居 錦，劉繼展，李 男，李萍萍

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基于側(cè)向光電圓弧陣列的溫室路沿檢測與導(dǎo)航方法

居 錦1，劉繼展1※，李 男1，李萍萍2

（1. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江蘇大學(xué)），鎮(zhèn)江 212013；2. 南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，南京 210037）

針對現(xiàn)有溫室移動(dòng)機(jī)器人沿邊導(dǎo)航技術(shù)的精度與實(shí)時(shí)性不足等問題，提出了一種基于光電開關(guān)圓弧陣列的沿邊導(dǎo)航方法。提出了基于圓弧陣列理想目標(biāo)帶原理的位姿檢測與調(diào)控方法，并建立了基于光電圓弧陣列信號觸發(fā)數(shù)與觸發(fā)中心序號雙指標(biāo)的位姿檢測模型，按照雙指標(biāo)的不同閾值進(jìn)行車體位姿狀態(tài)歸類并觸發(fā)相應(yīng)調(diào)控軌跡程序，進(jìn)而根據(jù)由該雙指標(biāo)數(shù)值計(jì)算得到的位姿給定各調(diào)控軌跡參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的沿邊導(dǎo)航。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0.15 m/s速度內(nèi)，小車的沿邊位置與姿態(tài)偏差分別保持在-35 mm～+15 mm和-5°～+5°范圍內(nèi)，能夠滿足實(shí)際施藥、搬運(yùn)等作業(yè)的行走需求。同時(shí)小車的調(diào)控周期約為2 m，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)低調(diào)控頻度的沿邊平順導(dǎo)航，并且沿下沉路沿行走時(shí)，能夠適應(yīng)300 mm長的雜物。該方法為溫室環(huán)境下的低成本快速沿邊導(dǎo)航提供了新的技術(shù)思路。

導(dǎo)航；溫室；監(jiān)測；光電開關(guān)；圓弧陣列；沿邊；位姿

0 引 言

近二十年來中國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展迅猛，總面積已超過400萬hm2，占全球的85%。在溫室環(huán)境下，頻繁地搬運(yùn)、施藥、移栽、收獲等大量移動(dòng)作業(yè)均急需適應(yīng)溫室環(huán)境的移動(dòng)平臺，而具備導(dǎo)航能力的各類溫室自主移動(dòng)平臺研究亦得到了高度重視[1-5]。

適應(yīng)溫室環(huán)境的導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)平臺研發(fā)和高效移動(dòng)作業(yè)的關(guān)鍵，其中利用溫室內(nèi)的道路邊沿特征進(jìn)行導(dǎo)航是研究的主要方向之一?；诃h(huán)境圖像信息提取道路邊沿的車輛導(dǎo)航方法已開展了大量研究[6-15]，但該類方法算法較為復(fù)雜且易受復(fù)雜的溫室非結(jié)構(gòu)環(huán)境和半自然條件干擾，距離實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用仍有一定距離。相對更簡單的基于距離或接近信息的邊沿檢測已在掃地機(jī)器人等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但簡單基于機(jī)械、紅外光電或超聲的距離或碰撞感知僅能實(shí)現(xiàn)邊沿的防碰撞或防跌落控制[16-17]，而難以精確地確定自身與邊沿的相對位置和姿態(tài)，因而無法滿足溫室內(nèi)準(zhǔn)確沿邊快速行進(jìn)的需要；在基于距離感知的車輛沿邊導(dǎo)航方面，賈士偉等[18]基于激光掃描測距的二維深度信息實(shí)現(xiàn)溫室道路邊沿檢測，但其算法僅能處理溫室道路相對平坦的情形，而對于溫室道路兩側(cè)有平緩坡度以及有凹凸不平障礙物的情況適應(yīng)能力較差；周慧等[19-20]通過在車輛沿邊一側(cè)安裝一個(gè)超聲或紅外光電傳感器對墻體進(jìn)行測距實(shí)現(xiàn)沿邊行走，但無法實(shí)現(xiàn)對車身相對墻體傾斜狀態(tài)的判斷，因而無法避免車頭或車尾與墻體的碰撞，難以保證安全可靠和平順快速的沿邊行進(jìn)；袁宇龍等[21]通過在AS-R移動(dòng)機(jī)器人側(cè)前方弧形布置多個(gè)距離傳感器、徐明亮等[22]在Khepera移動(dòng)機(jī)器人前方弧形布置多個(gè)距離傳感器對墻體進(jìn)行測距，進(jìn)而通過多個(gè)距離信號的模糊邏輯融合等來實(shí)現(xiàn)沿邊行走，但模糊邏輯融合的計(jì)算復(fù)雜，試驗(yàn)結(jié)果表明行走姿態(tài)不夠穩(wěn)定；杜利超等[23]則通過在車輛側(cè)面平行直線安裝若干個(gè)光電開關(guān)實(shí)現(xiàn)沿邊行進(jìn)，但只能通過不同光電開關(guān)的高低電平制定判斷規(guī)則來了解車身偏離邊沿的大致情況，而無法獲得車身相對于邊沿的具體位置和姿態(tài)，因而難以保證沿邊導(dǎo)航的良好精度和運(yùn)行平滑性。

