（农业机械化工程专业论文）喷雾机器人无线远程监控系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 喷雾机器人代替人工实现田间喷雾作业具有改善劳动者工作环境，避免操作 者中毒、提高工作效率等优点，然而由于喷雾机器人田间作业环境的复杂性，在 现有技术条件下，喷雾机器人还不能自主完成所有任务，因此需要与人类智能相 结合。 本文结合喷雾机器人作业环境的特点，建立了喷雾机器人无线远程监控的实 验系统。该系统采用监督控制方式，选用u d p 协议作为远程控制系统的数据传输 协议，采用基于客户端) j l t 务器构架的软件设计方法，开发出喷雾机器人的远程 监控的软件平台。该软件平台通过状态反馈和视觉反馈来帮助客户端的操作者了 解机器人的工作情况。为了实现状态反馈，文中研究了传感器信息采集的方法， 完成各传感器精度标定，分析了影响传感器测量精度的因素，并实现了数据的无 线传输；为了实现视觉反馈，文中研究了视频的“采集一压缩一发送一接收一解码一 播放”等过程的关键技术，用实验对比了当前较流行的两种压缩编码技术，选择 适合本系统的m j p e g 压缩编码方式。另外以方便操作者使用为原则设计了远程控 制的命令。软件平台最终实现了通过无线网络实时传输各类数据和控制命令，客 户端再现了机器人的工作环境和状态。 文章最后对喷雾机器人远程监控系统中存在的主要问题进行了探讨，用实验 测出无线远程控制系统中网络利用率、数据包的准确分布以及延迟的长短等主要 指标，分折了数据包分布及延迟的影响因素。在此基础上进行了喷雾机器人运动 轨迹测试，实验结果表明：整个远程控制系统在满负荷工作时，网络工作状态正 常，为了保证系统良好的操控性，机器人所处区域信号强度必须大于3 0 ，操作 者根据反馈信息判断机器人是否偏离预定路径，并在偏离时给予有效的纠正，为 解决喷雾机器人重喷、漏喷的问题提供了一种方法。 关键词：喷雾机器人，无线局域网，远程监控，客户端服务器，数据传输，性 能测试 江苏大学硕士学位论文 i n s t e a do fh u m a ni m p l e m e n ts p r a yi nt h ef i e l d , s p r a y i n gr o b o th a ss e v e r a l b e n e f i t s ，s u c ha si m p r o v i n gt h ew o r k e r so p e r a t i o n a le n v i r o n m e n t , a v o i d i n gt h er i s k o fp o i s o n i n ga n de l e v a t i n gt h ew o r ke f f i c i e n c y t h et a s ke n v i r o n m e n to fs p r a y i n g r o b o ti ss oc o m p l e xt h a ts p r a y i n gr o b o t 啪tf i n i s ha l l i t sw o r kb yi t s e l fi ne x i s t e n c e t e c h n i c a lc o n d i t i o n s ow es h o u l di n t e g r a t ei tw i t hh u m a n a p t i t u d e t h i sp a p e rc o m b i n e dt h es p e c i a l t yo fs p r a y i n gr o b o t st a s ke n v i r o n m e n t , b u i l tt h e s p r a y i n gr o b o t sw i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o le x p e r i m e n t a ls y s t e m t h i s s y s t e ma d o p t e ds u p e r v i s o r yc o n t r o lm o d e ，s e l e c t e dt h eu d pp r o t o c o lf o r d a t a t r a n s m i s s i o n , d e s i g n e dt h es o f t w a r ep l a t f o r mo fs p r a y i n gr o b o t sr e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc u s t o m e r s e r v e r st r u s s t h i sp l a t f o r mc a nh e l pt h e m a n i p u l a t o rt os e et h er o b o t sw o r k i n gc o n d i t i o n 砒t h er e m o t ea r e ab yt h et e c h n o l o g y o fs t