翁盛檳，吳繼團(tuán)，林曉亮，溫濤銘

(衢州學(xué)院a. 工程實(shí)訓(xùn)中心； b. 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000)

0 引言

得益于自動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)器視覺(jué)、集成電路等技術(shù)的快速發(fā)展，除草機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)的分支，正逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工除草作業(yè)[1]，特別是在花園、足球場(chǎng)等具有規(guī)則形狀草坪的修理維護(hù)上，除草機(jī)器人能依靠自身的智能控制系統(tǒng)，自動(dòng)感知外界環(huán)境信息，作出全覆蓋的路徑規(guī)劃，進(jìn)行自主導(dǎo)航，全程無(wú)需人工干預(yù)，極大地提高了除草效率，減少傳統(tǒng)人工作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

目前，針對(duì)除草機(jī)器人的智能定位導(dǎo)航方式有很多種，如慣性導(dǎo)航、磁導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、光反射導(dǎo)航、機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航等[2-3]。針對(duì)不同的除草環(huán)境，應(yīng)用的導(dǎo)航技術(shù)也不盡相同。例如慣性導(dǎo)航方式是最普遍使用的一種導(dǎo)航技術(shù)，它利用除草機(jī)器人自身所裝配的光電編碼器來(lái)測(cè)量除草作業(yè)移動(dòng)的距離及方向[4]。但該導(dǎo)航方式僅僅依靠當(dāng)前的位置方向來(lái)生成下一步的控制指令，會(huì)產(chǎn)生累積誤差，容易使除草機(jī)器人在原有的路徑規(guī)劃上產(chǎn)生軌跡偏差。衛(wèi)星導(dǎo)航則需要借助GPS、北斗等導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位，為增加定位精度，往往還需要通過(guò)地面基站進(jìn)行定位信息交互，無(wú)法及時(shí)獲取實(shí)時(shí)的定位坐標(biāo)，具有一定的延時(shí)誤差[5]。光反射導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要是利用激光或者紅外線技術(shù)進(jìn)行定位，通過(guò)激光構(gòu)成路標(biāo)，由除草機(jī)器人上的光電接收器檢測(cè)激光信號(hào)，確認(rèn)當(dāng)前位置，從而進(jìn)行導(dǎo)航控制。機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航方式是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)分析除草機(jī)器人前方畫(huà)面的圖像信息，從而判斷自身移動(dòng)的誤差和及時(shí)規(guī)劃后續(xù)的移動(dòng)路徑[6-7]。針對(duì)機(jī)器人移動(dòng)方式的路徑規(guī)劃，主要有隨機(jī)式、螺旋式及往返式[8]。其中，隨機(jī)式路徑規(guī)劃通過(guò)反復(fù)的隨機(jī)移動(dòng)把整個(gè)作業(yè)區(qū)域完全覆蓋。該方式控制簡(jiǎn)單且具有靈活的避障能力，但在實(shí)現(xiàn)區(qū)域完全覆蓋的情況下，路徑的重復(fù)率較高，對(duì)于除草機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用具有高耗時(shí)、高耗能的缺點(diǎn)。螺旋式路徑規(guī)劃分為外螺旋式和內(nèi)螺旋式，顧名思義是讓除草機(jī)器人按照“回”字形的軌跡從外逐漸往中心移動(dòng)，或者從中心逐漸往邊界移動(dòng)，該方式在移動(dòng)的過(guò)程中機(jī)器人需要頻繁地轉(zhuǎn)向，且規(guī)劃的總路徑較長(zhǎng)。往返式路徑規(guī)劃與犁田類似，如圖1所示，是指除草機(jī)器人從起點(diǎn)開(kāi)始按照某一具體方向沿直線移動(dòng)，通過(guò)往返式的移動(dòng)路徑，直到把整個(gè)作業(yè)區(qū)域完全覆蓋。

圖1 往返式路徑規(guī)劃圖

本文結(jié)合現(xiàn)有定位導(dǎo)航技術(shù)及全覆蓋路徑規(guī)劃方式，根據(jù)除草機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，采用機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航技術(shù)與往返式路徑規(guī)劃對(duì)除草機(jī)器人展開(kāi)研究，探討如何提高除草機(jī)器人的除草效率及移動(dòng)精度。

1 除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)

除草機(jī)器人主要應(yīng)用于較為平坦的草坪上進(jìn)行除草作業(yè)，但草坪上一般具有大小不一的凹坑及石子，容易對(duì)機(jī)器人的行進(jìn)路線產(chǎn)生影響，故所設(shè)計(jì)的除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)應(yīng)具有一定的柔性結(jié)構(gòu)，可對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行抑振，同時(shí)因?yàn)槌輽C(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中遇到障礙物需要調(diào)整車身前進(jìn)方向，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需要綜合考慮機(jī)器人的轉(zhuǎn)向裝置，圖2所示為除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

