高地隙農(nóng)田信息采集機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

汪小旵 李澤晟 陳彥宇 黃薛凱 張曉蕾

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 南京 210031; 2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備實(shí)驗(yàn)室, 南京 210031)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行農(nóng)田信息的快速采集,已逐漸成為農(nóng)業(yè)信息采集的一種重要的途徑。機(jī)器人實(shí)時(shí)采集不同位置上的多種農(nóng)業(yè)信息,包括作物表型信息、高光譜信息、病蟲(chóng)害情況、土壤含水率、土壤電導(dǎo)率、pH值等,可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供依據(jù)[1]。

國(guó)外對(duì)于農(nóng)田信息采集機(jī)器人相關(guān)研究展開(kāi)較早,NAGASAKA等[2]開(kāi)發(fā)農(nóng)田自動(dòng)采集信息機(jī)器人(Watching-dog robot),可以尋找并定位病弱作物或者雜草,但是使用的SICK激光測(cè)量系統(tǒng)受作物葉片遮擋嚴(yán)重,且運(yùn)行速度只有0.14 m/s;BAK等[3]研制農(nóng)田信息采集機(jī)器人用于繪制雜草種群,采用4個(gè)相同的車輪模塊允許四輪轉(zhuǎn)向和平行推進(jìn),但是其動(dòng)力性不足,環(huán)境適應(yīng)能力差;GODOY等[4]設(shè)計(jì)了多功能的信息采集移動(dòng)平臺(tái),該移動(dòng)平臺(tái)由無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng),但其轉(zhuǎn)向則由安裝在車輪頂部的轉(zhuǎn)向齒條帶動(dòng),制造成本很高且需要定時(shí)潤(rùn)滑。國(guó)內(nèi)劉英旋等[5]設(shè)計(jì)了輪式的小型農(nóng)田信息采集機(jī)器人,采集信息種類較全,但在實(shí)際的農(nóng)田工作中會(huì)受到障礙物、起伏地形、作物遮擋等眾多因素的影響,通過(guò)性與適應(yīng)性較差。姚照勝等[6]設(shè)計(jì)一種基于手機(jī)客戶端操作的農(nóng)田信息智能采集車。胡娜等[7-10]設(shè)計(jì)一種高度可調(diào)的農(nóng)田信息采集機(jī)器人,高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與前后輪距相關(guān)聯(lián)。

以上的農(nóng)田信息采集機(jī)器人大多應(yīng)用于旱地作物,且壟寬和高度不可調(diào),而在長(zhǎng)江中下游地區(qū)廣泛實(shí)行稻麥二季,水旱輪作,因此,需設(shè)計(jì)一種輪距可調(diào)、高度可調(diào)的高地隙信息采集機(jī)器人,既能滿足水田和旱地行走,又能調(diào)整輪距和高度,以適應(yīng)不同的農(nóng)藝條件。本文設(shè)計(jì)一種地隙與輪距可調(diào)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的農(nóng)田信息采集機(jī)器人,分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路與重要硬件選型依據(jù);設(shè)計(jì)基于GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))和INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))信息融合的機(jī)器人路徑跟蹤與導(dǎo)航控制系統(tǒng);進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試和田間試驗(yàn),以確定農(nóng)田信息采集機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性以及信息采集功能的可靠性。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

為了機(jī)器人功能的完整性與農(nóng)田各類信息采集的全面性,本文選擇模塊化設(shè)計(jì)的思路,先設(shè)計(jì)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu),后擴(kuò)展搭載功能,既能使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)完整可靠,又使得功能搭載擴(kuò)展的靈活性更強(qiáng),最終可使機(jī)器人完成各類農(nóng)田信息采集的既定功能。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路,農(nóng)田信息采集機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1a所示,分為本體結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)兩部分。在機(jī)器本體結(jié)構(gòu)部分,為了適應(yīng)作物不同的種植行距,設(shè)計(jì)機(jī)器人的輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);同時(shí)針對(duì)不同時(shí)期的作物生長(zhǎng)高度,設(shè)計(jì)機(jī)器人的地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);本研究中機(jī)器人在田間選擇跨壟方式行走,行進(jìn)方式為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向,保證田間信息采集時(shí)行走的靈活性;機(jī)器人鋰電池搭載于車身平臺(tái)下方,控制系統(tǒng)與其他結(jié)構(gòu)在車身平臺(tái)上方擴(kuò)展搭建。

圖1 農(nóng)田信息采集機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of farmland information collection robot1.Green Seeker型光譜儀 2.Green Seeker型光譜儀固定架 3.高光譜相機(jī) 4.高光譜相機(jī)固定架 5.擴(kuò)展載物平臺(tái) 6.環(huán)境信息傳感器 7.機(jī)器人控制系統(tǒng) 8.機(jī)器人外殼 9.導(dǎo)航接收機(jī)基座 10.RTK接收機(jī) 11.土壤信息采集機(jī)構(gòu) 12.土壤傳感器 13.土壤傳感器清潔毛刷 14.輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 15.四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 16.地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 17.鋰電池 18.機(jī)器人車身平臺(tái) 19.地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上支撐板 20.機(jī)器人車身平臺(tái)(透明化) 21.滾珠絲桿螺母 22.輪距調(diào)節(jié)電機(jī) 23.滾珠絲桿 24.輪距調(diào)節(jié)導(dǎo)軌 25.輪距調(diào)節(jié)連桿

輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖1b所示,輪距調(diào)節(jié)時(shí),首先機(jī)器人四輪分別由外向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°,之后驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)兩組旋向相反的滾珠絲桿同步旋轉(zhuǎn),兩個(gè)絲桿螺母塊A、B相向運(yùn)動(dòng),通過(guò)四邊形連桿帶動(dòng)端塊C、D與地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上支撐板固連的調(diào)節(jié)塊推動(dòng)整個(gè)地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相向運(yùn)動(dòng),同時(shí)四輪以和調(diào)節(jié)塊C、D相同的速度前進(jìn)或者后退,同步配合完成輪距調(diào)節(jié);最后四輪分別向相反方向旋轉(zhuǎn)回到初始位置,完成整個(gè)輪距調(diào)節(jié)的功能;過(guò)程中輪距調(diào)節(jié)電機(jī)和四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系式為

(1)