a t ef e e d b a c ka n dv i s u a lf e e d b a c k f o ra c c o m p l i s h i n gt h es t a t ef e e d b a c k , t h i s p a p e rs t u d i e dt h em e t h o do fs e n s o r s i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o n , c o m p l e t e ds e n s o r s p r e c i s i o nd e m a r c a t e ，a n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so fm e a s u r ep r e c i s i o n , a c h i e v e d t h ed a t a st r a n s m i s s i o nw i r e l e s s l y f o ra c c o m p l i s h i n gt h ev i s u a lf e e d b a c k , t h i sp a p e r s t u d i e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fv i d e o s c o l l e c t - c o m p r e s s - s e n d - r e c e i v e - d e c o m p r e s s - s h o w , t h ea u t h o rc o m p a r e do ft h ep o p u l a rc o m p r e s s e de n c o d i n gt e c h n o l o g ya t p r e s e n tb ye x p e r i m e n t ，s e l e c t e dt h em p e gc o m p r e s s e de n c o d i n gm o d et of i tt h i s r e m o t ec o n t r o ls y s t e m i na d d i t i o nt h ea u t h o rd e s i g n e dt h er e m o t ec o n t r o lc o m m a n d b a s eo nt h ep r i n c i p l eo fe a s yo p e r a t i o n f i n a l l y , t h i sp l a t f o r mi m p l e m e n t sh o w r e a l - t i m et r a n s m i t t e da l lk i n d so fd a t aa n dc o n t r o lc o m m a n d sv i aw i r e l e s st a n ，t h e w o r k i n gc i r c u m s t a n c ea n ds t a t eo fr o b o tw e r er e c u r r e db yt h ec l i e n t t h i sp a p e rd i s c u s s e dt h em a i nq u e s t i o n sa b o u tt h es p r a y i n gr o b o t sr e m o t e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m ，w em e a s u r e dt h em a i np a r a m e t e r sb ye x p e r i m e n t s , s u c ha sn e t w o r ka v a i l a b i l i t y , t h ea c c u r a c yd i s t r i b u t i n go fd a t ap a c k a g ea n d d e l a y a n a l y z e dt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fd i s t r i b u t i n go fd a t ap a c k a g ea n dd e l a y , t h e nt h e r o b o t st r a i lp e r f o r m a n c ew e r et e s t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h en e t w o r k so p e r a t e 江苏大学硕士擘位论文 w e l la tf u l lc a p a c i t y ；t h es i g n a ls t r e n g t hm u s tb e y o n d3 0 t om a i n t a i ng o o dc o n t r o l