（机械制造及其自动化专业论文）电磁诱导式喷雾机器人控制系统的研究.pdf

摘要自动化喷雾技术是为适应设旌农业的要求而在近年来发展起米的一种农业高新技术。根据我国中小型温室大棚的特点，本文研制了一种基于电磁诱导导航方式的喷雾机器人控制系统以完成温室内自动化喷雾。用无线凋频数传的方式实现了对喷雾机器人的遥控和监视。喷雾机器人控制系统包括机器人、监控器和诱导信号切换器三个部分。二者通过调频数传构成了一个无线通讯网络，在机器人喷雾过稃中实时地进行数据传送，共同完成全自动化喷雾。具体的喷雾任务可柔性的设置，机器人有全自动、r 白动和手动三种j ：作状态可供选择，以便满足各种温室环境和用户喷雾要求。喷雾机器人部分包括传感系统、控制器和驱动系统。其中传感系统包括8 个电磁感戍传感器、2 个角度传感器和1 个位置传感器，以及它们的接口电路。控制器采h ；it l 公司的d s p( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) ，设计了基丁p d 控制的四轮独立驱动、四轮同时跟踪诱导线的控制算法。驱动系统，改进了原有的p w m 驱动器并实现了对机器人的4 个驱动电机和一个喷雾电机的凋速驱动。机器人监控器采_ ja r m 7 ( l p c 2 1 0 4 ) 作为m c u 。根据机器人的功能要求设计了5 8 矩阵式触摸键盘。监控器还包括液晶显示模块和调频数传模块。监控器完成对机器人和诱导信号切换器的监控。诱导信号切换器也是基于l p c 2 1 0 4 构建的。并设计制作了信号切换电路，完成对7 1 个诱导线同路的自动切换。完成了喷雾机器人自动路径、动作计算以及实时无线通信等复杂的自动化喷雾控制软件设计。运行试验表明，系统工作稳定可靠，满足了喷雾机器人的功能要求。关键词：四轮独立驱动d s pa r m 7自动化喷雾a b s t r a c ta u t o m a t i cs p r a y i n gi sak i n do f a g r i c u l t u r a la d v a n c e dt e c h n i q u ed e v e l o p i n gr e c e n t l yt oa d a p tt ot h er e q u e s to f f a c i l i t i e sa g r i c u l t u r e a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so f t h em e d i u ma n ds m a l l 。s i z e dg r e e n h o u s e si n l a n d ，w ed e v e l o p e das p r a y i n gr o b o tg u i d e db ye l e c t r o m a g n e t i ci n d u c e dl i n et or e a l i z ea u t o m a t i cs p r a y i n gi ng r e e n h o u s e s ，e s p e c i a l l ya c h i e v e dr e m o t e l yc o n t r o l l i n ga n dm o n i t o r i n gt ot h er o b o ti nw i r e l e s sf r e q u e n c y m o d u l a t i o n t h ec o n t r o ls y s t e mo fs p r a y i n gr o b o tc o m p r i s e dt h r e ep a r t s ：t h er o b o t ，m o n i t o ra n di n d u c e ds i g n a ls w i s h g r o u p t h e ya r ec o n n e c t e dt oaw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki nt h eh e l po faw i r e l e s sm o d u l e ，t h e r et h er o b o tu s e dt h em o d u l et oe x c h a n g er e a l t i m ed a t ai nt h es p r a y i n gt i m e ；a l lo ft h e s et o g e t h e rf i n i s h e df u l la u t o m a t i cs p r a y i n gt h es p r a y i n gt a s k so ft h er o b o tc o u l db es e tf l e x i b l ya n dt h e r ea r et h r e eo p e r a t i o nm o d e s ，f u l la u t o m a t i c ，s e m i a u t o m a t i ca n dm a n u a l l yo p e r a t i o nt oc h o o s e ，s oi tc a na d