其中

式中nb——四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速,r/min

Nd——直角減速器減速比

Nz——錐齒輪總成減速比,取5

D——驅(qū)動(dòng)輪直徑,m

fb——步進(jìn)電機(jī)控制頻率,Hz

To——步距角,取1.8°

x——細(xì)分倍數(shù)

l——輪距調(diào)節(jié)滾珠絲桿導(dǎo)程,取10 mm

θd——輪距調(diào)節(jié)連桿與滾珠絲桿夾角,rad

Lk——連桿長(zhǎng)度,mm

Hk——端塊C、D間測(cè)量距離,mm

依據(jù)式(1)在輪距調(diào)節(jié)時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和步進(jìn)電機(jī)頻率,達(dá)到對(duì)輪距調(diào)節(jié)過(guò)程的協(xié)調(diào)控制。

機(jī)器人主要性能參數(shù)如表1所示。在機(jī)器人擴(kuò)展結(jié)構(gòu)部分,為全面采集農(nóng)田氣象環(huán)境信息、土壤水肥信息和作物生長(zhǎng)信息,設(shè)計(jì)各基座與固定架用于搭載各類傳感器,具體結(jié)構(gòu)與安裝位置如圖1a所示;其中擴(kuò)展載物平臺(tái)與本體結(jié)構(gòu)部分中車身平臺(tái)都具有搭載擴(kuò)展能力,可根據(jù)不同的信息采集目的擴(kuò)展搭載不同類型的傳感器,且拆卸安裝方便使得農(nóng)田信息采集機(jī)器人的適應(yīng)性更廣及靈活性更強(qiáng);另外,土壤傳感器清潔毛刷固定于車身平臺(tái),當(dāng)完成土壤信息采集后,對(duì)土壤傳感器起到清潔的作用。

表1 農(nóng)田信息采集機(jī)器人主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of farmland information collection robot

1.2 工作原理

機(jī)器人進(jìn)行田間信息采集時(shí),在進(jìn)入農(nóng)田工作前,因其要跨壟行走需盡可能不壓踏損傷作物,且調(diào)整到盡可能大的輪距保證機(jī)器人行駛穩(wěn)定性,輪距調(diào)節(jié)原理如圖2a所示,播種行距的最大整數(shù)倍的寬度作為本次田間信息采集作業(yè)的輪距,其計(jì)算式為

圖2 農(nóng)田信息采集機(jī)器人工作原理圖Fig.2 Working principle of farmland information collection robot

(2)

式中Awt——作物播種行距正整數(shù)倍集合

Bwt——機(jī)器人輪距調(diào)節(jié)范圍

Ni——正整數(shù)Dwt——輪距寬度

Dls——作物播種行距

機(jī)器人進(jìn)入農(nóng)田時(shí),需調(diào)節(jié)地隙,其原理如圖2b所示,首先參照進(jìn)入農(nóng)田時(shí)作物生長(zhǎng)高度和高光譜相機(jī)對(duì)作物的拍照距離,此外還需考慮機(jī)器人車輪在土壤中的下陷深度Hsd,從而綜合考慮確定機(jī)器人平臺(tái)高度;平臺(tái)高度確定后,再依據(jù)光譜儀檢測(cè)距離與高光譜相機(jī)的拍照距離差值對(duì)光譜儀安裝高度進(jìn)行調(diào)整;因此,機(jī)器人地隙調(diào)節(jié)與光譜儀安裝高度計(jì)算式為

(3)

式中Hch——作物高度,mm

Hsd——車輪下陷深度,mm

Hgh——機(jī)器人平臺(tái)面距車輪最低點(diǎn)高度,mm

Hgs——Green Seeker型光譜儀拍攝高度,mm

Hhc——高光譜相機(jī)拍攝高度,mm

Δgs——Green Seeker型光譜儀安裝高度調(diào)整值,mm

將由式(2)、(3)計(jì)算所得的輪距寬度Dwt與地隙高度Hgh輸入上位機(jī)控制系統(tǒng),輪距與地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)依次動(dòng)作將其調(diào)整到對(duì)應(yīng)數(shù)值,并分別由安裝到機(jī)構(gòu)之間的TOF200F型激光測(cè)距傳感器形成控制閉環(huán)精確控制輪距與地隙高度(圖2中Sh為地隙測(cè)量過(guò)程中傳感器值,Sw為輪距測(cè)量傳感器值)。

農(nóng)田信息采集機(jī)器人輪距寬度Dwt與地隙高度Hgh作為控制系統(tǒng)的兩個(gè)最基本參數(shù),在進(jìn)行農(nóng)田信息采集工作前需確定并傳入控制系統(tǒng),其在控制系統(tǒng)中確定與傳遞的過(guò)程如圖3所示;其中輪距為機(jī)器人行走轉(zhuǎn)向中阿克曼轉(zhuǎn)向原理的基礎(chǔ)參數(shù),地隙為機(jī)器人土壤信息采集過(guò)程中控制推桿伸縮長(zhǎng)度的基礎(chǔ)參數(shù);每次針對(duì)不同作物或者不同生長(zhǎng)時(shí)期的農(nóng)田進(jìn)行信息采集時(shí),輪距與地隙的參數(shù)傳遞過(guò)程需重新進(jìn)行。

圖3 農(nóng)田信息采集機(jī)器人輪距與地隙確定與傳遞過(guò)程Fig.3 Determination and transmission process diagram of wheel track and ground clearance of agricultural information collection robot

機(jī)器人傳參過(guò)程完畢后,開(kāi)始信息采集工作,具體采集過(guò)程為首先依據(jù)農(nóng)田區(qū)塊形狀以及信息采集點(diǎn)密度規(guī)劃農(nóng)田信息采集點(diǎn)與采集路徑,其次機(jī)器人基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤與自動(dòng)導(dǎo)航,按照規(guī)劃的采集路徑進(jìn)行信息采集,所采集的農(nóng)田信息種類與參數(shù)如表2所示;當(dāng)?shù)竭_(dá)路徑上特定采集點(diǎn)時(shí),機(jī)器人停止前進(jìn),Green Seeker型光譜儀、高光譜相機(jī)、農(nóng)田環(huán)境信息傳感器同時(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)信息采集,后傳入上位機(jī);同時(shí)土壤信息采集機(jī)構(gòu)動(dòng)作,驅(qū)動(dòng)土壤信息傳感器垂直插入土壤進(jìn)行信息采集,土壤信息傳感器收回后,清潔毛刷對(duì)掛結(jié)于土壤傳感器插針上的殘留土壤進(jìn)行清潔,清潔完成后機(jī)構(gòu)復(fù)位;最終上述信息采集過(guò)程完畢后,機(jī)器人繼續(xù)按照規(guī)劃路線運(yùn)行,直至目標(biāo)農(nóng)田的所有信息采集點(diǎn)采集完畢。

