)為電動(dòng)可控、實(shí)現(xiàn)啟停、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的控制，實(shí)現(xiàn)整機(jī)的行走。視覺(jué)信息通過(guò)攝像頭，圖像采集卡進(jìn)入上位機(jī)系統(tǒng)，按照工況要求實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和轉(zhuǎn)向控制，視覺(jué)導(dǎo)航自主行走原理如圖1所示。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)如圖2所示，主要由導(dǎo)航攝像頭、三相交流異步電機(jī)、工控機(jī)機(jī)控制箱、變速箱、電推桿及三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)等組成。交流異步電機(jī)為動(dòng)力源，為整機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)后面的驅(qū)動(dòng)車輪行走?？刂葡到y(tǒng)由工控機(jī)和控制箱組成，導(dǎo)航攝像頭安裝在機(jī)架正前方，檢測(cè)溫室大棚內(nèi)植株行的位置數(shù)據(jù)；這些數(shù)據(jù)信息反饋給工控機(jī)，用來(lái)生成導(dǎo)航路徑，控制系統(tǒng)用來(lái)控制作業(yè)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向，依靠扶手上的兩個(gè)電推桿來(lái)執(zhí)行機(jī)器的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直線自主行走。三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)用來(lái)掛載各種載具，液壓系統(tǒng)控制載具的上下移動(dòng)；減速箱和行走裝置共同組成了調(diào)速系統(tǒng)，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到載具所需轉(zhuǎn)速，同時(shí)增大驅(qū)動(dòng)軸輸出轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)旋耕刀作業(yè)。減速箱和行走箱都采用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)效率高，適應(yīng)各種土壤，保證作業(yè)平臺(tái)具有更長(zhǎng)地使用壽命。

圖1 溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)視覺(jué)導(dǎo)航原理圖

圖2 溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)圖

1.3 控制系統(tǒng)

PID控制算法是在控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，PID控制器是根據(jù)PID控制原理對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整偏差，使得控制變量實(shí)際值與工藝要求相同。同時(shí)PID控制器具有參數(shù)易調(diào)整、算法簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)、系統(tǒng)無(wú)靜差等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨咸攸c(diǎn)，本論文的導(dǎo)航控制器采用PID算法理論實(shí)現(xiàn)，自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的導(dǎo)航控制通過(guò)工控機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)航系統(tǒng)流程圖[5]如圖3所示。

圖3 自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)控制系統(tǒng)流程圖

2 主要結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)

溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)主要由導(dǎo)航攝像頭、三相交流異步電機(jī)、工控機(jī)、控制箱、變速箱、電推桿及三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)等組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括輪系行走裝置、三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)、V帶和變速箱等裝置。

2.1 輪式行走裝置

履帶式行走裝置在行走時(shí)不易打滑、可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向、接觸壓力小、支撐面積大，擁有較好地自我復(fù)位和越障功能、轉(zhuǎn)向半徑小等特點(diǎn)，但履帶式耗能大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大等問(wèn)題需要解決[6]，如圖4所示。

輪式行走裝置具有耗能相對(duì)較小、移動(dòng)平穩(wěn)、速度容易控制等特點(diǎn)，如圖5所示，主要不足在于不適合松軟路面、接地壓力大、支撐面積小、容易打滑、摩擦力小、附著性差等。

圖4 履帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖5 車輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

綜合考慮兩種行走裝置，履帶式接觸面積大、對(duì)地壓力大，而輪式運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、耗能小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單方便、便于在空間狹小的設(shè)施大棚內(nèi)作業(yè)、不易傷苗，所以綜合兩種行走裝置優(yōu)缺點(diǎn)，故選用輪式作為行走裝置。

2.2 三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)

該作業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)的通用底盤可以和配套機(jī)具相連接實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，完成開(kāi)溝、播種、施肥等工作，為此設(shè)計(jì)了三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)，方便不同機(jī)具連接。如圖6所示懸掛機(jī)構(gòu)用3個(gè)鉸鏈鏈接作為機(jī)組連接，機(jī)具在工作時(shí)直線行駛穩(wěn)定性好，中間所用功率不大[7-8]。

2.3 V帶的設(shè)計(jì)

機(jī)械傳動(dòng)可以分為兩種，一種是靠摩擦力來(lái)傳動(dòng)，例如帶傳動(dòng)、繩傳動(dòng)等。另一種是憑借中間構(gòu)件齒輪或主動(dòng)件和從動(dòng)件之間的嚙合力作為傳動(dòng)力，例如鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)等，這種傳動(dòng)方式可以更好地控制轉(zhuǎn)速。綜合考慮各種機(jī)械傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)最終確定以帶傳動(dòng)為主要傳動(dòng)，以下是V帶的設(shè)計(jì)過(guò)程。

按照一級(jí)平帶傳動(dòng)所計(jì)算的已知參數(shù)可知，V帶傳遞功率P=1.5kw，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n1=90r/min，V帶傳動(dòng)的滑動(dòng)率ε=0.02，工況系數(shù)ka=1.1，工作機(jī)載荷性質(zhì)為平穩(wěn)載荷。

圖6 三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)