a o tt ov a r i o u sg r e e n h o u s e sa n da l lu s e r s t h er o b o tc o n s i s t so fs y s t e mo fs e n s o r s ，m c ua n dd r i v i n gs y s t e m i nt h es y s t e mo fs e n s o r s ，t h e r ea r e8e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ns e n s o r s ，2a n g l es e n s o r s1p o s i t i o ns e n s o la n di n t e r f a c ec i r c u i t i ti sa d o p t e dd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a sr o b o t sm c u p dc o n t r o la l g o r i t h mi su s e dt oi m p l e m e n t4 - w a da n dm a k ea l lf o u rw h e e l st r a c kt h ei n d u c t i o nw i r es i m u l t a n e o u s l y w i t ht h ep w md r i v e ri m p r o v e d ，d r i v i n gs y s t e mc a nc o n t r o l4r o b o t sd r i v i n gm o t o r sa n d1s p r a y i n gm o t o r a r m 7 ( l p c 2 1 0 4 ) i su s e da sm c ui nt h em o n i t o r m e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so ft h er o b o t sc o n t r o l l i n g , 5 * 8k e y b o a r di sd e s i g n e d m o n i t o rc a nc o n t r o la n ds c o u tt h er o b o ta n ds i g n a ls w i t c h e r s i g n a ls w i t c h e ra l s om a k e sl p c 2 1 0 4a sm c u s w i t c h i n gc i r c u i ti sd e s i g n e dt os w i t c ht h es i g n a lt h r o u g h7 1d i f f e r e n ti n d u c t i o nw i r el o o p s o f t w a r ei sc o m p i l e dt h a tr e a l i z e sa u t o c o m p u t i n go ft h er o b o t sr o u t ea n da c t i o n sa n dr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o n sa m o n gr o b o t ，m o n i t o ra n ds w i t c h e r e x p e r i m e n t se x p l a i n e dt h a tt h es y s t e mw o r k e ds t a b l ya n dc r e d i b l y ，i tm e e t st h ed e m a n do ft h ea u t o m a t i cs p r a y e r k e y w o r d s ：4 - w a d ，d s p , a r m 7 ，a u t o - s p r a y i n g独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生虢于藤1 钆帆卅年弓月矽同关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议)研究生签名：孑稿导师签名：弥乓时间：- 竹年享月，夕r鼎：硼王年弓置i ? 日中国农业大学硕士学位论文绪论1 1 本课题研究的意义第一章绪论当前，我国的农业生产止逐渐由传统农业向现代农业转变。设施农业是现代农业的具体体现，是高产优质高效农业的必然要求。2 0 世纪9 0 年代后，我国的设施农业发展迅速，特别是设麓栽培的发展给农业生产带来了无限生机。全国现有的温室大棚的面积已达到1 5 6 7 0 0 k m 2 ，付居批界第一，而且以中小型温室大棚为主。但我国的设施栽培农业也存在一些闸题，其中一个非常突出的问题就是：设备不配套，作业主要依靠人力，缺乏设施栽培小型作业机，国内中小型温室大棚基本上是依靠人： ：作业，且作业环境十分恶劣，这不仅限制了劳动效率的提高和劳动条件的改善，还阻碍了设施农业朝精准农业和1 ：厂化农业的进一步发展”。