表2 機(jī)器人采集農(nóng)田信息種類與參數(shù)Tab.2 Robot collecting types and parameters of farmland information

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與硬件選型

2.1 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用4組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括轉(zhuǎn)向總成和驅(qū)動(dòng)總成兩部分,轉(zhuǎn)向總成由轉(zhuǎn)向電機(jī)、行星減速器、機(jī)構(gòu)支撐板和轉(zhuǎn)向軸連接板組成,其中機(jī)構(gòu)支撐板與地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下支撐板固連,轉(zhuǎn)向軸連接板則與驅(qū)動(dòng)總成固連,負(fù)責(zé)傳遞轉(zhuǎn)向扭矩;驅(qū)動(dòng)總成由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、直角減速器、錐齒輪總成和驅(qū)動(dòng)輪組成,驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力經(jīng)兩次直角動(dòng)力傳遞,節(jié)省了設(shè)計(jì)空間,有效降低機(jī)器人高度;另外轉(zhuǎn)向軸連接板連接兩組總成,提升了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4 四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of four-wheel independent drive and steering mechanism1.轉(zhuǎn)向電機(jī) 2.轉(zhuǎn)向行星減速器 3.機(jī)構(gòu)支撐板 4.轉(zhuǎn)向軸連接板 5.行走總成支撐板 6.驅(qū)動(dòng)輪 7.錐齒輪總成 8.驅(qū)動(dòng)軸套筒 9.直角減速器 10.驅(qū)動(dòng)電機(jī)

機(jī)構(gòu)中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供前進(jìn)動(dòng)力并控制機(jī)器人前進(jìn)速度,轉(zhuǎn)向電機(jī)提供轉(zhuǎn)向力矩并控制轉(zhuǎn)向角;機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)與轉(zhuǎn)向電機(jī)相互配合依據(jù)四輪Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向原理完成機(jī)器人行走。

農(nóng)田信息采集機(jī)器人在工作過(guò)程中,行駛的土壤條件各不相同,由于濕度、顆粒度和粘度因素的存在,土壤的行走條件較為復(fù)雜,對(duì)比各類農(nóng)田土壤特性對(duì)于機(jī)器人行走的影響[11-12],在較極端土壤條件即水田土壤環(huán)境下對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

機(jī)器人在田間行走,其原理是依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力,經(jīng)過(guò)直角減速器和錐齒輪總成的減速和增扭后,通過(guò)車輪與土壤的相互作用力,從而克服前進(jìn)阻力實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。因此,對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的參數(shù)選取,首先克服前進(jìn)阻力,使機(jī)器人有足夠動(dòng)力可以行走;其次避免產(chǎn)生較大滑轉(zhuǎn),因?yàn)榛D(zhuǎn)率越高,驅(qū)動(dòng)輪線速度與機(jī)器人實(shí)際行走速度差值越大[13-14],說(shuō)明機(jī)器人在行走時(shí)滑移滾動(dòng)程度越大。故機(jī)器人能在田間正常行駛需滿足動(dòng)力要求[15-16]

Fz≤Fo≤Ff

(4)

(5)

式中Fz——機(jī)器人前進(jìn)阻力,N

Fo——機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力,N

Ff——水田土壤車輪附著力,N

Td——驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定扭矩,N·m

Nd——直角減速器減速比

Nz——錐齒輪總成減速比,取5

ηd——驅(qū)動(dòng)總成機(jī)械傳遞效率,取0.85

R——驅(qū)動(dòng)輪半徑,取0.325 m

機(jī)器人前進(jìn)阻力決定因素有很多,其計(jì)算式[17]為

Fz=Fr+Fs+Fw+Fa

(6)

式中Fr——車輪滾動(dòng)阻力,N

Fs——坡度阻力,N

Fw——前進(jìn)空氣阻力,N

Fa——加速阻力,N

車輪滾動(dòng)阻力為

Fr=Gf

(7)

式中G——機(jī)器人整車總重,N

f——滾動(dòng)阻力系數(shù),水田取0.21[15]

坡度阻力計(jì)算式為

Fs=Gsinβ

(8)

式中β——機(jī)器人設(shè)計(jì)最大爬坡角,(°)

由于機(jī)器人在田間行駛速度較慢,空氣阻力與加速阻力可以忽略。

土壤車輪附著力計(jì)算式[17]為

Ff=G(λφc-ζf)

(9)

式中λ——驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)載荷系數(shù),四輪驅(qū)動(dòng)取0.95

φc——土壤附著系數(shù),水田取0.45

ζ——行走系統(tǒng)內(nèi)部損失系數(shù),取0.3

聯(lián)立式(5)、(9)并代入式(4)得

Fz≈1 800 N≤Fo≤Ff≈2 115 N

(10)

由式(10)可得,當(dāng)取驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩為2.1 N·m、直角減速器減速比為20時(shí),機(jī)器人可滿足水田正常行駛要求。為了控制的高精度且滿足高速運(yùn)行的穩(wěn)定性,選用矩頻特性更好的伺服電機(jī),高速旋轉(zhuǎn)下可提供恒力輸出。最后對(duì)機(jī)器人最大行駛速度進(jìn)行驗(yàn)證,計(jì)算式為

(11)

式中vmax——機(jī)器人最大行駛速度,m/s

nd——伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min

根據(jù)設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)及各機(jī)構(gòu)的工作需求,四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇SDGA-08C11BD型伺服電機(jī),額定功率0.75 kW,額定電流21.0 A,額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩2.39 N·m;轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇LS-86CME85型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī),保持轉(zhuǎn)矩8.5 N·m,額定電流6.0 A。