2.3.1 V帶功率計(jì)算及帶型選擇

將已知的各參數(shù)代入公式（1）可得帶功率為1.65kW對(duì)比V帶選型圖，故選用B型V帶。

2.3.2 帶輪基準(zhǔn)直徑的確定

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)V帶輪的基準(zhǔn)直徑表，初選用小帶輪直徑d1=200mm，將已知參數(shù)帶入公式（2）計(jì)算可得d2=id1(1-ε)=1.5×200(1-0.02)=294mm，按設(shè)計(jì)手冊(cè)選取標(biāo)準(zhǔn)直徑d2=280mm。

2.3.3 帶速驗(yàn)算

將已知參數(shù)帶入公式（3）可得：v≈0.94m/s。

2.3.4 帶長(zhǎng)計(jì)算以及中心距的確定

已知大小帶輪直徑，可初定中心距為a0=900mm，可知帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度LH=2555mm，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度系列標(biāo)準(zhǔn)可得Ld=2500mm，計(jì)算求出：

將已知參數(shù)帶入上述公式計(jì)算的中心距a的變動(dòng)范圍為836mm≤a≤948mm。

2.3.5 V帶包角驗(yàn)算以及根數(shù)的確定

式（5）中，

α1——小帶輪包角；

將已知參數(shù)代入計(jì)算可知，α1=174.7°。

根據(jù)d和n1查表可知，當(dāng)P0=93kW時(shí)，根據(jù)帶型及查表得3根V帶的額定功率增量為ΔP0=0.01kW。

將各參數(shù)代入公式（6）可得則選用Z=0.9。

2.3.6 單根粗帶的初拉力以及作用于軸上的力的計(jì)算

將已知參數(shù)帶入公式的在軸上的力為F0=667N。

由上述計(jì)算結(jié)果可得選用三根V帶傳動(dòng)，兩帶輪之間的中心距a=873mm，大帶輪直徑d2=294mm，小帶輪直徑d1=200mm，均為實(shí)心帶輪。

式中，z—V帶根數(shù)；Pc—V帶功率，kW；P0—V帶初始功率，kW；ΔP0—V帶額定功率增量，kW；Ka—包角修正系數(shù)，取Ka=99.0；KL—帶長(zhǎng)修正系數(shù)，取KL=93.0LK。

表1 變速箱參數(shù)

2.4 變速箱的選用

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研可知，變速箱是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到車輪轉(zhuǎn)速變換的中間橋梁，通過(guò)計(jì)算得出發(fā)動(dòng)機(jī)與車輪之間的傳動(dòng)比，根據(jù)傳動(dòng)比劃分檔位控制自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的行駛速度。所選變速箱參數(shù)如表1所示，變速箱簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 變速箱簡(jiǎn)圖

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研田園管理機(jī)行駛速度區(qū)間為：一擋0.1m/s；二擋1.5m/s；三擋2m/s。為了保證作業(yè)平臺(tái)能夠在最好的行駛狀態(tài)，設(shè)計(jì)行駛速度如表2所示。

表2 擋位行駛速度 單位：m/s

所設(shè)計(jì)變速箱齒輪系為5級(jí)減速，一擋的傳動(dòng)路線如圖8所示。

圖8 減速箱傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

其傳動(dòng)比為：

根據(jù)公式（8）計(jì)算出驅(qū)動(dòng)輪上最大功率和最大驅(qū)動(dòng)力矩。

式（8）中：

G-試驗(yàn)車的重力，取70000N；

fR-滾動(dòng)阻力系數(shù)，取0.15；

λ-轉(zhuǎn)向比；

Fw-轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；

fw0-中心轉(zhuǎn)向時(shí)轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)；

R-理論轉(zhuǎn)向半徑，mm。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可以得出各軸在工作時(shí)功率和扭矩值，如表3所示。

表3 各軸轉(zhuǎn)速扭矩功率

3 結(jié)論

本文對(duì)溫室內(nèi)作業(yè)機(jī)械化、智能化進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一臺(tái)基于機(jī)器視覺(jué)的溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)。為了減少污染將動(dòng)力驅(qū)動(dòng)更換為電動(dòng)，三項(xiàng)交流電機(jī)取代原有的柴油動(dòng)力，減少了尾氣對(duì)大棚作物的污染，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。通過(guò)更換不同的作業(yè)設(shè)備，可以完成噴藥、播種、施肥及運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

（1）完成了溫室自主作業(yè)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括導(dǎo)航控制系統(tǒng)、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、變速系統(tǒng)及自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

（2）完成了自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括變速箱的設(shè)計(jì)，V帶的設(shè)計(jì)，三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)等主要機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)完成了液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和蓄電池的選用。

（3）采用機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)時(shí)采集大棚內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，并對(duì)導(dǎo)航路徑進(jìn)行擬合，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了PID控制器，完成對(duì)移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集和定位系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

（4）完成自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。整機(jī)設(shè)計(jì)出由全方位視覺(jué)傳感器、人工標(biāo)識(shí)、PC機(jī)、PC軟件和作業(yè)車構(gòu)成的可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，完成溫室自主移動(dòng)作業(yè)平臺(tái)的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。