本文針對溫室內(nèi)壟間、槽間沿邊導(dǎo)航的需要和現(xiàn)有研究的不足，提出了基于側(cè)向光電圓弧陣列的溫室路沿檢測與導(dǎo)航方法，通過7關(guān)電開關(guān)的“0、1”信號規(guī)律實(shí)現(xiàn)了車輛相對邊沿的位置和姿態(tài)準(zhǔn)確檢測和沿邊導(dǎo)航，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 小車沿邊運(yùn)動(dòng)模型

1.1 兩輪差速小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

如圖1，本研究以轉(zhuǎn)彎半徑小、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)的兩輪差速小車作為研究對象，以向量描述其任一時(shí)刻的位姿[24]。

(,,)T（1）

式中為自主小車中心的縱向坐標(biāo)，mm；為自主小車中心的橫向坐標(biāo)，mm；為自主小車的航向角，(°)；并以向量描述小車任一時(shí)刻的速度：

=(,)T（2）

式中為兩輪中點(diǎn)沿車體縱向的瞬時(shí)速度，mm/s；為小車的瞬時(shí)角速度，rad/s。

注：vL左輪輪速；vR右輪輪速；v小車速度；x小車中心縱向坐標(biāo)；y小車中心與路沿距離；γ航向角；Lm輪距；ω小車角速度；M小車中心轉(zhuǎn)矩。下同。

忽略小車行走時(shí)輪胎與地面之間的滑動(dòng)摩擦，則有

其中，

v=ωR（4）

v=ωR（5）

由式（3）、（4）、（5）可得

式中v、v分別為左、右驅(qū)動(dòng)輪的線速度，mm/s；ω、ω分別為左右驅(qū)動(dòng)輪的角速度，rad/s；L為小車驅(qū)動(dòng)輪的輪距，mm；R為小車驅(qū)動(dòng)輪行駛半徑，mm。

則小車的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可由式（7）表示[25-29]。

1.2 小車沿邊模型分析

小車在沿邊行駛時(shí)，除拐角、急彎等極少情況外，在導(dǎo)航計(jì)算區(qū)域內(nèi)道路邊沿相對于車體可近似為直線，小車相對于道路邊沿的位姿=(,,)T可簡化為由小車中心點(diǎn)相對于路沿的橫向位移與航向角來表示：

=(,)T（8）

由式（7）、（8）聯(lián)立，可得

式中0為小車的初始位姿，R、L由小車自身固定結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。

由式（9）可以發(fā)現(xiàn)，小車的位姿取決于上一時(shí)刻的航向角和小車左右輪速ω、ω，因而航向角的準(zhǔn)確檢測是實(shí)現(xiàn)車體位姿控制和沿邊導(dǎo)航的前提，而沿邊導(dǎo)航控制必須由小車的左右輪速ω、ω調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。

2 光電開關(guān)圓弧陣列的沿邊位姿檢測與導(dǎo)航模型

2.1 多光電開關(guān)的道路邊沿檢測原理

規(guī)范化建設(shè)的溫室內(nèi)具有壟間、槽間、立體栽培裝置間的邊沿型通道，根據(jù)道路與邊沿的幾何關(guān)系可分為下沉路沿和凸起路沿（圖2）。

1.小車 2.光電開關(guān) 3.車輪 4.凸起路沿 5.下沉路沿

當(dāng)路沿處于檢測范圍內(nèi)時(shí)，在車體側(cè)面布置的光電開關(guān)會相應(yīng)地輸出一個(gè)設(shè)定的低電平或高電平信號，但單個(gè)光電開關(guān)只能獲得車體安裝點(diǎn)相對于路沿的位置，無法獲得車體姿態(tài)信息。

通過在車體側(cè)面以一定結(jié)構(gòu)布置多個(gè)光電開關(guān)，其產(chǎn)生的各高低電平信號包含了車體相對于路沿的距離與偏轉(zhuǎn)姿態(tài)信息，從而實(shí)現(xiàn)簡單可靠性的溫室邊沿檢測和導(dǎo)航。

2.2 基于光電開關(guān)圓弧陣列的車體位姿獲取

2.2.1 光電開關(guān)圓弧陣列的布置

為實(shí)現(xiàn)小車位置、姿態(tài)的準(zhǔn)確反饋，提出了車體側(cè)面的光電開關(guān)圓弧陣列布置方法。

如圖3所示，在自主小車的沿邊一側(cè)，7個(gè)光電開關(guān)1～7按圓弧均勻布置構(gòu)成弧形陣列，并由光電開關(guān)的量程決定各檢測點(diǎn)′1～′7分布決定一檢測圓弧。兩相鄰光電開關(guān)檢測點(diǎn)間的夾角為