2.2 地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人有兩組相同的地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖5a所示,整體結(jié)構(gòu)由上下支撐板、內(nèi)外剪叉和滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)套組3部分組成;上支撐板負(fù)責(zé)支撐機(jī)器人車身平臺(tái),通過(guò)如圖5b所示的地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定板與車身平臺(tái)相連,下支撐板主要負(fù)責(zé)固連兩組四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);內(nèi)外剪叉為機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件,其端部分別與兩個(gè)固定端A、B和兩個(gè)活動(dòng)端C、D鉸鏈連接,活動(dòng)端沿上下支撐直線導(dǎo)軌的前后滑動(dòng)可改變內(nèi)外剪叉交叉角,從而推動(dòng)機(jī)器人車身平臺(tái)上下移動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人地隙的調(diào)節(jié);滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)套組是機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)核心,驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)行星減速器的降速與增扭,通過(guò)滾珠絲桿螺母座帶動(dòng)內(nèi)外剪叉的活動(dòng)鉸鏈端,故需在機(jī)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行滾珠絲桿、行星減速器和高度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型。

圖5 地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)示意圖Fig.5 Principle and design schematics of ground clearance height adjustment mechanism1.地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定板 2.上支撐板 3.上支撐直線導(dǎo)軌 4.內(nèi)剪叉 5.外剪叉 6.滾珠絲桿BF支撐端 7.絲桿螺母 8.下支撐直線導(dǎo)軌 9.滾珠絲桿 10.滾珠絲桿BK固定端 11.聯(lián)軸器 12.行星減速器 13.地隙高度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 14.下支撐板 15.地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)加強(qiáng)橫梁

地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受力分析如圖5b、5c所示,設(shè)前后兩個(gè)固定板所受的力為相等的均布力,將其簡(jiǎn)化為集中力FN,作用在A、C鉸鏈方向?yàn)閥的負(fù)方向;首先,對(duì)機(jī)構(gòu)用整體法[18]可得

FAx+FBx-FMa=0

(12)

-FAy+FBy-FC+FD=0

(13)

L(-FAxsinθ+FAycosθ+FBycosθ)=0

(14)

其次,對(duì)內(nèi)外剪叉分別用隔離法對(duì)點(diǎn)O、O′取力矩[18]可得

(15)

(16)

其中

(17)

式中S′h——固定端A、D的垂直距離,mm

由于兩組地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)擁有4個(gè)固定板,故FAy和FC滿足

(18)

其中

GO=(mp+md+mk+me)g

(19)

mp=ρpVp

(20)

式中GO——地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)總承重,N

mp——機(jī)器人車身平臺(tái)質(zhì)量,kg

ρp——車身平臺(tái)鋁合金板密度[19],取2.7 g/cm3

Vp——車身平臺(tái)體積,取0.0195 m3

md——鋰電池質(zhì)量,取29 kg

mk——車身平臺(tái)搭載所有機(jī)構(gòu)總質(zhì)量,取55 kg

me——車身平臺(tái)預(yù)留擴(kuò)展裝置總質(zhì)量,取100 kg

g——重力加速度,取9.8 m/s2

聯(lián)立式(12)～(20)得

(21)

夾角θ決定著地隙調(diào)節(jié)高度,但由于機(jī)構(gòu)動(dòng)作減小高度時(shí),隨著θ減小其上支撐板會(huì)與行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)形成結(jié)構(gòu)干涉,經(jīng)測(cè)量保持安全間距的最小θ為15°;其次為保證地隙增加時(shí),避免重心過(guò)高導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)行不平穩(wěn),設(shè)置θ最大值為25°;故FMa應(yīng)滿足

FMamin≈2 487 N≤FMa≤FMamax≈4 327 N

(22)

機(jī)構(gòu)C和D端的滑動(dòng)鉸支座滑動(dòng)副為直線導(dǎo)軌,上下固定端有4根導(dǎo)軌共8組滑塊,故直線導(dǎo)軌總摩擦力為

Ffl=8(μfGO+fS)

(23)

式中Ffl——直線導(dǎo)軌總摩擦力,N

μf——直線導(dǎo)軌摩擦因數(shù),取0.02

fS——滑塊刮油片阻力,取3.53 N

結(jié)構(gòu)中需選取滾珠絲桿的導(dǎo)程與公稱直徑;導(dǎo)程越大軸向速度越快,但控制精度越低,導(dǎo)程越小控制精度越高,但軸向速度越小;滾珠絲桿公稱直徑與負(fù)荷成正比,直徑越大負(fù)載能力越強(qiáng);綜合考慮選取導(dǎo)程l為10 mm,公稱直徑Dm為20 mm。

滾珠絲桿將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)為軸向力向機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力,需對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和行星減速器減速比進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩計(jì)算公式為

(24)

式中TM——驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩,N·m

Ta——滾珠絲桿轉(zhuǎn)換軸向力所需扭矩,N·m

Tb——BK、BF支撐座軸承摩擦扭矩,取0.2 N·m

Td——預(yù)壓扭矩,取0.7 N·m

Ng——行星減速器減速比

轉(zhuǎn)換軸向力所需扭矩的計(jì)算式為

(25)

其中

Fb=Fbm+Ffl

(26)

Fbm=FMamax

(27)

(28)

(29)

式中Fb——滾珠絲桿軸向負(fù)荷,N

Fbm——平均軸向載荷,N

η1——滾珠絲桿機(jī)械效率

α1——滾珠絲桿導(dǎo)程角,rad

綜合式(25)～(29),當(dāng)選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩4.5 N·m和行星減速器比10時(shí),地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)滿足要求。地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇LS-86CME45-BZ型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī),保持轉(zhuǎn)矩4.5 N·m,額定電流4.8 A。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與信息采集路徑規(guī)劃

3.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型

機(jī)器人工作需要更小的轉(zhuǎn)彎半徑,依據(jù)Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向原理[20-21],建立全輪偏轉(zhuǎn)的差速轉(zhuǎn)向模型,如圖6所示,可建立機(jī)器人轉(zhuǎn)向四輪速度和轉(zhuǎn)角與機(jī)器人車速和導(dǎo)向角之間的函數(shù)關(guān)系。

圖6 機(jī)器人轉(zhuǎn)向原理示意圖Fig.6 Schematic of robot steering principle

依據(jù)圖1b和圖3所示的輪距寬度調(diào)節(jié)原理和參數(shù)傳遞過(guò)程令

HA=Dwt

(30)