e f f e c t s t h em a n i p u l a t o rc a n j u d g ew h e t h e rt h er o b o td e v i a t e dd e s t i n e dl i n eb yb a c k f e e di n f o r m a t i o n , a n dt h e no f f e r e de f f e c t i v er e c t i f i c a t i o n s t h ea r t i c l ep r o v i d e da m e t h o do fr e d u c i n go v e r l a po rs k i p so fs p r a y i n gr o b o t k e yw o r d s ：s p r a y i n gr o b o t , r e m o t em o n i t o r i n g a n dc o n t r o l ，w t r e l e s sl a n ， c l i e n t s e r v e rd a t at r a n s m i s s i o n , p e r f o r m a n c et e s t ； 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 学位论文作者签名：泳i 瞧 2 口0 7 年易月工口口 指导教师签名：多1 f 痧苫0 c 叼年占月2 d 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：岳愚 日期：知彳年月w 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的背景和意义 2 0 世纪9 0 年代初以来，随着计算机技术和信息采集与处理技术的发展，“精 确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界 认为是2 l 世纪实现农业可持续发展的先导性技术之一。具有相当智能的农业机 器人是精确农业体系中有效装备，它的不断研制、开发并实用化，一方面是为了 解决劳动力不足的问题，同时使人从单调或者危险之类的劳动中解脱出来，促进 了新的农作业体系以及农业生产系统的建立和发展，成为探索在农业机械装备中 应用智能控制等高新技术研究的重要方向“。 就我国植保机械来说，落后的植保机械和农药使用技术已严重妨碍了病虫草 害的防治，带来了诸如农药有效利用率降低、环境污染、作物药害、操作者中毒 等负面影响，造成了不应有的损失和其他不良后果。农业部于2 0 0 2 年就我国的 植保机械和施药技术现状，在全国范围内组织了一次调查，结果表明，目前的国 产植保机械有2 0 多个品种、8 0 多个型号，其中8 0 左右处于发达国家2 0 世纪 5 0 6 0 年代的水平，尤其是年产量高达8 0 0 1 0 0 0 万台的各种手动喷雾器严重 地存在“跑、冒、漏、滴”等现象”1 ，所以以喷雾机器人代替人工实现田间喷雾 作业意义重大。但由于农田作业环境复杂性，给机器人的自动作业带来了困难， 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 农业机器人田间作业区域较大，随机存在障碍物、沟壑等，难以人为 设置导航标记辅助机器人导航； ( 2 ) 农业机器人作业时通常必须在高低不平松软土地上、杂草上或者坡地 上运动，易产生机器人姿态的变动、打滑以及下沉等问题，以至于难 以确定机器人本身的位置旧； ( 3 ) 农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行走不是连接出 发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离及遍及整 个田间表面等特点； ( 4 ) 由于农作物随着时间和空间而变化，工作环境是变化的、未知的，是 江苏大学硕士学位论文 开放性的。作物生长环境除受地形条件的约束外，还直接受季节、天 气等自然条件的影响； ( 5 ) 作业对象具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。且其形 状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大“1 。 ( 6 ) 农业机器人的感知、执行、信息处理各部件必须适应环境照明、阳光、 树叶遮挡、脏、热、潮湿、振动的影响，保持高可靠性地工作脚。 到目前为止，工作在复杂或者非结构化环境中的农业机器人智能程度和柔性 生产的能力还没有达到农业生产的要求，这是因为：一方面，几项支撑技术( 机 构、传感器、环境认知、优化决策、进化学习等) 目前还不能达到实现全机器人 自主所需的要求；另一方面，研制的周期长、成本高使得无法在短期内将机器人 用于生产实践。因此针对未知或者复杂的工作环境，工作在入机交互方式的远程 控制机器人是解决这一问题的有效且快捷的手段之一，具有一定的经济性和实用 性。 