2.2.2 七光電開關(guān)圓弧陣列的位姿檢測原理

沿邊導(dǎo)航的目標(biāo)是控制車體始終在與路沿處于相對穩(wěn)定的位姿范圍內(nèi)平順行進(jìn)，為此根據(jù)光電開關(guān)圓弧陣列結(jié)構(gòu)，將檢測點(diǎn)′2′6和′3′5兩連線之間形成的寬度帶作為位姿理想目標(biāo)帶（圖3），當(dāng)路沿處于理想目標(biāo)帶內(nèi)時(shí)，小車處于沿邊的理想位姿而不需調(diào)節(jié)。當(dāng)路沿跨出理想目標(biāo)帶時(shí)，將導(dǎo)致光電開關(guān)圓弧陣列的高、低電平狀態(tài)發(fā)生變化，根據(jù)各光電開關(guān)的高低電平狀態(tài)規(guī)律可判斷小車位姿進(jìn)而完成沿邊行進(jìn)的調(diào)控。

1.理想目標(biāo)帶 2.道路邊沿 2.小車

1.Ideal control target area 2.Curb 3.Vehicle

注：1~7光電開關(guān)；′1～′7光電開關(guān)的檢測點(diǎn)；光電開關(guān)圓弧陣列的圓心角。下同。

Note:1-7are photoelectric switches;′1-′7are detection points of photoelectric switches;is central angle of arc array of photoelectric switches. The same as below.

圖3 光電開關(guān)圓弧陣列布置示意圖

Fig.3 Schematic diagram of arc array for photoelectric switches

2.2.3 七光電開關(guān)圓弧陣列的位姿檢測指標(biāo)

為了從圓弧陣列中多個(gè)高低電平信號判斷小車的位姿狀態(tài)，引入信號觸發(fā)數(shù)N和觸發(fā)中心序號N兩個(gè)位姿檢測參數(shù)。

1）N表示檢測到路沿而被觸發(fā)的光電開關(guān)的數(shù)量（圖4），N越大表明車輛距離路沿越近；

2）N為檢測到路沿而被觸發(fā)的的光電開關(guān)的序號的平均值（圖4），N越大表明車輛的頭部越偏離路沿。

控制程序通過對各光電開關(guān)高低電平信號的信號觸發(fā)數(shù)N和觸發(fā)中心序號N的自動(dòng)計(jì)算和數(shù)值分析，可實(shí)現(xiàn)對車體沿邊位姿的判定。

2.2.4車體沿邊位姿狀態(tài)判定

由圖4可知，當(dāng)車輛邊沿位于理想目標(biāo)帶內(nèi)時(shí)，信號觸發(fā)數(shù)N=3且觸發(fā)中心序號N=4，車輛與路沿處于理想位姿狀態(tài)。當(dāng)路沿跨出理想目標(biāo)帶時(shí)，導(dǎo)致N和N發(fā)生變化，根據(jù)七光電開關(guān)圓弧陣列布局的檢測范圍和位姿控制精度需要，首先按照N和N的不同閾值進(jìn)行車體位姿狀態(tài)歸類，從而觸發(fā)控制系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)的調(diào)控軌跡程序；進(jìn)而根據(jù)由N和N數(shù)值計(jì)算得到的準(zhǔn)確位姿給定各調(diào)控軌跡參數(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的沿邊導(dǎo)航。

1.觸發(fā)的光電開關(guān)檢測點(diǎn) 2.未觸發(fā)的光電開關(guān)檢測點(diǎn)

1.Triggered detection point 2.Detection point not triggered

注：′～′被觸發(fā)的關(guān)電開關(guān)檢測點(diǎn)；N被觸發(fā)光電開關(guān)數(shù)量；N被觸發(fā)光電開關(guān)序號均值。

Note:′-′are triggered detection points of photoelectric switches;Nis number of triggered photoelectric switches;Nis center sequence number of triggered photoelectric switches.

圖4 位姿檢測指標(biāo)示意圖

Fig.4 Sketch diagram of position and orientation detection indexes

當(dāng)N=0時(shí)，車輛已經(jīng)遠(yuǎn)離路沿，處于導(dǎo)航失效的不可控狀態(tài)；而當(dāng)N>5時(shí)，車輛已經(jīng)快越過路沿，處于沿邊導(dǎo)航失效的不可控狀態(tài)（圖5a）。

同時(shí)，當(dāng)N≤2或N≥6時(shí)，車輛相對路沿已經(jīng)嚴(yán)重傾斜，處于沿邊導(dǎo)航失效的不可控狀態(tài)（圖5b）。

圖5 導(dǎo)航失效狀態(tài)示意圖

因此在導(dǎo)航有效范圍內(nèi)，將車體位姿分為9種狀態(tài)（表1），其中為理想位姿狀態(tài)，當(dāng)處于其他狀態(tài)時(shí)即啟動(dòng)對應(yīng)調(diào)控程序向理想位姿狀態(tài)調(diào)節(jié)。

表1 小車位姿狀態(tài)