设施农业作为一种现代农业生产方式，其进一步发展必然要求提高大棚作业的机械化自动化水平。自动化喷雾是农业现代化的重要环1 饥有着重要的作用：喷洒杀菌剂或杀虫剂防止作物病虫害：喷洒除草剂消灭杂草：喷洒化学肥料；喷洒药剂对十壤消毒、灭菌：喷洒生长激素促进作物生长等1 4 j 。若采用手 ：方式，人棚喷雾作业将是一种极其繁重而又有损于作业人员的健康的劳动。随着自动化技术和喷雾技术的发展，喷雾机器人的研究有其充分的必要性：可以充分提高工作效率，缓解劳动力不足。改善作业者的安全和一生环境：提高喷雾作业质量，市省用药，保护环境，触进可持续发展”。1 2自动化喷雾国内外研究现状自动化喷雾技术涵盖的内容非常“泛，包括传感器技术、自动控制技术、导航技术以及喷雾技术等”j 。其中传感器器技术和自动控制技术在1 ：业领域发展较为成熟。日本在农业自动化方面有很多的研究，诸如：导航、传感器、和控制理论应用方面。其中有北海道人学主持开展的一维图像传感器、神经网络学府j = | j 、遗传运算等：东京大学开展的视觉导航和模糊逻辑控制等，已经用到插秧，除草等机械上【6 4 】。在农业领域内研究自动化喷雾的关键就在于导航和喷雾这两大关键技术。下面介绍国内外有关导航莆i 喷雾技术的研究现状。1 2 1 导航技术国内外研究现状目前达到实用化的农业机器人导航技术成果有：日本利闱棒状传感器检测稻株，靠离合器的离合来实现转向自动控制的联合收割机；京都火学研制的利用机械式传感器检测犁沟碧面的控制行走方向的拖拉机【9 lo j ：英国利删光学传感器，在无人驾驶拖拉机的前轴上方0 5 m 高度上安装一个光源，使用两个传感器接受从地面反射同来的光信号，识别其偏离位置，引导拖拉机的行驶i j i j ：日本一研究机构研制了一种无人驾驶喷雾被约机器人它利用地磁方位传感器检测机器人的行走方佗，控制机器人在o 5 m s 的手动f 自动行驶误差在0 3 0 左右p j ；美国密歇根人学开发的草坪修整机器人，利用图像技术识别已修剪和术修剪草坪的分界线，可进行无人驾驶操纵割草作业i l j ：京都人学研发的自动跟随车，如图1 1 ，前面机器由人驾驶，后边的机器a 动跟随：e h i m e 大学研发的自动运输乍。利用温室内的举沟导航如图卜一2 ，当前轮爬到葶上时，前左轮相对提高h ，中国农业大学烦j ：学位论文绪论”互i mu l t _。t i一，趋i t工ili 弭i l“w ”下匿洳起耙轴- 砌 州t k l e图1 一i 自动跟随原理图1 2自动运送车利用这一信号即可判断航向以偏，并重新调整方向。其它的研究机构和制造商主要集中开发更实片j 的机械系统。如：t h eb i o o r i e n t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c ha d v a n c e m e n ti n s t i t u e ( 简称b r a i n )正在研制的耕作机器人如图1 3 。图1 4 为该无人耕作机器人在速度为0 4 5 m s 时的轨迹，控制范围在7 - - 7 0 0 m ”。该机器人采用激光标忐反射式导航方式，在行驶路径周围设置反射这些信号的标志。依据发射和接受的信号状态确定自己当前位置并规划f 一步行走的策略。此方法工作范围大，灵活性好，但突出的缺点是要求作业空间不得对反射信号有任何阻挡。此外，信号的发射，接受及反射装置使系统1 f 常复杂，成本增加。由丁- 温室人棚空间的限制，也使这种导航方式在温室大棚中的优势- 并不明显。另外，日本一研究机构开发了一种以g p s 为导航方式，用光纤陀螺仪控制的插秧机，如例l 一5 。直线行走速度为1 2 m s ，转弯时为0 8 m s 的情况下测试，行走6 0 0 m 的误差为l 一2 m 。图l 一6 为该插秧机的一r 作路径。它具有精度高、全天候工作等特点。但是其抗干扰能力较荸，在受到树木、房屋笛阻挡时，信号有可能偶然丢失。所以这种方式并不适合在温室人棚中用，而且成本较高。还有一些以视觉、激光和地磁等相互融合的导航方式1 1 3 - 2 2 。在美国、以色列以及波兰都有相芙的农业机械自动化导航控制方面的研究，不同地区因其国情的不同，选择的导航方式也不同。比如欧美等国发展了大型的喷雾机械，最典型也虽先进的是用于大棚作业的固定轨道式喷雾机。这种喷雾机采用计算机控制，自动化程度和作业效率都很高。但其成本也很高，就我国引进的机型来看，价格在1 0 万元套以上，主要用在高档高产值的温室大棚内，而我国的温室人棚大多是中小型的，其本身的造价和产值还比较低，所以这种喷雾机不适合我国的国情。目前国内相关方面的研究进展迅速其中较为先进的有r 海生博士开发的“农业机器人的自动引导行走系统”( m a p ) ，它采用人机对皤的形式输入机器人作业项目及农田的再项参数，然后构成环境地图、由m a p 系统各级作业实际状况。进行行走路径规划，生成路径地幽，必将其数字化，由计算机控制软件读入、解释，进行智能化的控制，不断自动修正位置和方向偏著，使机器人沿着目标路径行走”j 。在国内还有基丁磁标志导航喷雾机器人，如圈l 一7 ，机器人只能以直线行走，转弯时首先由机机器人底部的托盘把机器人托起后旋转一定的角度，而j l 亓再将其放下来实现机器人的转弯。机器人在喷雾时拖着一个喷雾管，前进时铺f ，后退时再自动券起。如图l 一8 所示。