随着无线射频技术的发展，无线数据传输协议的规范，无线局域网钾l a n ， w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 逐渐深入到各行各业；无线局域网与有线局域 网相比，具有容易部署、接入和组网灵活等优势。它使人们摆脱了有线线缆的束 缚，可以在任何地方、任何时间访问网络资源或实现无线网络设备之间的互联”1 。 本课题将喷雾机器人的自动控制与无线远程控制相结合，技术人员和操作者可以 通过远程控制系统，不受时间和地点的限制，能随时观测机器人的工作现场信息， 以及生产过程中主要参数及其变化趋势：在机器人偏离预定路线时，操作者可以 人工干预其自主运动，使其回到规划的路线上，以解决喷雾机器人存在的重喷、 漏喷问题，提高农药的使用效率，同时可以在很大程度上解放劳动力，改善劳动 者的作业环境，提高作业效率，实现高效农业。另外。操作者可以通过及时反馈 的信息分析和改进机器人自动控制的算法，从而推动机器人自动控制技术的发 展。 1 2 远程监控技术的研究现状及发展趋势 基于网络的机器人的思想是f h k e ng o l d b e r g 于1 9 9 4 年首先提出，具有以下一 些特点：一是涵盖现代网络技术和机器人控制技术两方面的内容，并且将两者 2 江苏大学硕士学位论文 有机地结合起来；二是建立在i n t e r n e t 的基础上，相应地具有i n t e r n e t 特有的一 些功能，拥有良好的入机界面，可以实现人机交互功能；三是以h t t p 作为控制系 统的标准通信协议，其系统控制软件具有良好的可移植性和互用性，可以使用一 个服务器供不特定的多个用户在网络上任意使用。四是由于网络的存在，网络机 器人技术使得机器人系统中必需的多数控制软件可以分散配置，机器人的软件开 发也可以分散进行，更容易实现。 1 2 ，1 国内研究现状 我国在远程监控技术上发展较为迅速，近几年，我国8 6 3 高科技发展计划和 国家自然基金会重点资助了与网控机器人方面有关的项目，并且已取得了相关的 研究成果。我国如中科院沈阳自动化研究所机器人实验室、哈尔滨工业大学等科 学院所都已开展了基于i n t e r n e t 的远程控制机器人系统的研究。例如哈尔滨工业 大学2 0 0 0 年完成了一项通过网络遥控指挥机器人工作的国家8 6 3 计划项目，并且 现在正在开展一项国家8 6 3 研究项目“基于i n t e r n e t 的多机器人操作系统”的课 题嘲。王全玉等建立了基于拨号网络或i n t e r n e t 的水下机器入遥控操作系统，并 通过远程仿真机器人的办法弥补了网络带宽对视频图像效果的影响“”。洪炳熔等 针对移动机器人的特点，研究了一种基于遥控操作的直接控制与基于行为的自主 控制相结合的网络机器人控制方式。并通过实验证明用户能在自然、便捷的方式 下进行人机交互，完成远程监控任务“”。 远程监控技术在农业方面也得到了广泛的应用，章回结合了临沂市某灌溉自 动化控制工程，设计了农田节水喷灌自动控制系统，该系统采用分布式控制方式， 并支持基于c s 和b s 技术的远程监控“”。孙忠富等针对农业对象具有的多样性、 多变性、以及偏僻分散等特点，提出了一种基于g p r s 和w e b 技术的远程数据采集 和信息发布系统方案。首先，通过r s 一4 8 5 总线与数字传感器连接，并与具有嵌入 式系统和t c p i p 协议的现场髓控模块构成监控系统，其次，通过g p r s 建立现场监 控系统与互联网的连接，将实时采集信息发送到w e b 数据服务器。系统软件核心 技术是由m s 、，b n e t 和a s p n e t 开发而成，构建了基于b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 的 服务模式，只要通过浏览器不仅可实时浏览监测数据，而且能进行历史数据的查 询。通过实验证明该设计方案非常适合分数远距离条件下农业环境信息的获取、 传输与应用 z 3 1o 周国祥等开发了一种基于g p s 农田精确定位和g s m 无线技术的产量 3 江苏大学硕士学位论文 远程监测系统，该系统利用g s m 短消息进行数据远程传输，实现了作物收获过程 中的产量在线测量，并通过无线短消息方式将现场端与监控中心进行通信。实践 证明，该系统性能可靠，使用方便，有助于其它领域远程信息采集与监控“”。 1 2 2 国外研究现状 国外在远程控制领域的研究也非常活跃，继1 9 9 7 年美国国家航天局( n a s a ) 的火星旅居者( m a r ss o j o u r n e r ) 遥控机器人成功地应用于火星计划之后“”，2 0 0 2 年欧洲空间研究所( e s a ) 研制了基于远程控制技术的火星探测机器人( m i 叻， m o b i l ei n s t r u m e n td e p l o y m e n td e v i c e ) ，并通过实验研究了信号延迟、干扰、 噪声以及数据传输速率极限等问题“”。s o b h 等开发了一个通过i n t e r n e t 的机器人 无线远程监控系统，该系统通过机器人上安装的多个摄像头来获取周围环境信 息，并开发了可视的远程操作界面，使用者只要利用可视的网络界面给出机器人 最终的目标位置，机器人就可以绕过障碍到达目标点“”。