2.2.5 車體沿邊位姿偏差計(jì)算

小車在沿邊導(dǎo)航過程中，根據(jù)圖1和4所示幾何關(guān)系，由七光電開關(guān)圓弧陣列所檢測出的車輛的姿態(tài)偏差為

其中Δ為正表示車輛頭部偏向路沿；Δ為負(fù)表示車輛頭部偏離路沿。

同時(shí)根據(jù)圖1和圖4所示幾何關(guān)系，由七光電開關(guān)圓弧陣列所檢測出的車輛的位置偏差為

2.3 光電開關(guān)圓弧陣列布置要求

由式（11）、式（12）可知，由光電開關(guān)圓弧陣列所檢測出的位姿偏差精度與布置圓弧的圓心角和半徑相關(guān)，而參數(shù)由位姿的檢測精度要求和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間所共同決定。

2.3.1 位姿的檢測精度要求

由式（12），七光電開關(guān)圓弧陣列的位置檢測誤差為

其中[]為車輛沿邊導(dǎo)航中對七光電開關(guān)圓弧陣列的位置檢測誤差要求。當(dāng)在表1所示有效調(diào)控范圍內(nèi)，N為最大值5時(shí)

由式（11），七光電開關(guān)圓弧陣列的姿態(tài)檢測誤差為

其中[]為車輛沿邊導(dǎo)航中對七光電開關(guān)圓弧陣列的姿態(tài)檢測誤差要求。

2.3.2 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求

同時(shí)，相鄰光電開關(guān)的觸發(fā)間隔必須滿足系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間要求，才能有效反映車輛對路沿的位姿變化

其中0為車輛沿邊行進(jìn)中可能出現(xiàn)的最大偏轉(zhuǎn)角速度，為系統(tǒng)從光電開關(guān)觸發(fā)到車輪作出響應(yīng)的時(shí)間。

在進(jìn)行光電開關(guān)圓弧陣列布置時(shí)，首先可由式（15）和式（16）確定七光電開關(guān)圓弧陣列的檢測圓弧的圓心角

60<<6[] （17）

進(jìn)而由式（17）和式（14）可確定七光電開關(guān)圓弧陣列的檢測圓弧半徑。

2.4 不同位姿的差速調(diào)控

針對表1所示小車9種不同位姿狀態(tài)，當(dāng)路沿跨出理想目標(biāo)帶時(shí)，依照圖6所示分類軌跡模式進(jìn)行調(diào)節(jié)[30]。

1.行駛軌跡 2.路沿 3.小車

1. Traveling trace 2.Curb 3. Vehicle

注：為光電開關(guān)圓弧陣列的目標(biāo)帶的中心點(diǎn)；為圓弧軌跡的偏距。

Note:is the central point of the target band of photoelectric switch arc array;is offset distance of arc trajectory.

圖6 不同位姿調(diào)控示意圖

Fig.6 Sketch diagram of different position and orientation control

根據(jù)上述調(diào)控模式和式（11）、式（12）得到的車體位姿，通過控制兩輪差速小車的左右輪速v、v來實(shí)現(xiàn)沿邊行進(jìn)。

3 沿邊導(dǎo)航效果試驗(yàn)

3.1 車體結(jié)構(gòu)與光電開關(guān)布置參數(shù)

試驗(yàn)使用的自主開發(fā)的長1 200 mm、寬600 mm、高550 mm兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)小車，采用400 W伺服減速電機(jī)為左右輪動(dòng)力。采用歐姆龍E3Z-D61的NPN輸出型反射型光電開關(guān)，檢測范圍5～100 mm可調(diào)，其調(diào)節(jié)精度可達(dá)1 mm，指向角2.5°。針對下沉路沿和凸起路沿分別按以下方式布置光電開關(guān)圓弧陣列。

1）下沉路沿：試驗(yàn)時(shí)將光電開關(guān)檢測距離調(diào)節(jié)至90 mm，垂直向下入射地面、離地高度為50 mm，布置的光電開關(guān)圓弧的弦與小車沿邊一側(cè)重合，取圓弧的參數(shù)=20°、=3291 mm，由公式（14）、式（15）可知其位置檢測最大誤差為12.5 mm，姿態(tài)檢測最大誤差為3.3°。按照車速0.15 m/s和式（16）測算，只要系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在0.1 s以內(nèi)即可滿足光電開關(guān)圓弧陣列的位姿檢測需要（圖7a）

3.2 無障礙沿邊行走試驗(yàn)

3.2.1 光電開關(guān)布置參數(shù)

試驗(yàn)采用歐姆龍E3Z-D61，NPN輸出型反射型光電開關(guān)，檢測范圍5～100 mm可調(diào)，其調(diào)節(jié)精度可達(dá)1 mm，指向角2.5°。為對該方法進(jìn)行初步驗(yàn)證，下沉路沿和凸起路沿分別按下布置光電開關(guān)圓弧陣列：