遇到磁标2 中国农业人学硕七学位论文绪论昔*聃冀*-m1 i瞄。ij 嘈。l嘈哪一一啪。r t | w _ j i ，i i _ l - qt _ _图l 一3标志反射导航耕作机器人圈1 4 耕作机器人轨迹糊鞴5!-特： 】艏一器妁t 6l o50川1ll俅窖，ai5 嘲图l - - 5g p s 导航自动插秧机图1 6 插秧机耕作路径一曩j i j q 暑：；孑足瓷国图j 一7 喷雾机器人结构图i 一8 机器人导航示意图中国农业大学硕十学位论文绪论志时转弯或调头。这种导航方式比较死板而且机器人的结构复杂。1 2 2喷雾技术国内外研究现状1 对靶喷雾对靶喷雾技术就是根据作物的形状等信息白动识别作物的位置有针对性地喷雾，而不像连续喷雾那样无论有无作物都要喷雾。这种技术主要应用在果同等作物分布疏散的环境当中，可以节省药液5 0 - - 7 5 以上。对靶喷雾技术在国内外都有较多研究，江苏大学用红外光电探测器探测棉花的位置以便实现对靶喷雾，还处在研究阶段。中国农业大学正在研制一种与国产小中型拖拉机配套的果列自动对靶静电喷雾机。这种喷雾机是一种轻便、高效、省药的喷雾机，很多程度上减少对环境的污染，适应我国果吲病虫害防治的需要。采刚基于红外传感探测技术探测靶标的有无技术，将传统的连续喷雾改变为臼动对靶控制喷雾后，与风送式果同喷雾机连续喷雾相比，可以1 ，省药液近5 0 ，同时还解决了风送式低鼙与静电喷雾等关键技术问题。2 超低量静电喷雾1 )超低量喷雾。超低量有很多的优点。一是工效高。使用超低最喷雾机，防治林木病虫害每小时可达1 5 - 1 0 0 亩，比背负手动喷雾器i ：效高3 0 倍以上，减轻了劳动强度。由于 ：效高，能做到及时防治，特别是对暴食性或突发性的病虫害防治，更具有特殊意义。二是省药。由于雾粒很小，漂移面积大，与常规喷雾比较，可节省l o 一3 0 的用药量。三是效果好。喷施的是油剂，药液的透性和耐雨水冲刷能力较常规喷施的乳状液强。同时由丁漂移分布均匀，使林术的各部都能浮上药液，冈此杀虫灭菌效果好。四是防治费用低。使用超低鼍喷雾机比削背负手动喷雾器可符省5 0 9 0 的防治费州。五是不用水( 或只用很少量水) 。省去配药运水的繁重体力，特别在沙漠等于早地区和山区更成为突出的优点。超低量喷雾也存在一定的局限性，冈雾粒很小，喷雾时易受风力、风向和上升气流等气象条件的影响，需要一定的农药即席荆，弘，剧毒农药不能f ；j ，使用条件和技术要求较严格。2 )静电喷雾。常规喷雾法，总要流火一部分农药，即不能发挥最大药效，又浪费人力物力还造成污染。超低量喷雾法，虽提高了喷涌效果，但也易受气流影响，而不能发挥最高药效。静电喷雾发的喷洒效果，在一定科度上得到了进一步的改进。目前国内外都在加快静电喷雾技术的研究开发。静电喷雾的优点：一是药液雾粒直径属丁超低量范围( 1 5 7 5微米) 由丁雾粒带电，吸附力强，所以农药利用率比超低量喷雾高，t e j 药量少，即节约农药，又减少污染。二是因雾粒带同性电荷，在空间飘移时相互排斥，不发生凝聚现象，覆盖均匀，同时受目的物周同电力线的作用，能吸附于目的物的正、反面，杀虫的效果好。三是雾粒吸附于目的物表面比较牢 削，不易被气流飘失或雨水冲刷流失。能适用于有导电性的农药制荆。但静电喷雾需要能产生直流高压的静q 主设备，囡此，结构比较复杂，成本较高1 。3 定点、变量喷雾4 中国农业人学硕i j 学位论文绪论定点、变：鞋喷雾技术就是根据作物的生长情况自动判断喷雾的位置和喷雾流量的自动化喷雾技术。图l 一9 为美国伊利诺斯卅f 立人学农学院研究的基丁机器视觉的定点、变苗除草剂喷雾系统原理图。在系统中用四个摄像头实时拍摄图像，图像处理后识别苇眼、节背，并在挚背上以一定的流茸喷洒除草。在垄眼上识别杂草区，并根据杂草的茂密稚度喷洒不同最的除草剂。如图l一9 ，在喷雾杆上有1 2 个喷头，计可以沿着喷雾杆移动，每个喷头的流昔单独控制。这样就可以实现定点变量喷雾的要求。该系统一次喷涌宽度为3 7 m ，最人行进速度为4 2 k m h 。在杂草区的识别率为7 5 ，作物医的识别率为4 7 8 ”“。但该系统结构复杂，成本较高不适合在中小型温室场合。而且系统对定位要求严格不易j 在车载系统上。变量喷雾技术主要用在喷洒除草剂，肥料以外还可以用喷洒药液七，即根据十质对药液的吸收率来变茸喷洒”。1 3 研究内容与目标图1 9 定点、变量喷雾系统原理示意图通过对人鼙文献的分析及我国温宝情况的凋研，笔者认为从我国目前温室人棚实际情况出发，研制一种高效、经济、安全的喷雾机器人1 f ：常有必要。所以本课题旨在研制一种适合在我国中小型温室大棚内使用的经济型自动化喷雾机器人。在导航控制方式上选择了电磁感应式导航，采用遥控方式控制机器人。选用何种喷雾技术取决丁- 很多因素，如：植物的类型、病虫害的种类、危害程度、农药类型j 。所以本课题的设计思想是使喷雾单元独立丁机器入本身。机器人提供与喷雾单元的公共接口，这样可以根据实际情况选择不同的喷雾方式，以使机器人具有通用性。在机器人的实际殴计过程中以风送式超低餐静电喷雾方式为基准设计了机器人与喷雾单元的接口。根据以上分析本课题要研究的内容如f ：5 中围农业大学硕十学位论文绪论t )机器人结构和运动方式分析。2 )设计一种有效的机器人诱导跟踪控制算法。3 )构建机器人的传感系统和驱动系统。4 )基于高性能的m c u 设计机器人的控制器。