式中HA——輪距,mm

農(nóng)田信息采集機(jī)器人全輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向模型的轉(zhuǎn)彎半徑Ro只有前輪差速轉(zhuǎn)向的一半,轉(zhuǎn)向時(shí),抽象某一瞬間的轉(zhuǎn)向瞬心Q,根據(jù)三角公式推導(dǎo)得

(31)

(32)

(33)

式中v——機(jī)器人運(yùn)行速度,m/s

α——機(jī)器人航向角,rad

LA——機(jī)器人前輪與后輪的輪距,mm

vfl、vbl、vfr、vbr——左前、右前、左后、右后輪的速度,m/s

βfl、βbl、βfr、βbr——左前、右前、左后、右后輪的轉(zhuǎn)向角,rad

由式(32)、(33)作為控制系統(tǒng)中機(jī)器人行走轉(zhuǎn)向的控制基礎(chǔ),分別給出四輪的各自速度和轉(zhuǎn)向角與機(jī)器人運(yùn)行速度和航向角之間的函數(shù)關(guān)系,機(jī)器人速度v已知,且航向角α由系統(tǒng)中路徑跟蹤算法求得也為已知量,故系統(tǒng)將按照上述關(guān)系完成對(duì)四輪速度和轉(zhuǎn)向角的控制,從而完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)和穩(wěn)定的信息采集工作,采用單片機(jī)為控制核心,完成機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作和各傳感器的信息采集、處理和傳遞;綜合考慮控制系統(tǒng)搭建的便捷靈活性和單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的周期,根據(jù)機(jī)器人所需I/O口資源,選擇Arduino mega2560型單片機(jī),其具有豐富的開(kāi)源庫(kù)可供設(shè)計(jì)者參考,4路UART串口可完全滿足需求。

基于GPS/INS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)器人行走轉(zhuǎn)向,GPS作為實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)可修正慣性導(dǎo)航的累積偏差,INS具有短時(shí)間保持系統(tǒng)高精度且不受外界干擾的特點(diǎn),可彌補(bǔ)GPS信號(hào)易受干擾的問(wèn)題。GPS選擇內(nèi)置ZED-F9P模塊的BT-920 GNSS接收機(jī),實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位,INS選擇WTGAHRS3-485型慣導(dǎo)傳感器;通過(guò)組合導(dǎo)航系統(tǒng),可得到機(jī)器人行走控制所需位置及航向信息,用于路徑跟蹤。

機(jī)器人控制系統(tǒng)原理如圖7所示,機(jī)器人主控系統(tǒng)由上位機(jī)和單片機(jī)組成,主要分別負(fù)責(zé)農(nóng)田信息處理和機(jī)器人控制;整個(gè)系統(tǒng)分為地隙輪距調(diào)節(jié)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收、行走轉(zhuǎn)向控制、土壤信息采集和農(nóng)田其他信息采集5個(gè)子系統(tǒng)。

圖7 機(jī)器人系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 Flowchart of robot control system

上位機(jī)作為運(yùn)算核心的優(yōu)勢(shì)在于其超快的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的數(shù)據(jù)可視化功能,故在本設(shè)計(jì)的主控系統(tǒng)中將對(duì)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力要求較高的導(dǎo)航定位和路徑跟蹤算法放在上位機(jī)完成;一方面在信息采集前由輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)得到的輪距寬度和地隙高度作為參數(shù)從上位機(jī)傳入控制核心單片機(jī),用于系統(tǒng)的整體控制;另一方面,上位機(jī)綜合處理GPS和INS的導(dǎo)航數(shù)據(jù),依據(jù)導(dǎo)航和路徑跟蹤系統(tǒng)將關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)傳入機(jī)器人控制核心,完成后續(xù)機(jī)器人控制與信息采集。

單片機(jī)作為機(jī)器人控制核心,與上位機(jī)保持關(guān)鍵信息的相互傳遞,一方面接收由上位機(jī)解算后的路徑跟蹤過(guò)程的期望輪速vfl、vfr、vbl、vbr,通過(guò)RS485總線分別發(fā)送到對(duì)應(yīng)的行走伺服驅(qū)動(dòng)器,每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)速度進(jìn)行閉環(huán)控制,并且把每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪當(dāng)前速度反饋到控制核心,同時(shí)將期望轉(zhuǎn)角βfl、βfr、βbl、βbr通過(guò)解算分別向轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào),每個(gè)轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)編碼器將實(shí)時(shí)檢測(cè)的角度反饋到驅(qū)動(dòng)器與控制核心,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向角閉環(huán);另一方面接收上位機(jī)傳來(lái)的路徑跟蹤過(guò)程中的實(shí)時(shí)位置信息,該信息為信息采集點(diǎn)到位指令,收到指令后控制土壤信息采集機(jī)構(gòu)的橫、縱直線模組和電動(dòng)推桿相繼動(dòng)作,直至土壤傳感器插針到位并完成信息采集,最后為不影響下次采集,機(jī)構(gòu)回位后清潔毛刷對(duì)土壤傳感器進(jìn)行清潔,將殘留土塊刷掉;最后,單片機(jī)將農(nóng)田環(huán)境信息傳感器采集到的信息,連同土壤信息全部傳回上位機(jī)進(jìn)行保存、管理、處理和調(diào)用。

3.3 信息采集路徑跟蹤方法

機(jī)器人進(jìn)行信息采集需要根據(jù)采樣點(diǎn)進(jìn)行路徑規(guī)劃,其基本原則為保證路徑經(jīng)過(guò)所有待采樣點(diǎn)且路程最短時(shí)間最少;待采集的信息包括環(huán)境信息、土壤信息和作物生長(zhǎng)信息,各類信息具有空間變異性,因不可能完全采樣故研究時(shí)一般通過(guò)各類插值法進(jìn)行,從離散的真實(shí)數(shù)據(jù)得到研究對(duì)象的空間分布[22-23];所以本設(shè)計(jì)中采用對(duì)待采樣區(qū)塊進(jìn)行平均采樣點(diǎn)規(guī)劃的方法,具體采樣點(diǎn)的分布和路徑規(guī)劃如圖8a所示,從待采區(qū)塊的一端開(kāi)始進(jìn)行,按照“S”形路線行駛到地頭轉(zhuǎn)彎,盡可能保持較長(zhǎng)的直線路徑,減少經(jīng)停采集點(diǎn)過(guò)程中的決策計(jì)算,采樣間隔與行距間隔以10 m為例。