該除草機(jī)器人外形類似一般的移動(dòng)式機(jī)器人小車，同時(shí)為了便于進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，車輪采用麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，并采取四輪四驅(qū)的控制方式，通過(guò)控制各個(gè)麥克納姆輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以精準(zhǔn)調(diào)整除草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng)。在除草結(jié)構(gòu)上，設(shè)計(jì)一種蝶形的收攏板，稱為“蝴蝶攏草槽”。該結(jié)構(gòu)可收攏聚集機(jī)器人小車前方的雜草，然后由“攏草槽”內(nèi)部的剪切裝置對(duì)雜草進(jìn)行切割，達(dá)到除草的目的。

2 自主導(dǎo)航定位原理

在除草機(jī)器人機(jī)械本體上，建立基于機(jī)器視覺(jué)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其中機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由除草機(jī)器人上布置的高像素相機(jī)和內(nèi)部的圖像采集卡組成。該視覺(jué)系統(tǒng)可為除草機(jī)器人提供車頭前進(jìn)方向的圖像信息。機(jī)器人內(nèi)部控制系統(tǒng)通過(guò)解析該圖像信息可獲取自身的位置方向，從而判斷車頭前進(jìn)方向是否偏離原本的路徑規(guī)劃，然后計(jì)算出偏航的導(dǎo)航角與導(dǎo)航距，如圖3所示，并及時(shí)規(guī)劃后續(xù)的移動(dòng)路徑。

圖3 閉環(huán)控制復(fù)檢裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中：θ為導(dǎo)航角，表示除草機(jī)器人當(dāng)前路徑與原本規(guī)劃路徑之間的夾角；λ為導(dǎo)航距，表示除草機(jī)器人當(dāng)前位置與原本規(guī)劃路徑的間距。

因?yàn)槌輽C(jī)器人采用四輪四驅(qū)的麥克納姆輪結(jié)構(gòu)，所以在識(shí)別出當(dāng)前位置方向的偏差后，除草機(jī)器人的控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整各個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速改變車子的移動(dòng)方向，從而控制除草機(jī)器人的前進(jìn)方向，保證整個(gè)除草作業(yè)的路徑軌跡近似既有規(guī)劃的往返式路徑。

3 基于模糊控制的導(dǎo)航路徑規(guī)劃

因?yàn)閷?dǎo)航角θ與導(dǎo)航距λ是隨機(jī)誤差，其值取決于外界環(huán)境草坪的實(shí)際情況，所以希望在導(dǎo)航角與導(dǎo)航距偏大的時(shí)候，能夠及時(shí)調(diào)整除草機(jī)器人車輪的移動(dòng)方向，即當(dāng)導(dǎo)航角與導(dǎo)航距越大時(shí)，這個(gè)調(diào)整的物理量也越大。但是這種輸入量與輸出量在數(shù)值上沒(méi)有精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這種模糊的控制方式與汽車駕駛行為類似。駕駛員在開(kāi)車時(shí)總是不斷地對(duì)前方的道路情況進(jìn)行預(yù)判，然后通過(guò)調(diào)整方向盤(pán)對(duì)車輛行駛方向進(jìn)行控制。這種人腦的模糊控制思維沒(méi)有固定的數(shù)學(xué)模型，但是可以把外界不確定的影響因素推理出確定的輸出量，從而對(duì)設(shè)備加以控制?；谏鲜瞿：刂扑季S，針對(duì)除草機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，本文在控制系統(tǒng)中引入模糊控制算法，模擬類似人腦決策的系統(tǒng)控制方式[9]。通過(guò)模糊算法規(guī)則對(duì)導(dǎo)航角與導(dǎo)航距進(jìn)行分析，進(jìn)而調(diào)整各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)除草機(jī)器人的自主導(dǎo)航功能[10]，其模糊控制系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示。

圖4 模糊控制系統(tǒng)原理框圖

由圖4可知，模糊算法的輸入為偏航路徑的導(dǎo)航角與導(dǎo)航距，輸出為電機(jī)控制量。設(shè)導(dǎo)航角誤差的數(shù)值單位為°，其誤差范圍大致在[-20,20]，則其基本論域?yàn)閇-20,20]，取導(dǎo)航角誤差的量化因子為0.1，則導(dǎo)航角的模糊論域?yàn)閇-2,2]。然后，對(duì)該范圍進(jìn)行模糊化，將其劃分為5個(gè)等級(jí)，分別為{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，負(fù)數(shù)表示導(dǎo)航角在目標(biāo)路徑左側(cè)，正數(shù)表示在右側(cè)，符號(hào)表示為{NB，NS，ZO，PS，PB}。取常用的高斯隸屬函數(shù)gaussmf表示，則在模糊論域中導(dǎo)航角關(guān)于模糊子集的隸屬度如圖5所示。同理，設(shè)導(dǎo)航距誤差的數(shù)值單位為cm，其誤差范圍大致在[0,50]，則其基本論域?yàn)閇0,50]，取量化因子也為0.1，則導(dǎo)航距的模糊論域?yàn)閇0,5]，同樣將其模糊化劃分為5個(gè)等級(jí)，符號(hào)表示為{ZO，PS，PM，PB，PP}，以高斯隸屬函數(shù)gaussmf表示，則在模糊論域中導(dǎo)航距關(guān)于模糊子集的隸屬度如圖6所示。因?yàn)槟：惴ǖ妮敵鲋禐槌輽C(jī)器人車輪電機(jī)的控制量，所以將該輸出值作為一個(gè)相對(duì)比例系數(shù)，設(shè)其模糊論域?yàn)閇-1,1]，負(fù)數(shù)表示控制除草機(jī)器人車輪往右向調(diào)整，正數(shù)表示往左向調(diào)整，同樣將其模糊化劃分為7個(gè)等級(jí)，符號(hào)表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，取高斯隸屬函數(shù)gaussmf與三角形隸屬函數(shù)trimf表示，則在模糊論域中電機(jī)控制量關(guān)于模糊子集的隸屬度如圖7所示。