5 )殴计一个诱导线自动切换装置。6 )设计机器人监控器实现对机器人和切换装置的监控。7 )构建机器人、监控器、诱导线白动切换装黄三者之间的无线通信网络。8 )喷雾机器人自动喷雾控制软什设计。6 中国农业大学硕士学位论文系统总体方案设计2 1 系统结构方案第二章系统总体方案设计喷雾机器人系统的结构( 如剀2 1 所示) 由二部分组成包括：喷雾机器人，监控器和诱导信号切换器。喷雾机器人是完成喷雾作业的主体；监控器的土要作用是遥控机器人、设置机器人的喷雾任务、实时监视机器人的1 作状态、作业进度以及喷雾日志的存储等；诱导信号切换器完成诱导线的切换以使机器人改变其行走路径。监控器、机器人和诱导信号切换器三者通过无线数传构成一个通讯网络，在机器人i ：怍时实时进行数据的相互传递协调完成喷雾作业。10 线圈2 1 喷雾机器人系统结构方案诱导线光线信号2 2 诱导线、位置标志的布置及机器人的路径规划方案2 2 1 诱导线布置如图2 一1 机器人j 二作时沿着预先铺设好的诱导线行走。当机器人选择不同的路径时，切换器必须闭合不同开关k ( i = 0 ，i ，2 ，7 1 ) 来选通不同诱导线同路，即诱导信号在不同的诱导线同路中动态地切换米实现机器人对不同路释的选择。所以诱导线的铺设方案不仅涉及到机器人的路径规划，还影响控制算法。冈此诱导线的布簧府满足机器人的路径要求f ，尽可能地简洁。本课题采用蛇形线和散线相结台的布线方案。如幽2 2 ，住组l 当中1 5 号线是蛇形线，1 1 4号线都是散线。蛇形线的布置使_ i 一条诱导线环绕整个组；而散线布置使_ l j 众多诱导线同路来覆盖机器人所以可能的路径。由于机器人对两侧的都可以喷雾，所咀只需每隔两块作物区布置一个散线回路。当整个组的所有块都需要喷雾时机器人直接选择蛇形诱导线，当某一组只有部分块需要喷雾时选择对席的散线，这样两种诱导线的布置方法相结合使机器人最人程度地避免走多余的路，充分提高机器人的l 作效率。2 2 2 位置标志布置、圈中周农业人学硕+ 学位论文系统总体方粜设汁i i机器人在作业过程中需要在某些戈键的位置傲特定的动作来完成喷雾任务，那么就需要在这些特定的位置做位置标忠以使机器人来获取何簧信息。何置标忠分为三类，即：诱导线切换标志、行首标志和行尾标忐。诱导线切换标占提醒机器人是否进行诱导线的切换，而行首、行尾标志告诉机器人是否进行喷雾。但并非在每个诱导线切换标志处都进彳亍诱导线的切换也不是在每个行首、行尾标志处都该开启或关闭喷雾婀。在什么位置做什么动作，机器人根据刚户喷雾任务的没置自动计算。位置标志的布置如幽2 2 所示。2 2 3 喷雾机器人路径规划在全自动状态f 机器人根据其任务自动选择路径。本系统在全自动状态f 的虽人作业范同是四组( 宽度w ) 每组最人的块数是2 8 块( & 度l ) 。如图2 2 。组数和每组的块数可以通过监图2 2 喷雾机器人路径规划示意图控器设置，之后可以在设定的缀数和块数范围内设置其中任意一组或多组的任意块进行喷药。若某一组的所有块都需要喷药，则机器人选择蛇形路线( 1 5 、3 l 、4 7 、6 3 号线) 。当该组喷完j | 嚣再切换到下一组或作业结束。若某组当中只有部分块需要喷药，则机器人选抒对应散线，如图2 2 ，组1 ：1 1 4 号线；组2 ：1 7 3 0 号线；组3 ：3 3 - - 4 6 号线：组4 ：4 9 6 2 号线。例如，肖w =1 1 ，l = 2 时，组】的所有块都需要喷药，组2 的第1 、4 、7 、8 块要喷药( 如图2 2 ) 。则机器入首先沿羞蛇形1 5 号诱导线在组1 中喷雾。当纽1 喷完后，切换到6 号散线返同的第2 组。然后再沿着散线1 7 号线喷第2 组的第1 块，当碰到结束标：盘斤退同，直到诱导信号切换标志。而后切换到1 8 号散线继续前进直剑喷完块4 同样当喷完7 、8 块后沿着2 0 号散线返同结束喷雾。8 中国农业大学硕j 学位论文系统总体方案设计整个作业过群机器人的轨迹如图2 3 所示。图2 3 机器人路径轨迹示意圈2 3 喷雾机器人工作方案为了使机器人控制更灵活，提高机器人对环境的适应能力，本课题为机器人设置了三种工作状态，分别是全自动，半自动和手动状态。机器人的作业流释参见图2 - 4 。机器人一般1 ：作在全图2 4机器凡系缔作q p 流挥圈q 中国农业大学硕士学位论文系统总体方案设计自动状态f ，半自动和手动作为辅助状态以提高机器人的灵活性和适麻能力。若机器人上作在全自动状态下，诱导线的切换和位置标志姓动作的计算全部由机器人自动完成，用户只需在启动机器人时发置喷雾任务即可。但是机器人要全自动执行任务时，诱导线和位置标忠就必须按照图22 所示的形式布置。若在半自动状态r ，机器人只是臼动跟踪诱导线，诱导线的选择则是通过监控器由用户直接给信号切换器发送，这使得诱导线的布置比较灵活、无需遵循固定的形式。而且不需要布置位置标志，何时开关喷雾闷完全通过监控器由h 户控制。以适应不规则温室用户的需求。手动状态f ，机器人完全由_ l f j 户控制，它并不跟踪诱导线，行走路线、喷雾动作全部由监控器控制，以满足在温室内部分冈不规则业狭小而无法布置诱导线的空间喷雾的需求。1 0 中国农业大学硕 - 学位论文喷雾机 f 人碗件设计第三章喷雾机器人硬件设计喷雾机器人是整个系统的核心，是喷雾作业的执行器。网此它的性能以及稳定性是本课题的研究重点。