与此类似的还有 c a r n e i g i em e l l o n 大学研发的基于w e b 的办公室自主移动机器人x a v i e r 嘲、基于 网络进行远程控制的博物馆导游机器人m i n e r v a “”等 在农业方面，美国早在5 0 年前就开始将远程监控技术应用到农业上，现已 建成世界最大的农业计算机网络应用系统，用户可以通过电话、电视或计算机等 终端设备，共享网络中的信息资源。该系统大力推广3 s 技术( 即地理信息系统 g i s 、全球定位系统g p s 和遥感技术p s ) 以及计算机自动控制系统的综合应用在 农情监测与产量估算等方面居领先地位。欧盟建立了覆盖全欧洲的农作物估产体 系，建立了用于农业环境、生态监测的网络，向数字化、集成化与智能化方向发 展“。 日本生物特定产业技术研究推进机构的机电技术研究室在1 9 9 3 1 9 9 7 年5 年问计划开发的耕作机器人就带有远程操纵的车辆停止装置；北海道国家旱作农 业研究所建立了利用无线局域网覆盖其实验区域的信息系统，在半径1 5 公里范 围内的农民或研究者利用该系统将田间试验数据、温室环境数据直接上传给研究 所，同时下在各种需要的数据和信息，例如遥感地图、气象资料等。不论是田问 设施( 试验室、温室大棚等) ，还是移动设旌( 收割机、笔记本计算机等) 均可 自由接入，大大方便了信息的利用和服务，克服了有线局域网的局限。”。 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 3 远程监控技术的发展趋势 目前远程监控技术的主流是应用i n t e r n e t 技术，在t c e i e l 办议和硼w 规范的 支持下，合理组织软件结构，使工作人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权 限下的所有信息并及时做出响应。随着网络技术的发展不断的完善，能够让远程 控制的机器人完成更复杂的任务，使用者将不断对远程监控的简便性、准确性、 实时性、可靠性以及扩大通信的距离提出了更高的要求。 ( 1 ) 基于各种通讯技术( 蓝牙、i n t e r n e t 、g s m 、3 g 等) 的远程监控手段 将层出不穷，数据传输方式朝复合式、多样性发展蚴。随着今后远程 监控距离的不断扩大以及监控系统复杂度的不断增加，单一的数据传 输方式往往不能胜任要求；在一个远程监控系统中采取多种数据传输 方式相互配合使用可以降低系统的实现难度，有利于整个系统的模块 化处理。 ( 2 ) 嵌入式系统( e c s ) 的发展的成熟会使这项新技术必将用于远程监控 系统上，嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善服务器性 能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备都可以独 立进行服务，使整个系统的实时性和监控性能提高，从而大大提高监 控的质量和范围。1 。 1 3 本文的研究内容 本文主要的工作是建立基于无线路由方式的远程实时监控系统。利用的设备 有上海广茂达伙伴机器人有限公司生产的a s r f 履带式机器人和美国r a v e n 公司 生产的s c s 4 5 0 变量喷雾控制系统来研制的变量喷雾装备组成喷雾机器人，使用 l i n k s y s 公司生产的w r t 5 4 6 型号的路由器和w j s b 5 4 g 型号的无线网卡组建无线 网络。喷雾机器人远程控制系统的整套软件系统建立在w i n d o w sx p 上，采用c s ( 客户服务器) 体系结构，以v c + + 6 0 为工具进行开发，客户端和服务器端进 行通信是通过s o c k e t 编程予以实现。 由于实验条件和时间限制，本课题着重从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 喷雾机器人远程监控系统整体方案的设计，在这一部分探讨了喷雾机 器人远程监控系统建立的方法，确立了系统的控制方式的基本原理和 5 江苏大学硕士学位论文 主要性能指标； ( 2 ) 喷雾机器人传感器数据的采集与实时传输的研究。a s r f 机器人配备 的传感器及其检测的信息如图1 1 所示： f ? 一槭一勤 i 传感器信息 f p i t c h mr o l l = p r e s u l t 一) f r o l l mt e m p = p r e s u l t 一) f t e m p e r a t u r e 获取航向、嗣滚、倾斜、温度测量值 0 ml a t = p r e s u l t 一 f l a t i t u d e ml o n g = p r e s u l t 一) f l o n g i t u d e 获取经度、纬度的测晕值 0 p v a l u e 一 i c o u n t e r w h e e ll e f t p y a l u e ) i c o u n t e r 也e l r i g h t 获取一个采样周期内左右编码器差值 图3 1 数据采集程序流程图 3 1 ，1 障碍检测传感器 a s r f 机器人配有五个超声波传感器和四个红外测距( p s d ，p o s i t i o n s e n s i t i v ed e t e c t o r ) 传感器，文中将两者配合适用，主要用于探测农田中随机 存在的一些障碍物，如树桩、电线杆以及一些突发性障碍等，并可以检测出与障 碍物的距离，多路超声波传感器和红外传感器配合使用时可以判断机器人与障碍 1 8 江苏大学硕士学位论文 物的大致相对位置。 