1）下沉路沿：試驗(yàn)時(shí)將光電開關(guān)檢測距離調(diào)節(jié)至90 mm，垂直向下入射地面、離地高度為50 mm，布置的光電開關(guān)圓弧的弦與小車沿邊一側(cè)重合，取圓弧的參數(shù)=20°、=3 291 mm，由式（14）、（15）可知其位置檢測最大誤差為12.5 mm，姿態(tài)檢測最大誤差為3.3°。按照車速0.15 m/s和式（16）測算，只要系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間在0.1 s以內(nèi)即可滿足光電開關(guān)圓弧陣列的位姿檢測需要（圖7a）。

1.自主小車 2.光電開關(guān) 3.光電開關(guān)支架 4.光電開關(guān)圓弧 5.下沉路沿 6.車體中心線 7.沙漏

1.Vehicle 2.Photoelectric switch 3.Stand 4.Arc array 5.Concave curb 6.Vehicle center line 7.Hourglass

a. 下沉路沿

a. Concave curb

1.自主小車 2.車體中心線 3.沙漏 4.凸起路沿 5.光電開關(guān) 6光電開關(guān)檢測點(diǎn)

1.Vehicle 2.Vehicle center line 3.Hourglass 4.Convex curb 5.Photoelectric switches 6.Detection points

b. 凸起路沿

b. Convex curb

圖7 下沉凸起路沿光電開關(guān)布置示意圖

Fig.7 Arrangement of photoelectric switches walking along concave curb and convex curb

2）凸起路沿：試驗(yàn)時(shí)將光電開關(guān)水平布置在小車底部，通過調(diào)節(jié)光電開關(guān)的水平檢測距離形成參數(shù)=20°、=3 291 mm光電圓弧，布置的光電圓弧的弦與小車邊緣距離為30 mm（圖7b）。

3.2.2 試驗(yàn)材料與方法

為方便試驗(yàn)開展，對于下沉路沿和凸起路沿的沿邊行走試驗(yàn)處理分別為：

1）下沉路沿：選取江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓旁的水泥路沿，路沿的臺階高度約140 mm，小車尾部中心出安裝一沙漏，小車初始位置中心距離路面邊沿400 mm、航向角為0°；小車分別以0.05、0.1、0.15 m/s的初速度分別行駛16 m，得到沙漏在水泥路面留下的軌跡，從起點(diǎn)開始使用T型尺每隔50 mm測量一次黃沙軌跡中心點(diǎn)到路面邊沿的垂直距離y，并記錄下來（圖7a）。

2）凸起路沿：選取江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓內(nèi)的走廊通道的墻壁，在小車尾部中心出安裝一沙漏，小車初始位置中心距離路面邊沿430 mm、航向角為0°；小車的左右輪初始速度為0.05、0.1、0.15 m/s進(jìn)行試驗(yàn)，行駛距離為16 m，得到沙漏在水泥路面留下的軌跡，從起點(diǎn)開始使用T型尺每隔50 mm測量一次黃沙軌跡中心點(diǎn)到路面邊沿的垂直距離y，并記錄下來（圖7b）。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中小車并未出現(xiàn)墜落下沉路沿、與凸起路沿碰撞現(xiàn)象，其沿邊導(dǎo)航效果可以用其相對于路沿的位置偏差、航向角來反應(yīng)。小車中心與路沿的位置偏差Δy為

Δy=y-0（18）

其中0為小車相對于路沿的理想位置，由3.2.1節(jié)內(nèi)容可知，下沉路沿和凸起路沿的0分別為335、365 mm。

可得小車與路沿位置偏差Δy隨小車沿邊行駛距離的變化關(guān)系（圖8）。

a. 下沉路沿

a. Concave curb

b. 凸起路沿

同理可得小車相對于路沿的航向角變化圖（圖9）

a. 下沉路沿

a. Concave curb

b. 凸起路沿

表2 自主小車行走軌跡分析

由上面的數(shù)據(jù)分析可見：

1）隨著速度增大，小車的橫向位移偏差、航向角偏差的均值呈變大趨勢，且兩者的波動(dòng)也逐漸變大，但在理論設(shè)計(jì)的速度內(nèi)，未出現(xiàn)溫室小車位姿劇烈震蕩、調(diào)控不穩(wěn)現(xiàn)象。

2）在0.15 m/s速度內(nèi)，小車的實(shí)際位置與離理想位置偏差保持在?35 mm～+15 mm，其偏差的絕對值的均值在16.9 mm以內(nèi)，角度偏差保持?5°～+5°，其偏差絕對值的均值在4°以內(nèi)，相對于溫室自主小車尺寸，此誤差基本能夠滿足實(shí)際施藥、搬運(yùn)等作業(yè)的行走需求。

3）沿邊導(dǎo)航中每行駛約2 m自動(dòng)實(shí)施1次調(diào)控，且此調(diào)控距離隨速度增加而呈增加趨勢，表明基于光電開關(guān)圓弧陣列可實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)的低調(diào)控頻度的沿邊平順導(dǎo)航行進(jìn)。