圖5 導(dǎo)航角在模糊子集上的隸屬函數(shù)圖

圖6 導(dǎo)航距在模糊子集上的隸屬函數(shù)圖

圖7 電機(jī)控制量在模糊子集上的隸屬函數(shù)圖

在該模糊控制系統(tǒng)中，輸入的導(dǎo)航角與導(dǎo)航距和輸出的電機(jī)控制量在模糊子集上的隸屬度由隸屬函數(shù)圖決定。除草機(jī)器人識(shí)別出路徑偏差后，將導(dǎo)航角與導(dǎo)航距模糊化后，通過(guò)模糊算法的模糊控制規(guī)則推理出確定的電機(jī)控制量。通過(guò)上文對(duì)除草機(jī)器人移動(dòng)路徑的功能分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)不同的導(dǎo)航角與導(dǎo)航距，建立電機(jī)控制量的模糊控制規(guī)則表，如表1所示。

表1 電機(jī)控制量模糊控制規(guī)則表

在MATLAB軟件的fuzzy工具箱中，選用Mamdani模糊推理算法和質(zhì)心法(centroid)解模糊，將導(dǎo)航角、導(dǎo)航距、電機(jī)控制量的隸屬函數(shù)及表1中的模糊控制規(guī)則表代入并進(jìn)行模糊推理，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 MATLAB軟件fuzzy工具箱電機(jī)控制量解模糊圖

在圖8中，輸入當(dāng)前除草機(jī)器人的導(dǎo)航角與導(dǎo)航距，通過(guò)模糊算法即可計(jì)算出電機(jī)控制量。設(shè)機(jī)器人小車以勻速移動(dòng)，則電機(jī)控制量經(jīng)過(guò)系數(shù)放大后，其物理意義表示為除草機(jī)器人移動(dòng)速度的方向，對(duì)該移動(dòng)速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖9所示。

圖9 除草機(jī)器人4車輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析圖

圖9中，為分析除草機(jī)器人的移動(dòng)速度與各車輪轉(zhuǎn)速的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，分別在小車底盤(pán)中心和各車輪軸中心建立直角坐標(biāo)系。其中，va、vb、vc、vd分別為4個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)速；va輥、vb輥、vc輥、vd輥分別為4個(gè)麥克納姆輪上輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)速；α為除草機(jī)器人移動(dòng)速度的方向與x軸的夾角；β為麥克納姆輪上輥?zhàn)拥霓D(zhuǎn)軸與車輪轉(zhuǎn)軸的夾角。

在圖9中，以計(jì)算輪a轉(zhuǎn)速為例，由圖可得

va輥=vcos(α-β)

(1)

va輥=vasinβ

(2)

所以，由以上兩式可得

vcos(α-β)=vasinβ

(3)

整理可求出va為

(4)

一般麥克納姆輪上輥?zhàn)拥陌惭b角度是確定的，取常用角度β=45°，則

va=v(sinα+cosα)

(5)

同理，可求出vb、vc、vd的轉(zhuǎn)速，即通過(guò)電機(jī)控制量可確定除草機(jī)器人移動(dòng)的速度方向，然后通過(guò)式(5)等計(jì)算出小車各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，再由控制器控制各個(gè)車輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，即可達(dá)到調(diào)整除草機(jī)器人移動(dòng)方向的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種具有柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)的移動(dòng)式除草機(jī)器人小車，通過(guò)采用四輪四驅(qū)的麥克納姆輪車輪，實(shí)現(xiàn)除草機(jī)器人在除草作業(yè)中的靈活移動(dòng)。同時(shí)針對(duì)除草機(jī)器人移動(dòng)的實(shí)際誤差，以提高除草機(jī)器人的除草效率及路徑精度和降低能耗為目標(biāo)，對(duì)除草機(jī)器人的控制系統(tǒng)展開(kāi)研究，通過(guò)引入導(dǎo)航角、導(dǎo)航距概念，在機(jī)器視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立了基于模糊控制算法的自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：除草機(jī)器人通過(guò)模糊控制算法的智能調(diào)整后，可以適應(yīng)較為復(fù)雜的外界環(huán)境變化，通過(guò)實(shí)時(shí)微調(diào)車輪轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有路徑的自主導(dǎo)航與動(dòng)態(tài)調(diào)整。同時(shí)，本文的研究方法也可為其他自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)機(jī)器人及路徑規(guī)劃方式提供技術(shù)借鑒。