为了获得较大的探测视野和减小探测盲区，超声波传感器的安装为每个间隔 3 0 。，其中每个传感器的探测方向角为3 0 。，测量范围为4 1 c m 7 m 。超声波传 感器的测距工作原理：声纳激发出一束很窄的超声波在空气中传播，当遇到障碍 物时，超声被返回。根据超声波的传递时间就能准确的计算出障碍物的相对的距 离。超声波测距常用的是渡越时间法，其计算公式为：d = c a t 2 ( 其中超声 波波速c = 3 3 1 4x 1 + ，2 7 3 ，t 为环境摄氏温度) 。多个超声波传感器同 时工作时。将会相互产生一定的干扰，即产生“混叠效应”油1 。所以在超声波 传感器工作时，必须要进行分组，一般将l ，3 ，5 分为一组，2 、4 分为一组。 我们使用超声波对不同距离的平面障碍物进行测量，试验中为了避免入射角 引起的误差，超声波都是垂直射向平面障碍物，实验测量范围从5 0 7 0 0 c m ，每 隔5 0 c m 作一次测量，正反行程重复三次测量取算术平均值，测量结果和实际距 离如表3 2 所示： 表3 2 超声传感器测量结果( 单位：c m ) 实际距离5 01 0 01 5 0 2 0 0 2 5 03 0 03 5 0 测量距离5 0 3 6 7 21 0 0 1 8 1 21 4 9 2 3 5 32 0 1 6 4 2 72 5 1 9 1 2 72 9 7 8 3 6 23 5 2 0 1 2 5 测量误差 0 3 6 7 2 0 1 8 1 2- 0 7 6 4 71 6 7 4 21 9 1 2 7- 2 1 6 3 82 0 1 2 5 实际距离 4 0 0 4 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 0 0 铡量距离4 0 2 7 4 1 84 5 3 8 9 7 l5 0 4 1 9 1 75 5 5 3 2 6 06 0 7 5 7 8 16 5 8 3 6 5 47 0 8 4 2 1 6 测量误差 2 7 4 1 8 3 8 9 7 14 1 9 1 75 3 2 6 07 5 7 8 l8 3 6 5 48 4 2 1 6 对这些测量数据进行拟合时，大量的观测数据往往依据被观测量的相对误差 进行评价，即被观测量愈大，允许其观测误差也愈大。由于超声波传感器的测量 范围比较大，所以在距离较大时应该允许误差大一些，由表3 2 可知，在5 m 的范围内，其相对误差不到1 ，而在5 7 m 的范围内，其相对误差要达到1 2 ，这样是与实际的测量情况相符合的，因此，以“相对拟合误差的平方和最小 为条件”的最小二乘法应用于超声波传感器标定更为合适。 由于超声波传感器的测量值和实际值之间成一定的线性关系，所以设标定后 的拟合方程为： j，=甜+b(3-1) 江苏大学硕士学位论文 基于相对误差的最小二乘法： ( 3 - 2 ) 方程组中，j ，为测量值，为实际值，将测量值和实际值代入方程组中， 解出a 和b ，可得拟合曲线方程为： y = o 9 9 2 3 x + 0 2 8 5 0 ( 3 3 ) 利用超声波测距可以获得较高精度的距离信息，但仍具有一定的局限性： ( 1 ) 方向性较差，不利于目标位置的识别； ( 2 ) 测量距离不能太小，是由于静电超声传感器在近距离测量时特别容易 受到干扰，为了消除噪声的影响，只需在等待超声波回波的时间内将 接收回路打开，其它时间关闭： ( 3 ) 超声波受环境因素影响较大，易产生折射和多次反射等现象，影响测 量精度1 ； ( 4 ) 在机器人上使用时，会产生“移动效应”的问题：超声波是基于时间 渡越法进行测量的，这样做的前提是假设当传感器发射和接收声波时 是处于同一位胃，然而当机器人快速移动时，这个假设就不成立，从 而产生测量误差“”。 p s d 具有方向性好、响应速度快、位置分辨率高的特点，a s r f 在每两组超 声波传感器之间安置一个红外接近传感器，探测范围为l o c m 8 0 c m 。这种方法 一定程度上克服了超声波探测中存在“盲区”和由于物体表面特性、形状导致的 多次反射问题。 p s d 传感器是一种对入射光位置敏感的光电器件。即当入射光照在器件感光 面的不同位置时，p s d 将输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可 确定入射光点在p s d 器件感光面上的位置“。应用p s d 进行距离的测量是利用 了光学三角测距的原理。 如图3 。2 所示，光源发出的光经透镜l i 聚焦后投向待测体的表面。反射光 由透镜l 2 聚焦到一维p s d 上，形成一个光点。若透镜l 。与l ：间的中心距离为b ， ，一以一以 。y爿。【，厶 | i = 土z 生矿 。