3.3 路沿障礙物的導(dǎo)航影響試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)際作業(yè)時(shí)，溫室的下沉路沿可能存在雜物，使部分下沉路沿高度與地面一致，此時(shí)光電圓弧陣列反映的車輛的有效位姿與實(shí)際具有一定偏差，為驗(yàn)證雜物的對沿邊導(dǎo)航效果的影響，在路沿的3 m處設(shè)置長100 mm雜物、5 m處設(shè)置長300 mm雜物、12 m處設(shè)置600 mm雜物，小車初始位置中心距離路面邊沿400 mm、航向角為0°，以0.1 m/s的初速度行駛，得到沙漏在水泥路面留下的軌跡，從起點(diǎn)開始使用T型尺每隔50 mm測量一次黃沙軌跡中心點(diǎn)到路面邊沿的垂直距離y，并記錄下來。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果

由上數(shù)據(jù)可得到有雜物情況下小車與路沿位置偏差Δy隨小車沿邊行駛距離的變化關(guān)系，結(jié)合3.2.3節(jié)內(nèi)容可得圖10。

注：在路沿3、5、12 m處，分別設(shè)置長度為100、300、600 mm雜物。

小車在長度為100 mm雜物附近的位姿并未發(fā)生很大化，長度為300 mm雜物附近的位姿波動(dòng)明顯增大，橫向位移偏差達(dá)38 mm，長度為600 mm雜物附近的位姿偏差急劇增大，嚴(yán)重偏向路沿外側(cè)，車體會墜落下沉路沿。試驗(yàn)表明系統(tǒng)具有一定的容錯(cuò)性，能夠適應(yīng)300 mm以內(nèi)的雜物，可以滿足生產(chǎn)中絕大多數(shù)情況。

4 結(jié) 論

1）提出了基于光電開關(guān)圓弧陣列理想目標(biāo)帶原理的溫室小車位姿檢測與調(diào)控方法，并建立了基于光電圓弧陣列信號觸發(fā)數(shù)與觸發(fā)中心序號雙指標(biāo)的沿邊位姿檢測模型。

2）下沉路沿與凸起路沿的沿邊行走試驗(yàn)表明，0.15 m/s速度內(nèi)小車的沿邊位置與姿態(tài)偏差分別保持在?35 mm～+15 mm和?5°～+5°范圍內(nèi)，小車的調(diào)控精度和平順性均能滿足溫室小車沿邊導(dǎo)航工作需求，并且沿下沉路沿行走時(shí)具有一定容錯(cuò)性。

初步試驗(yàn)驗(yàn)證了光電開關(guān)圓弧陣列的沿邊導(dǎo)航方法的有效性，而通過提高所使用兩輪差速小車的加工與安裝精度，可進(jìn)一步減小兩輪動(dòng)作誤差和提高沿邊導(dǎo)航控制精度。同時(shí)，對于光電開關(guān)圓弧陣列的小型集成化研究工作正在進(jìn)一步進(jìn)行中。

[1] 張欣. 日光溫室相變材料墻板蓄/放熱過程數(shù)值模擬研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016：1－6.

Zhang Xin. CFD Based Simulation of Heat Charging /Discharging Process of Phase Change Wallboard in Chinese Solar Greenhous[D]. Yangling：Northwest A&F University, 2016: 1－6. (in Chinese with English abstract)

[2] 王志文，郭戈. 移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]. 機(jī)器人，2003，25(5)：470－474.

Wang Zhiwen, Guo Ge. Present situation and future development of mobile robot navigation technology[J]. Robot, 2003, 25(5): 470－474. (in Chinese with English abstract)

[3] Ohmori H. Utilization of the electric vehicle in greenhouse horticulture[J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery, 2010, 72: 527－530.

[4] Yamashita J, Satou K, Hikita M, et al. Development of an automatic transport vehicle for use in greenhouses[J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery，2010，53：75－84.

[5] 牛雪梅，高國琴，鮑智達(dá)，等. 基于滑模變結(jié)構(gòu)控制的溫室噴藥移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(2)：9－16.

Niu Xuemei, Gao Guoqin, Bao Zhida, et al. Path tracking of mobile robots for greenhouse spraying controlled by sliding mode variable structure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(2): 9－16. (in Chinese with English abstract)

[6] 賈士偉，李軍民，邱權(quán)，等. 基于激光測距儀的溫室機(jī)器人道路邊緣檢測與路徑導(dǎo)航[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(13)：39－45.

Jia Shiwei, Li Junmin, Qiu Quan, et al. New corridor edge detection and navigation for greenhouse mobile robots based on laser scanner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): 39－45. (in Chinese with English abstract)

[7] 王新忠，韓旭. 基于最小二乘法的溫室番茄壟間視覺導(dǎo)航路徑檢測農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012(6)：161－166.

Wang Xinzhong, Han Xu. Navigation line detection of tomato ridges in greenhouse based on least square method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2012(6): 161－166. (in Chinese with English abstract)

[8] 趙穎，陳兵旗，王書茂. 基于機(jī)器視覺的耕作機(jī)器人行走目標(biāo)直線檢測[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(4)：83－86.