喷雾机器人由机械本体，控制单元喷雾单元二部分构成( 如图3 - - | ) 。机器人采用四轮独立驱动。主控制器是t i 公司的2 0 0 0 系州d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。喷雾单元是片 电动喷雾器改装而成。圈3 1 喷雾机器人3 1机器人机械结构及驱动方案移动机器人的运动方式有轮式、履带式和步行式。步行式机器人对场地的适应性好，用途，“。但其结构复杂，运动平稳性莘，对控制系统的要求较高，控制难度犬。轮式机器人动作稳定，操纵简单，容易控制其返动速度和方向，适台平地行走。缺点是移动场所限丁懵况比较好的平地，对环境适应性较燕。这种机器人在j ：业中_ i j 米搬运零部件以及航天、军事等领域有较多的廊用。履带式机器人可以在凹凸不平的地面上行走可以跨越障碍物，能爬剃度不高的台阶，具有较强的适应性。缺点是通常没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度著，所以不仅在横向上，而且在前进方向上也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确的确定同转半经。本课题所设计的机器人是应州在r 厂化的温宝中，i ：作中只进行平面移动，但需要机器人灵活机动，功耗尽可能的小。所以对丁在温室中完成喷雾作业任务的机器人选用轮式运动方式是最合适的。轮式机器人一般有三轮和四轮两种形式，而其转向形式通常有两种形式：1 1 铰轴转向式转向轮装在转向轴上，由转向电动机通过减速器和机械机构控制铰轴从而控制转向轮的转向。而其动力由另一个电动机通过差速器提供。2 ) 差速转向式在小车的左右轮上，分别装上两个独立的驱动【乜动机，通过控制左右轮的速度差来实现车体的转向。中阉农业人学硐士学位论立喷雾机器人硬件设计图3 2 为目前机器人常用的驱动与转向结构口，由幽中可以看山，三轮式结构比较简单，能满足一般的使用要求，戍用比较r 泛，但稳定性和承载能力著。四轮式结构比三轮式复杂，但稳定性好，有较大的承载能力。综台考虑使用情况，采t e i ；f 四轮式的结构。另外，从转向形式上分析，铰轴转向式虽然控制简单但精度不高，而且机械机构较复杂。铰轴转向( 如图3 2 ，1 3 - - 1 8 ) 方式使机器人前后轮同时跟踪诱导线很难实现，因为机器人在前进和后退时跟踪诱导线的算法是不同的。这样无论是在机械结构还是在控制算法上，都使得铰轴转向方式在本课题研究的喷雾机器人上不可取；虽然著速转向式控制复杂，但机器人前进和后退时的控制算法是一致的，而且精度高。考虑实际使用中对运动币转向的要求，选用差速转向式。为了使机器人道更少的占用宝贵的温室面积，本课题决定使机器人的前斤轮都跟踪诱导线。3 w i s “l l 自o o t w h e e l )vs c n n g m n 删矗。m - w h 刚d 姗3w h 酬耵2b 锄 w h e e i b )a * 哪m 也e 口：缸d 【i 代3 w b b f lh w i 妇ov# “q w m m e 蛔 w h im j 3 w l ”e l s 0 w h 蛐厶 m n m n f w m m呵3 w 嗽h ( 1 自w 妇b日* n “g m 蛔l奄球玎a 【i 代a3w 妇i sf 2f r e tw h e e l s )m w m m f m脚# w k d 电i v t63 w i 时i s n 丘o m w h e e bvs 阳e n n e m 血er e 簦f e 越d f l v e厶3w h e e l sf 2 蛔tw h e e l s )s k e f 址g m 丘o m矗o n w 搬i 血炯8，w 蜘出( 1f r o l l t w h c 曲v硼燃l 醒址l l 蚀tn l - w 虹e l “、tv3 w h e d s f l 丘。毗w h e e j )n t m m e f c 觚a u - w t a e e t d r i v el oa3 w k e l s f 2 蛔蜘翰鬈勰l l3 w h e e l s f 2 t 恤崎皿# m 口m m e m rl u - w h 雌ld f l v e1 2 讪e 出口$ 唧m f l o a t凭噩d 时v 1 34 w h e d s科黝裟0 1 4”4w l l e e l g 把c n n g m 妇n 射岫r a f 直l 增1 5日4 w h e e bm m m t l l e f f f o n t - w h e e ld f n t1 6口4 w 鲤k拍比a n z m 如呲a l l - w l 矬, , l 击l 性1 7日4 d sm l m t k l r n t l 枷- 咄l d d r1 8l t 一4 w 自眦hn h m 罐啪船山4a n v m g $1 9竹4 w h e 出s l 博n n g m 矗姒+ m t b e“代越2 0a l l - w ld n v c墨4 w h 灶批c c h 许r p 吣# h f m g砰盯d n v c2 1墨4 w h e s删群翻例蛐= c f 越g缸州l 喵击肚i 由、*2 2墨4 w 融l s。“b w 捌d 2 j髓神睫n 醇啦妞盘i v 珥l 自o nc i j w k f d r l 垤2 4s y m b o l 皑p h 蚺娃。