厶“。f厶h 占 6 + + 生一生力 。y智。【，厶 a 8 江苏大擘硕士学位论文 透镜l ：到p s d 表面之间的距离( 即透镜l ：的焦距) 为f ，聚焦在p s d 表面的光点距 离透镜l 2 中心的距离为x ，则根据相似三角形的性质，可得出待测距离d 为： 口= b f x ( 3 - 4 ) 因此，只要测出p s d 的光点位置坐标x 的值，即可测出待灏体的距离。 p 。_ 、 l l !n 诠迅 。 誊 图3 2p s i ) 测量原理 p s d 传感器的标定同样采用对不同距离平面障碍物测量的方法，实验测量范 围从l o 8 0 c m ，每隔l o c m 作一次测量，正反行程重复三次测量取平均值，测量 结果和实际距离如表所示，表3 3 中可以看出，p s d 传感器的测量相对误差约为 1 。 表3 3p s d 传感器测量结果( 单位：c m ) 实际距离 1 02 03 04 05 06 07 08 0 测鼍距离 lo 1 7 6 32 0 3 3 7 13 0 3 1 7 03 9 8 6 9 24 9 7 8 3 16 0 2 7 6 57 0 4 2 2 67 9 4 6 2 7 测量误差 0 1 7 6 30 3 3 7 10 3 1 7 0一0 1 删- 0 2 1 6 90 1 7 6 50 4 2 2 60 5 3 7 3 p s d 传感器测量值和实际值之间成一定的线性关系，对这些数据的拟合采用 和超声波传感器数据拟合同样的方法，拟合曲线方程为： y = 1 0 0 3 0 x 一0 2 4 1 4 ( 3 - 5 ) 另外，这两种测距传感器性能其他方面也可以互补，例如有些不反射红外线 光的物体( 如黑色物体) 却能很好地反射超声波；反之，很多超声波无法检测到 的物体( 像纤细的植物) 很容易被红外测距传感器检测到。 江苏大学硕士学位论文 3 1 2 定位传感器 喷雾机器人在田间作业过程中，客户端的操作者需要及时了解机器人的航 向、位置等信息，文中使用l p 3 3 0 0 三维数字罗盘和g p s 系统来获取这些信息。 l p 3 3 0 0 是三维固态电子罗盘，用以检测机器人行走时的航向，倾斜度以及 翻滚，可以准确的判定出机器入当前所处地形是否为坡地、沟壑等。l p 3 3 0 0 采 用三轴固态磁阻传感器测量地磁场，倾斜补偿输出罗盘与真北的夹角，在大倾斜 度的情况下，能保证方向测量的精度。罗盘内部完成对地球磁场信号的采集和放 大，数据帧通过r s 一2 3 2 方式输出，输出速度最高为2 5 次秒，磁场铡量范围0 1 g a u s s 1g a u s s 。 对数字罗盘进行标定时应尽量远离电、磁干扰，并先使用机器人内部提供的 罗盘校准程序对数字罗盘迸行硬磁校验，这是因为数字罗盘所在的环境有一个干 涉磁场，对于野外作业的喷雾机器人，干涉磁场主要由罗盘的外体或机器人机构 产生，它是一个恒定和静态的磁场，固定作用在磁敏元件上并与地球磁场矢量叠 加，当机器人旋转时这个磁场对磁敏元件的影响不会改变，硬磁校验就是要消除 这个固定磁场的影响，否则会导致严重的测量误差。试验时将数字罗盘固定于机 器人的内部，与机器人的中心线重合，并指向机器人的正前方，航向每3 0 。进 行数据记录，倾斜和翻滚每1 0 。进行数据记录，正反行程重复3 次测量取平均 值，结果如表3 4 ： 表3 4数字罗盘测量结果( 单位：。) 实际值 03 06 0 9 0 1 2 01 5 0 测量值 0 7 43 仉1 6 0 1 49 0 2 6 1 2 0 1 2 1 4 9 9 4 航向 实际值 1 8 02 1 02 4 0 2 7 03 0 03 3 0 测量值 1 8 0 2 22 1 2 0 6 2 4 02 7 0 5 23 0 0 2 93 3 0 3 6 实际值- 3 02 0- 1 0o1 02 03 0 倾斜 测量值一3 1 5 22 0 7 ll o 8o 5 69 ，7 22 1 22 9 7 3 实际值 - 3 02 01 0o1 02 03 0 翻滚 测鼍值一3 0 9 7- 1 9 0 39 1 20 3 71 0 41 9 8 63 1 3 3 注：l p 3 3 0 0 具有温度测量功能，文中末对温度进行标定。 从上述测量结果可以看出，航向的测量误差约为2 。，倾斜和翻滚的测量 江苏大学硕士学位论文 误差约为1 5 。对这些观测数据进行拟合时，由于观测数据具有大体相同的 绝对误差，所以采用高斯最小二乘法1 ： r自4 i a - + n 6 = 以 j “11(3-6) l a 4 - 6 乃= ( 石，只) 方程组中，一为测量值，只为实际值，将测量值和实际值代入方程组中， 解出a 和b 。可以求得： 航向的拟合曲线方程为： y ：o 9 9 8 4 x 一0 0 9 1 6 ( 3 7 ) 倾斜的拟合曲线方程为： y = o 9 7 1 i x + o 2 5 2 5 ( 3 - 8 ) 翻滚的拟合曲线方程为： y = o 9 8 4 0 x 一0 2 9 5 2 ( 3 9 ) 本文中g p s 系统不作精确的位置测量，只提供位置参考信息( 喷雾机器人所 处地块的大致位置) ，精度要求不高，采用r i k a l i n e x 5 型g p s 接收机，定位精 度约为5 2 5 m 。 