Zhao Ying, Chen Bingqi, Wang Shumao. Fast detection of furrows based on machine vision on autonomous mobile robot[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2006, 37(4): 83－86. (in Chinese with English abstract)

[9] 張?zhí)? 高茬水田耕整路徑機(jī)器視覺識別方法研究[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

Zhang Tian. Study on the Method of Machine Vision Recognition of High Stubble Paddyfield-tillage’s Path [D].Wuhan:Huazhong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[10] 高國琴，李明. 基于K-means算法的溫室移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航路徑識別[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(7): 25－33.

Gao Guoqin, Li Ming. Navigating path recognition for greenhouse mobile robot based on K-means algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(7): 25－33. (in Chinese with English abstract)

[11] Kyunghoon Jung, Inseong Lee, Hajun Song, et al. Vision guidance dystem for AGV using ANFIS[C]// International Conference on Intelligent Robotics and Applications. Springer-Verlag, 2012:377-385.

[12] Butdee S, Suebsomran A. Automatic guided vehicle control by vision system[C]//Industrial Engineering and Engineering Management, 2009. IEEE International Conference on. IEEE, 2009: 694-697.

[13] Grimson W E L, Lozano-Pérez T. Model- based recognition and localization from sparse range or tactile data[J]. International Journal of Robotics Research, 1984, 3(3): 3-35.

[14] 李明，李旭，孫松林，等. 基于全方位視覺傳感器的農(nóng)業(yè)機(jī)械定位系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(2)：170－174.

Li Ming, Li Xu, Sun Songlin, et al. Localization system of agricultural machinery based on omni-directional vision sensor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 170－174. (in Chinese with English abstract)

[15] 江锽，肖愛平. 噴藥機(jī)器人在溫室中道路識別及邊界提取的研究[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014，(10)：18－21.

Jiang Huang, Xiao Aiping. Study on spraying robot’s road recognition and boundary extraction in greenhouses[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment, 2014, (10): 18－21. (in Chinese with English abstract)

[16] 汪華章，汪亮. 基于MSP430的“智能吸塵器”設(shè)計(jì)[J]. 西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，41(5)：593－598.

Wang Huazhang, Wang Liang. Design of intelligent cleaner based on MSP430[J]. Journal of Southwest University for Nationalities: Natural Science Edition, 2015, 41(5): 593－598. (in Chinese with English abstract)

[17] 趙堂春，于彤. 傳感器技術(shù)在智能移動(dòng)（保潔）機(jī)器人裝置中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，25(5)：7－9.

Zhao Tangchun, Yu Tong. The application of sensor technology in intelligent mobile (cleaning) robotic devices[J]. Development & Innovation of Machinery & Electrical Products, 2012, 25(5): 7－9. (in Chinese with English abstract)

[18] 賈士偉, 李軍民, 邱權(quán),等. 基于激光測距儀的溫室機(jī)器人道路邊緣檢測與路徑導(dǎo)航[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(13)：39－45.

Jia Shiwei, Li Junmin, Qiu Quan, et al. New corridor edge detection and navigation for greenhouse mobile robots based on laser scanner[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): 39－45. (in Chinese with English abstract)

[19] 周慧. 基于單超聲傳感器的移動(dòng)機(jī)器人沿墻導(dǎo)航[J]. 聲學(xué)技術(shù)，2014，33(S2)：243－246.

Zhou Hui. Mobile Robot wall-following navigation based on a single ultrasonic sensor[J]. Technical Acoustics, 2014, 33(S2): 243－246.

[20] 查峰，肖世德，馮劉中，等. 移動(dòng)機(jī)器鼠沿墻導(dǎo)航策略與算法研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程，2012(6)：172－174.

Zha Feng, Xiao Shide, Feng Liuzhong, et al. Research on wall-following navigation strategy and algorithm for mobile mechanical mouse[J]. Computer Engineering, 2012(6): 172－174. (in Chinese with English abstract)

[21] 袁宇龍，李軍. 基于模糊邏輯的移動(dòng)機(jī)器人沿墻行為精準(zhǔn)控制[J]. 世界科技研究與發(fā)展，2013(6)：704－708.

Yuan Yulong, Li Jun. Precision control of mobile robot in wall-following behavior based on fuzzy logic[J]. World Sci-Tech R&D, 2013(6): 704－708. (in Chinese with English abstract)

[22] 徐明亮，柴志雷，須文波. 移動(dòng)機(jī)器人模糊Q-學(xué)習(xí)沿墻導(dǎo)航[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010(6)：83－88.

Xu Mingliang, Chai Zhilei, Xu Wenbo. Wall-following control of a mobile robot with fuzzy Q-learning[J]. Electric Machines and Control, 2010(6): 83－88. (in Chinese with English abstract)

[23] 杜利超. 大棚噴霧作業(yè)機(jī)器人底盤的設(shè)計(jì)與研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010.

Du Lichao. Design and Research on Greenhouse Spray Robot Chassis[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2010. (in Chinese with English abstract)

[24] 趙韓，尹曉紅，吳焱明. 非完整約束AGV軌跡跟蹤的非線性預(yù)測控制[J]. 中國機(jī)械工程，2011(6)：681－686.