n ：上出铽渤o f r i c t i o nht i l l e d ：d r i v e nw l m e l廿q f i l l e d n 曲v w b 州圈3 - - 2自主机器人驱动与转向结构示意图在选择驱动方式的方面，本课题采_ l _ 4 了四轮独立驱动。囡为四轮驱动与两轮驱动相比具有更高的地面附着力和通过能力，一般被在路面状况比较恶劣的环境中i ：作的机器采用，比如：越野车 2 4 1 。农业机器人行进的路面环境一般都是比较松软，而且不平坦，车轮容易打滑甚至翘起，四轮驱动能保证机器人的正常行进，同时也根容易实现机器人的前进雨后退，为机器人作业的复j 行进轨迹奠定了基础。本文研究的四轮驱动是四轮独立驱动( 4 一w h e e la l o n ed r i v e ，缩写为：中困农业人学坝j 学位论史喷雾机器人硬件设计4 w a d ) ，四个轮子分别由四个直流电机驱动，转弯时是通过前币轮的左右电机的转速差来实现。综上所述，本课题采用四轮独立驱动差速转向式。参照图2 1 只有第1 7 、2 3 采用四轮独立驱动，著速转向方式，但若象第1 7 那样的机械结构在转向时存在下轮滑动，功率损失太人，车身震动不稳定，不易采川。2 3 号的结构虽然解决了上述问题，但考虑到喷雾机器人还有装载蓄电池、喷雾装置，而且2 3 号的转向控制相对复杂。所以根据本课题研究的喷雾机器人的特殊情况，在机械结构做了些改进，如幽3 3 所示。其中四个轮由四个带减速器的驱动电机( 2 4 v ，3 0 w ，7 5 r m i n ) 独立驱动。3 2 基于d s p 的机器人控制器图3 3四轮独立驱动，差速转向结构示意圈喷雾机器人控制器采用t l 公司的2 0 0 0 系列d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。具体在系统中采用的是该芯片的评估板( e v m ) i c e t e k l f 2 4 0 7 - a ( 由北京瑞泰公司提供) 。3 2 1d s p 评估板i c e t e k - l f 2 4 0 7 a 简介i c e t e k l f 2 4 0 7 a 板( 如图3 4 ) 是一块独立的目标扳。它1 f 常适合检验l f 2 4 0 7d s p 的性能。此外，本目标板提供了l f 2 4 0 x 系列芯片进行扩展和运行软件的标准平台。i c e t e k l f 2 4 0 7 a扳使用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片，兼容所有l f 2 4 0 7 的使用代码。它具有2 5 k 字节的片上数据存储器1 2 8 k 板上存储器。片上u a r td a c 7 6 2 5 模数转换器。此e v m 板还提供了d s p的扩展引脚方便了用户外搭所需电路许多心户接口可利用简单的代码进行扩展从而缩短了调试时间。它主要的接口包括：目标存储器接口、模拟接e l c a n 、总线接口、并口、川户指示灯和开关外部扩展接口等m ，。图3 4d s p 评f 占棚c e t e k - l f 2 4 0 7 _ a3 2 2d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 简介l f 2 4 0 7 a 是这一系列的顶级芯片，1 f 常适合丁控制领域“。3 0 m i p s 的指令执行速度，具有很高的实时控制能力和数据处理能。它具有2 5 k 1 6 b i t 的片上数据存储器，3 2 k 片上f l a s h 储存器，并带片内加密何，充分保护川户代码的安全性。它采用增强型哈佛结构，具有6 条独立总线( 3 条数据总线，3 条地址总线) ，缩短了指令执行周期，提高了实时控制能力。其次，d s p 独立乘累加器，流水线指令操作等结构很人稗度提高控制器的数据处理能力。再次，该款芯片具有丰富的片上外设资源( 4 0 多个g p i o ，两个事1 ，| ：管理模块e v a ，e v b ，1 0 位1 6 通道a d c ，s p i ，s c i ，c a n 模块) ，两个事什管理模块包括：4 个1 6 何定时器，可以独立输出l o 路p w m 波，6 个捕获中国农业人学硕 1 学位论立喷雾机器人硬件设计单元，以及编码器输入接口等，非常适合_ 丁多种电机的控制，包括交流感应电机、无刷直流电机、开戈磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器等【2 5 1 。3 2 3d s p 软件开发环境d s p 的开发环境包括上位机运行的集成开发f 具( 如剧3 - - 5 ) 、调试i i 具( 如图3 - - 6 ) ，实时调试仿真器以及目标系统。集成开发、凋试环境川t i 公司的c c s 2 0 。仿真器采川i c e t e k 5 1 0 0 p并口仿真器。在c c s 2 ，0 环境中用c 语言开发麻h j 程序必须有一1 - j l 个文件：c 语言实时运行库文件r t s 2 x x 1 i b t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 寄存器头文件r e g i s t o r h ，命令文件以及中断向量文件文件。