3 1 3 光电编码器 光电编码器无需标定，程序中编码器的测量值不能直接给出速度信息或者位 移信息，而是一个采样周期内编码器的差值，通过这个差值可以得出编码器的累 计值，再计算出机器人的运动速度或位移。 当机器入主动轮旋转一圈时，编码器的变化值是6 6 0 0 0 ，则： 电机转速( r p m ) ： 打： 竺= 丝旦生 ( 3 1 0 ) 打2 丽丽蔽了五而而 3 1 u 履带运动速度( m s ) ： r ： 竺= 丝竺丝 石斤( 3 1 1 ) 江苏大学硕士学位论文 履带位移( m ) ： s = 竺6 2 6 0 堕0 0 。万厅 ( 3 1 2 ) 上述各计算式中： m _ d c o d e 一一个采样周期内编码器的差值 m _ c o d e 一编码器累计值 t 一采样周期，t = 5 0 m s r 一主动轮直径，r = o 1 9 2 m 综上所述：利用超声传感器配合p s d 传感器可以满足喷雾机器人测量障碍物 的需要，三维数字罗盘可以检测出机器人当前航向和所处地形，g p s 可以测量机 器人所处位置，光电编码器可以检测出机器人当煎的运动状态。且测量精度可以 满足喷雾机器人远程监控系统的测量要求。 3 2 数据传输系统的设计 3 2 1 服务器与客户端连接的具体实现 服务器与客户端的连接是通过s o c k e t 编程予以实现的。s o c k e t 是网络通信 的基本构件，它在计算机中提供了一个通信端口( 套接口) 。通过这个端口，一 台计算机可以与任何一台具有s o c k e t 接口的计算机通信。通信的基础是套接 口，一个套接口是通信的一端，在这一端上可以找到与其对应的一个名字。一个 正在被使用的套接口都有它的类型和与其相关的进程，套接口存在于通信域中。 一个套接口通常和同一个域中的套接口交换数据( 数据交换也可能穿越域的界 限，但这时一定要执行某种解释程序) 。应用程序在网络上传输、接收的信息都 通过这个套接口来实现。在应用开发中就像使用文件旬柄一样，可以对s o c k e t 句柄进行读写操作。s o c k e t 由以下三个部分组成： ( 1 ) s o c k e t 的i p 地址：用于确定通讯目的的计算机； ( 2 ) s o c k e t 的通信端口：用于确定目的计算机应用程序的进程： ( 3 ) s o c k e t 的类型：t c p i p 的s o c k e t 提供了三种类型的套接字，流式套 接字( s o c k _ s t r e a m ) 、数据报套接字( s o c k _ d g r a m ) 、原始套接字 ( s 0 ( xr a w ) 。 江苏大学硕士学位论文 由于数据报套接字一般用于一些轻载荷的局域网上计算机之间的通信，满足 实时性的要求，而且还提供向多个目标地址发送广播数据包的能力，本文选择适 合d d p 协议的数据报套接字。 数据报一般使用一个比较固定的事件序列来完成客户应用程序和服务器应 用程序之间的通信，如图3 3 所示： 服务器客户端 图3 3 喷雾机器人远程监控系统的时序 首先，客户机和服务器都要创建一个数据报套接字，接着服务器调用b i n d ( ) 函数给套接字分配一个公认的端口，这个公认的端口通常是指定的，这样客户机 和服务器就使用同样的端口来表示服务器套接字，一旦服务器将公认的端口分配 给了套接字，客户机就能使用s e n d t o0 函数向服务器发送数据、信息；同样客 户机和服务器都能使用s e n d t o ( ) 和r e c v f r o m ( ) 来传递数据报直到完成传递。然 后调用c l o s e s o c k e t ( ) 来关闭套接字。 套接字的选择和端口的分配是在网络初始化的时候完成，本系统中需要创建 两个s o c k e t ，a s r s o c k e t 用于服务器向客户端发送信息以及客户端接收信息， a s r i p s o c k e t 用于客户端向服务器发送信息以及服务器接收信息，引用部分代码 如下： i n tr e s u l t = a s r s o c k e t c r e a t e ( 3 0 0 0 ，s o c kd g r 枷，n u l l ) ： 江苏大学硕士学位论文 i n tr e s u l t = a s r i p s o c k e t c r e a t e ( 3 0 0 1 ，s o c k _ i ) g r a m ，n u l l ) ： s o c kd c r a m 表示使用u d p 协议创建套接字 3 2 2 数据的传输 数据传输包括了状态信息( 服务器向客户端) 和控制命令( 客户端向服务器) 的传输。机器人将采集到的数据以字符数组的格式向客户端进行发送，除g p s 以1 2 位精度传送外，其余信息均以8 位精度传送，如表3 5 所示。 表3 5 机器人传向客户端的数据及其格式 传感器测量信息传输数据格式 超声波( 5 个)与障碍物的距离( 0 4 7 m ) c h a rs o n a r0 1 8 ：s o n a r _ 4 8 p s d ( 4 个)与障碍物的距离( o 1 0 8 m