圖8 機(jī)器人信息采集路徑規(guī)劃及路徑跟蹤算法原理圖Fig.8 Schematics of robot information collection path planning and path tracking algorithm

純追蹤算法是一種幾何方法,將機(jī)器人簡(jiǎn)化為自行車模型,其原理如圖8b所示(圖中xO′y為與機(jī)器人固連坐標(biāo)系,(x,y)為機(jī)器人當(dāng)前位置坐標(biāo),(xg,yg)為機(jī)器人目標(biāo)位置坐標(biāo)),目標(biāo)是計(jì)算機(jī)器人到達(dá)指定位置所需走過(guò)的圓弧路徑,核心是設(shè)置一個(gè)合適的前視距離Ld;該算法能夠模擬駕駛員的視覺(jué),具有仿生、簡(jiǎn)單、直觀、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),根據(jù)當(dāng)前車體橫向偏差、航向偏差和前視距離,通過(guò)計(jì)算確定車體下一步的車輪期望轉(zhuǎn)向角,如此循環(huán),不停校正,從而慢慢靠近預(yù)設(shè)規(guī)劃路徑,控制核心算式為[24-25]

(34)

式中δ——機(jī)器人目標(biāo)航向角,rad

RO′——機(jī)器人瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑,m

ed——橫向偏差,m

eψ——航向偏差,rad

由式(34)可知,橫向偏差和航向偏差不可控,前視距離可控;當(dāng)前視距離較小時(shí),收斂快但容易發(fā)生振蕩;當(dāng)前視距離較大時(shí),路徑平穩(wěn)但跟蹤收斂較慢。

針對(duì)上述純跟蹤算法初始階段誤差較大、振蕩幅度大、收斂時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題,提出基于雙切圓巡線與純跟蹤結(jié)合的路徑跟蹤算法,原理如圖8c所示(圖中XO′Y為慣性坐標(biāo)系,P0、Pm、Pa分別為機(jī)器人巡線過(guò)程初始點(diǎn)、中間點(diǎn)、目標(biāo)點(diǎn),r1、O1、r2、O2分別為第一、二段切圓半徑與圓心,Rmin為機(jī)器人最小轉(zhuǎn)彎半徑),目標(biāo)為減小巡線距離Lxs,雙切圓巡線算法用幾何規(guī)劃的方法有效縮短直線路徑跟蹤的收斂時(shí)間,提高跟蹤效率,非常適用于多直線路徑的跟蹤行駛。本文信息采集路徑多為直線段,在初始循跡或地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)基于雙切圓理論跟蹤,直線路徑跟蹤收斂后改為純跟蹤算法,既發(fā)揮雙切圓巡線收斂時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),又發(fā)揮純跟蹤算法穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)[26-27],其中雙切圓改進(jìn)的路徑跟蹤算法核心算式為

(35)

式中eφo——初始航向偏差,rad

4 田間試驗(yàn)

4.1 機(jī)器人性能測(cè)試

4.1.1最小轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)試

機(jī)器人運(yùn)行轉(zhuǎn)向時(shí),根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),內(nèi)測(cè)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)向角為βmax=40°,又因最小轉(zhuǎn)彎半徑與輪距寬度相關(guān),其計(jì)算式為

(36)

試驗(yàn)于2022年7月在江蘇鹽城鹽海拖拉機(jī)制造有限公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行。機(jī)器人運(yùn)行于廠區(qū)的空曠水泥地面,于車體橫向?qū)ΨQ中心安裝劃線針。測(cè)試時(shí)設(shè)置多組不同輪距的試驗(yàn)組,每組設(shè)置程序軌跡參數(shù),使得機(jī)器人前段按照直線行走,后將四輪轉(zhuǎn)向角設(shè)置在最大轉(zhuǎn)向角后保持不變,以固定車速0.5 m/s分別向左、右各轉(zhuǎn)一圈,測(cè)量車體轉(zhuǎn)彎半徑軌跡尺寸,并記錄GNSS模塊的軌跡數(shù)值,后取測(cè)量值與記錄值的平均值作為最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)值。試驗(yàn)工具包括:劃線針、卷尺、GNSS等。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,機(jī)器人在前進(jìn)和后退兩種行進(jìn)方式下各自向左、向右轉(zhuǎn)彎半徑基本一致,由于不同輪距下最小轉(zhuǎn)彎半徑不同,試驗(yàn)結(jié)果表明最小轉(zhuǎn)彎半徑平均值為區(qū)間1.3～1.5 m,其與設(shè)計(jì)值對(duì)比平均偏差率不大于6.8%,且總體平均偏差率為5.03%。

表3 農(nóng)田信息采集機(jī)器人最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)Tab.3 Minimum turning radius test of farmland information collection robot

4.1.2四輪驅(qū)動(dòng)控制測(cè)試

為了驗(yàn)證機(jī)器人四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)行駛時(shí)的控制效果,需要對(duì)四輪的實(shí)際車速進(jìn)行測(cè)試,分析四輪同步驅(qū)動(dòng)控制精度。依據(jù)多電機(jī)同步的控制策略[28-31],本試驗(yàn)主要測(cè)定4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪在不同車速與負(fù)載運(yùn)行下的穩(wěn)定性及電機(jī)間實(shí)際轉(zhuǎn)速的同步性,分析機(jī)器人在四輪調(diào)零回正時(shí)直線行駛的控制效果。

根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與機(jī)構(gòu)減速比計(jì)算的轉(zhuǎn)速為參考,設(shè)定測(cè)試轉(zhuǎn)速分別為0.3、0.5、0.8 m/s,四輪調(diào)零的限制下直線行駛。4臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)、行駛流暢,行星減速器與錐齒輪總成傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠均未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象,根據(jù)車輪行駛軌跡測(cè)量移動(dòng)平臺(tái)與目標(biāo)路徑之間的橫向偏差最大值為4.6 cm。在機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中,上位機(jī)PC通過(guò)RS485串口通訊與驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實(shí)現(xiàn)同步監(jiān)測(cè)各驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。