库文件r t s 2 x xl i b 和寄存器r e g i s t o rh 无需修改，其他文件则要根据远j j 程序的需要由用户编写。命令文件重要是定义堆栈、程序存储空间和数据存储空间，h j 汇编语肓编写。中断向量文件定义中断向鼙为c 语言中断服务稃序提供入口”。圉3 5d 辨集成开发环境一图3 6d s p 实时调试环境。3 3 机器人传感系统任何一种机器人都离不开传感器，就象人要获得外部信息去认识事物就不能离开视觉、听觉、触觉等器官一样，机器人需要用传感器去感知白身的状态利环境信息【2 6 1 。在喷雾机器人控制系统的设计过程中，传感器是最基本的，也是最重要的部分，直接影响整个系统的功能。冈此，需要构建一套结构简单、灵敏度高、抗干扰性好、价格低的传感系统。本系统中包含三类传感器包括：电磁感廊传感器、角度传感器和位置传感器。f 面介 “各个传感器的1 ：作原理、接口电路及标定。3 3 1电磁感应传感器的工作原理简介4 】本课题所用的电磁感应传感器是川来反映机器人前后轮的中点相对丁- 诱导线位置的。诱导线中通有频率为1 5 k h z 的正弦信号，在其周嗣就形成一定强度的交变磁场，如图3 1 。在这个交变磁场当中的电磁感应传感器就产生一定强度的电动势。左两个电磁感应传感器组成一组，通过两者的感应电动势的羞来确定位置信息。1 ) 无限长细导线的磁场1 4 中国农业大学硕士学位论文喷雾机器人硬件设计对丁长为2 l 、通有电流i 的细导线，其外部任一点的磁感应强度b ( 如图3 - - 7 ) ，可由比奥-沙伐尔定律求出。建立如图3 8 所示的坐标系，划胁n 加鲁f 半( 3 - - 1 )目21 o f z )0 1，z 丁!一圈3 - 7 无限长直导线电流的磁感应强度b图3 - - 8 计算导线b 的坐标系根据图示关系，有d l l = d z l z = z r c t g od z = d ( z r c t g 臼1 = ，c s c2o d od z a 月= d z s i n o a 。r = ，c s c 0故b ，( ro , z ，= 鲁12r c s c 2 0 d o s i n 0 = 筹r s i n o d o = 筹s 0 1 一s 劝当三一。时，0 1 - 手0 ，0 2 寸石，c o s o l c o s 0 2 2 ，故通有电流1 的无限长细导线在离线r 远处产生的磁感应强度为：b ( ，) ：掣( 3 2 )由上式可以看出，通有电流i 的无限长细导线产生的磁力线是一些以r 为、n 径的圆，其方向与电流的止方向遵循矗手螺旋法则，如图所示。同时，我们也可以看出，一定的电流分布对应一定的磁场分布。电流恒定不变，产生的磁场也恒定不变：相反，交变的电流，其周围的磁场也是交变的。2 1传感器感应电动势的产生原理根据法拉第电磁感应定律，对丁任一闭合导线同路，当通过它的磁通鼙发生变化时，其回路两端会产生与磁通量有芙的感应电动势，人小型雯与成正比。即s ：一坐以出由以上原理，把一个截面积为s ，n 匝的线罔，置丁无限& 的通有交变电流的导线旁边，则线中国农业大学硕士学位论义喷挥机器人硬件设计圈回路的两端将产生感应电动势s ，且：s = 一警= 一船c o s 0 等一册c 。s 臼懒l ( 3 - - 3 ) 2 m d tddt。口一线圈截面的法线与磁场方向的夹角。可见，当电流的变化率、线圈的匝数n 、线圈的截面积s 不变时，感虑电动势e 的人小只与e 和r 有关。3 )电磁感应传感器及其接1 ：3电磁感应传感器由电感线罔和滤波电容组成，如图3 9 所示。l图3 - - 9 电磁感应传感器示意图当我们将此传感器置r 通有正弦电流的导线附近且使l 的轴线承直与诱导线，则电磁感府传感器输山感应电动势也是同样频率的正0 玄信号。但电动势信号比较微弱，必须经过放大，增大其幅值并调理成直流信号。调理放火电路原理如图3 1 0 。图3 一l o 传感器放大调理电路框圈传感器输出的信号经过放大调理后，就成为了一个可供d s p 检测的直流信号。该直流信号的电压直接反映传感器与诱导线之间的距离。通过实验可知，这种传感器的灵敏度、可靠性完全满足喷雾机器人的工作要求，有效检测范嗣可达4 0 c m 左厶。根据磁感廊传感器的l ：作原理，其输出电开三是与传感器相对信号导线的距离r 、角度。有关。而且，实际使用时，传感器安装在机器人小车的前底部，与地面有一定距离h 。假没h 、o 不变时，电磁感应传感器的输出电压u 与传感器相对诱导导线的水平位移d 之间的关系。如图3 1 1 。可以看出传感器输山电压u 与水平位移距离d 之间并前线性_ 关系，而且因为特性左右对称，所以单靠一个传感器无法识别诱导线的左边还是也边。实际戍川中，将两只电磁感应传感器以一定的距离对称4 5 度固定安装( 如图3 1 4 ( d ) ) 作为一个整体米确定诱导线的位置。这样两只传感器输出电压的差值就在一定范围之内相对诱导线的水平何移早很好的线性关系，而且左右极性相反，如图3 1 2 。冈此，机器人就可以通过这样的电磁感应传感器组来确定它相对诱导线的位置。1 5 o5 3 一传感器输出电压特性3 3 2 电磁感应传感器的安装1n p - w 42o2j6i”1 2 传感器组电压输出曲线图1 1电磁感应传感