Zhao Han, Yin Xiaohong, Wu Yanming. Nonlinear model predictive control of trajectory tracking for nonholonomic AGV[J]. China Mechanical Engineering, 2011(6): 681－686. (in Chinese with English abstract)

[25] 徐俊艷，張培仁. 非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制研究[J]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(3)：121－125.

Xu Junyan, Zhang Peiren. Research on trajectory tracking control of nonholonomic wheeled mobile robots[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2004(3): 121－125. (in Chinese with English abstract)

[26] Vis I A. Survey of research in the design and control of automated guided vehicle systems[J]. European Journal of Operational Research, 2006, 170(3): 677－709.

[27] Lee Y, Suh J, Lee J. Driving control of an AGV for an automated container terminal using an immunized PID controller based on cell-mediated immunity[J]. Artificial Life and Robotics 2005, 9(2): 90－95.

[28] Dogandzic A, Riba J, Seco G, et al. Positioning and navigation with applications to communications[J]. IEEE Signal Proc Magazine, 2005, 22(4): 10－11.

[29] Le-Anh T, De Koster M. A review of design and control of automated guided vehicle system[J]. Eur, J Oper Res, 2006, 171: 1－23.

[30] 史晨紅，左敦穩(wěn)，張國家. 基于軌跡控制的AGV運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2014(2)：7－12.

Shi Chenhong, Zuo Dunwen, Zhang Guojia. Design of AGV-based trajectory navigation motion controller[J]. Machine Design and Manufacturing Engineering, 2014(2): 7－12. (in Chinese with English abstract)

Curb-following detection and navigation of greenhouse vehicle based on arc array of photoelectric switches

Ju Jin1,Liu Jizhan1※,Li Nan1, Li Pingping2

(1.,,212013; 2.,210037,

In the past 20 years, protected agriculture has been developed rapidly in China, with a total area of 4,000 kha. A large number of mobile platforms are urgently needed to satisfy the need of operation, and research on autonomous vehicles with navigation ability has been highly valued. For structured hard pressed road surface between cultivation beds in modern greenhouse, curb-following navigation technology is most valuable for autonomous vehicle working in greenhouse. However, present curb-following navigation technologies based on machine vision are too complicated and lack of stability, while navigation technologies based on distance sensing cannot reach ideal accuracy of position/orientation detection. The target of curb-following navigation in this paper was to control the vehicle body within a stable position/orientation relative to the curb based on limited simple high/low level signals from arc array of photoelectric switches. Principle of detection and control of position/orientation based on both arc array of photoelectric switches and ideal control area was firstly introduced, and indexNthat represents the number of triggered photoelectric switches and indexNwhich represents the center sequence number of triggered photoelectric switches were introduced to establish a position/orientation detection model. The position/orientation was classified by different thresholds of the two indices which can trigger the corresponding control program of trajectory. And then accurate position and orientation which were calculated by the values of two indexes were used to set the parameters of control program to realize the curb line following navigation in real time. This method can realize precise navigation with just limited number of high-low signals from photoelectric switches. The curb-following navigation accuracy relies on number of photoelectric switches, radius and central angle of the arc array, while triggered time interval between adjacent photoelectric switches must satisfy the need of response of sensing, control and mechanical transmission for a vehicle. Differential controlling strategies for different position/orientation states of vehicle based on arc array of photoelectric switches were also put forward. It was found from experiments that as the speed increased, both the transverse error and course angle of the vehicle displacement would rise. While within the designed speed, neither violent shock nor instability was found. Experiment results also indicated that the deviations of vehicle’s position and orientation were kept -35 mm to +15 mm and -5° to +5°, respectively. Relative to the size of the greenhouse vehicle, the error was acceptable which satisfied the curb-following navigation requirement of pesticide spraying, seedling transplanting, transporting etc. in greenhouse. And the control cycle of trajectory was about 2 m along the curb line, which indicated that the vehicle can run smoothly along the curb line under a low control frequency in the greenhouse based on the method above. It was also found that this method could maintain better curb-following navigation accuracy even under interference of sundries if its length was not more than 300 mm, which may meet the actual need of vast majority of the production. In this paper, we proposed new technical ideas for robots running along curb with low cost in the greenhouse.

navigation; greenhouse;monitoring; photoelectronic switches; circular arc; curb line following; position and orientation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.024

O345; TS201.7

A

1002-6819(2017)-18-0180-08

2017-03-07

2017-06-05

江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐重點(diǎn)資助項(xiàng)目（BE2014406），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51475212），江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX(15)1020），江蘇省六大人才高峰項(xiàng)目（JXQC-008）、江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目（PAPD）和江蘇省2015年度普通高校研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SJLX15_0507）

居 錦，男，江蘇揚(yáng)州人，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究。鎮(zhèn)江 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江蘇大學(xué)），212013。Email：jujin19880626@163.com

劉繼展，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究。鎮(zhèn)江 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（江蘇大學(xué)），212013。Email：liujizhan@163.com