利用同步速度誤差來(lái)評(píng)價(jià)多電機(jī)協(xié)同控制效果,誤差越小,電機(jī)同步性能越好[31]。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示,電機(jī)之間的同步速度誤差以運(yùn)行時(shí)間為變量,動(dòng)態(tài)反映某一時(shí)刻兩臺(tái)電機(jī)之間的實(shí)際轉(zhuǎn)速差。由圖9可知,處于橫縱相對(duì)的兩兩電機(jī)之間的同步誤差在零附近往復(fù)波動(dòng)并穩(wěn)步趨于轉(zhuǎn)速同步,且其中最大差值不大于30 r/min即根據(jù)傳動(dòng)比換算為線性差值不大于2.6 cm。因此測(cè)試結(jié)果表明,該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在負(fù)載擾動(dòng)下快速趨于穩(wěn)定,且4臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具備較好的速度一致性,同時(shí)平臺(tái)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較好的同步性。

圖9 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制過(guò)程響應(yīng)曲線Fig.9 Schematic of robot information collection path planning and path tracking algorithm

4.1.3地隙與輪距調(diào)節(jié)功能測(cè)試

為了測(cè)試機(jī)器人的地隙與輪距調(diào)節(jié)功能,需要對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程中的實(shí)際值進(jìn)行測(cè)量,并分析其控制精度。本試驗(yàn)需要對(duì)測(cè)量值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證在由機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳遞效率及其變形引起的誤差存在情況下的實(shí)際控制效果。

試驗(yàn)分為兩組,第1組根據(jù)地隙與輪距理論設(shè)計(jì)區(qū)間,分別在最大與最小值之間平均設(shè)置多個(gè)等分測(cè)量點(diǎn),將目標(biāo)值輸入控制系統(tǒng),相應(yīng)控制地隙和輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作到當(dāng)前設(shè)置值并測(cè)量地隙與輪距的實(shí)際值;控制過(guò)程中,地隙與輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)編碼器將旋轉(zhuǎn)圈數(shù)通過(guò)串口返回到上位機(jī)記錄。第2組試驗(yàn)對(duì)水稻基地的種植行距與不同時(shí)期的水稻生長(zhǎng)高度進(jìn)行測(cè)量,依據(jù)測(cè)量值計(jì)算機(jī)器人的工作輪距與地隙,令控制系統(tǒng)動(dòng)作到目標(biāo)值,進(jìn)行3組試驗(yàn)取平均值,驗(yàn)證控制系統(tǒng)實(shí)際工作的平均偏差。

試驗(yàn)結(jié)果如圖10與表4所示,地隙調(diào)節(jié)的控制響應(yīng)曲線與設(shè)計(jì)曲線存在一定差值,但根據(jù)實(shí)際測(cè)量值與系統(tǒng)控制響應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并且結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)可以得出,該一定程度的偏差并不是由控制系統(tǒng)所導(dǎo)致,而是由地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的剪叉結(jié)構(gòu)輕微變形導(dǎo)致,然而,試驗(yàn)結(jié)果表明,控制系統(tǒng)可以很好地彌補(bǔ)機(jī)械結(jié)構(gòu)變形對(duì)整機(jī)控制的影響。輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由于其測(cè)量方向無(wú)高強(qiáng)度受力,故不存在上述問(wèn)題,其響應(yīng)曲線也表明,輪距調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與獨(dú)立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)同步性良好,可以滿足輪距調(diào)節(jié)的功能設(shè)計(jì)。最后,對(duì)于在田中的實(shí)際測(cè)試與調(diào)節(jié)表明,根據(jù)不同種植行距與作物高度,機(jī)器人對(duì)于設(shè)計(jì)值的平均偏差率為1.33%(輪距)、0.73%(地隙)。

表4 機(jī)器人地隙與輪距田間調(diào)節(jié)試驗(yàn)Tab.4 Field adjustment experiment of robot ground clearance and wheel track

圖10 地隙與輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.10 Response curves of ground gap and wheel base adjusting mechanism control system

4.2 機(jī)器人路徑跟蹤算法試驗(yàn)

為了測(cè)試機(jī)器人基于雙切圓改進(jìn)后路徑跟蹤算法的有效性,需要對(duì)改進(jìn)前后的算法收斂速度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),分為兩組測(cè)試,如圖11a所示,設(shè)置相同的期望路徑與初始位置及航向角,系統(tǒng)分別載有純跟蹤算法及基于雙切圓改進(jìn)的算法;試驗(yàn)中,算法對(duì)于直線路徑的跟蹤性能主要取決于橫向位置偏差,故需通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄車身所處位置,得到跟蹤過(guò)程中橫向偏差的實(shí)時(shí)曲線,其中規(guī)定機(jī)器人處于目標(biāo)路徑左側(cè)時(shí),偏差記錄為負(fù),反之,機(jī)器人處于目標(biāo)路徑右側(cè)時(shí),偏差記錄為正;對(duì)于機(jī)器人收斂的判別條件,設(shè)橫向偏差處于±5 cm區(qū)間內(nèi)即為達(dá)到收斂;最后,機(jī)器人整體行駛速度設(shè)置為0.3 m/s。

圖11 路徑跟蹤試驗(yàn)及橫向偏差對(duì)比Fig.11 Path tracking test and transverse error comparison charts

由圖11b可知,純追蹤算法與基于雙切圓改進(jìn)的路徑跟蹤算法的振蕩幅度分別為0.48 m和0.12 m,收斂時(shí)間分別為50.5 s和36.1 s;結(jié)果顯示基于改進(jìn)雙切圓的機(jī)器人路徑跟蹤方法的振蕩幅度和收斂時(shí)間均小于純跟蹤算法。與純追蹤算法相比,振蕩幅度降低75.0%,收斂時(shí)間降低28.5%。試驗(yàn)結(jié)果表明,改進(jìn)的路徑跟蹤方法能夠在初始階段或者地頭轉(zhuǎn)彎航向誤差較大時(shí)可以自動(dòng)有效跟蹤路徑,大幅度地減小機(jī)器人的行駛軌跡振蕩幅度,并且縮短到達(dá)收斂行駛狀態(tài)的時(shí)間。

信息采集機(jī)器人在田間進(jìn)行信息采集所采取的是S形行進(jìn)路線,在地頭按照路徑規(guī)劃進(jìn)行轉(zhuǎn)彎其路徑跟蹤橫向誤差如圖12所示,試驗(yàn)結(jié)果表明,機(jī)器人直線平均跟蹤誤差6.8 cm,且可適應(yīng)路線的突然轉(zhuǎn)彎并且及時(shí)做出響應(yīng),轉(zhuǎn)彎上線收斂平均用時(shí)為25.6 s,機(jī)器人可以高效地轉(zhuǎn)彎并重新對(duì)下一段目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤,以證明機(jī)器人作業(yè)時(shí)路徑跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

圖12 機(jī)器人行走路徑跟蹤橫向誤差曲線Fig.12 Lateral error diagram of walking path tracking of farmland information collection robot

4.3 機(jī)器人信息采集試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)中機(jī)器人對(duì)農(nóng)田各類信息采集的功能性,需要機(jī)器人對(duì)農(nóng)田中預(yù)設(shè)采集點(diǎn)進(jìn)行路徑跟蹤和信息采集;具體采集方法為首先選定采集區(qū)塊,利用GNSS模塊對(duì)該區(qū)塊進(jìn)行四點(diǎn)標(biāo)定以確定區(qū)塊的絕對(duì)空間坐標(biāo),并將其輸入上位機(jī);其次根據(jù)規(guī)定采樣間隔在上位機(jī)的路徑規(guī)劃模塊中輸入起點(diǎn)與終點(diǎn)坐標(biāo),生成采樣路徑;最后機(jī)器人控制系統(tǒng)按照所規(guī)劃的路徑依次對(duì)目標(biāo)區(qū)塊進(jìn)行信息采集。機(jī)器人在田間進(jìn)行信息采集時(shí)所需傳感器與結(jié)構(gòu)搭建如圖13所示,其中土壤、環(huán)境信息、大氣壓力、光照強(qiáng)度、風(fēng)速和二氧化碳傳感器均采用RS485通訊,都選用Modbus協(xié)議,通過(guò)核心控制器為各傳感器分配不同地址,將采集到的數(shù)據(jù)解算后通過(guò)串口上傳上位機(jī);通過(guò)USB擴(kuò)展塢對(duì)上位機(jī)串口進(jìn)行擴(kuò)展,Green Seeker型光譜儀與高光譜成像儀通過(guò)自帶UBS數(shù)據(jù)傳輸線與上位機(jī)直接連接;為了提高接收與解析的運(yùn)行效率GNSS模塊同樣直接與上位機(jī)連接;采集過(guò)程中,每當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣點(diǎn)時(shí),機(jī)器人行走系統(tǒng)中斷,各類信息傳感器按照順序依次進(jìn)行信息采集,并通過(guò)串口上傳于上位機(jī)進(jìn)行記錄,該點(diǎn)所有傳感器采集傳輸完成后機(jī)器人繼續(xù)按照路徑前進(jìn)至下一采集點(diǎn),依次采集直到區(qū)塊采集任務(wù)結(jié)束。

圖13 農(nóng)田信息采集機(jī)器人田間工作及結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Field work and structure drawing of farmland information collection robot

本試驗(yàn)在江蘇省東臺(tái)市五烈現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園中進(jìn)行,選定區(qū)域?yàn)?00 m×60 m的水稻田,采集樣點(diǎn)平均間隔為10 m,路徑跟蹤平穩(wěn)行駛速度為0.3 m/s,試驗(yàn)如圖13所示,機(jī)器人搭載各類傳感器,分別實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)串口通訊,進(jìn)行信息記錄。

試驗(yàn)中機(jī)器人單點(diǎn)信息采集平均耗時(shí)24.5 s,機(jī)器人搭載的各類傳感器進(jìn)行各指標(biāo)采集,在田間完成信息采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示,試驗(yàn)表明,各類傳感器檢測(cè)與串口數(shù)據(jù)傳遞正常工作,機(jī)器人可以有效且快速完成農(nóng)田信息采集工作。

表5 農(nóng)田信息采集機(jī)器人信息采集數(shù)據(jù)表Tab.5 Information collection data of farmland information collection robot

5 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有農(nóng)田信息采集機(jī)器人結(jié)構(gòu)功能單一、信息采集不完善等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種跨壟行走的地隙高度與輪距寬度可調(diào)的四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向且信息采集功能可擴(kuò)展的農(nóng)田信息采集機(jī)器人。

(2)根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思路,利用SolidWorks軟件對(duì)農(nóng)田信息采集機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析,分為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì),搭載各類傳感器實(shí)現(xiàn)農(nóng)田各類信息的采集與傳輸。

(3)對(duì)機(jī)器人各關(guān)鍵結(jié)構(gòu),包括地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析、設(shè)計(jì)計(jì)算分析與關(guān)鍵零部件選型。

(4)在機(jī)器人完成加工試制的基礎(chǔ)上,對(duì)機(jī)器人的最小轉(zhuǎn)彎半徑、地隙輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)與四輪驅(qū)動(dòng)行走同步性等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證分析。試驗(yàn)結(jié)果表明最小轉(zhuǎn)彎半徑平均值為1.3～1.5 m,其與設(shè)計(jì)值對(duì)比平均偏差率不大于6.8%,且總體平均偏差率為5.03%;根據(jù)不同種植行距與作物高度,機(jī)器人對(duì)于設(shè)計(jì)值的到位率(即平均偏差)為1.33%(行距),0.73%(地隙);該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在負(fù)載擾動(dòng)下快速趨于穩(wěn)定,且4臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具備較好的速度一致性,同時(shí)平臺(tái)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較好的同步性。

(5)搭建基于GNSS和INS的組合導(dǎo)航控制系統(tǒng),并根據(jù)傳統(tǒng)的純路徑跟蹤算法進(jìn)行改進(jìn),提出一種基于雙切圓巡線的綜合路徑跟蹤算法,試驗(yàn)結(jié)果表明,與純追蹤算法相比,振蕩幅度降低75.0%,收斂時(shí)間降低28.5%;機(jī)器人直線平均跟蹤誤差6.8 cm,且可適應(yīng)路線的突然轉(zhuǎn)彎并且及時(shí)做出響應(yīng),轉(zhuǎn)彎上線收斂的平均用時(shí)為25.6 s。

(6)進(jìn)行農(nóng)田信息采集試驗(yàn),試驗(yàn)表明,機(jī)器人可準(zhǔn)確實(shí)時(shí)完成信息采集既定目標(biāo),單點(diǎn)信息采集平均耗時(shí)24.5 s。