草坪灌溉机器人的控制研究

草坪灌溉机器人的控制研究

1草坪灌溉机器人的控制移动计算机是近年来发展起来的一个整体学科。它整合了机械、电子、计算机、自动控制和人工智能等领域的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就。本文是对草坪灌溉机器人的控制进行研究。本机器人的基本功能之一是遍历草坪预先规划的喷洒栅格并进行灌溉。所采用的机器人移动平台是三轮差动转向式移动机器人作为移动平台。利用AVR单片机作为核心控制器，该控制器主要处理转速测量、电机驱动控制，并从草坪土壤湿度传感器与霍尔位移传感器采集信号，通过继电器控制电磁阀动作，从而控制喷头进行灌溉等。这台轮式移动机器人，能够有效地完成移动机器人的运动规划控制，并根据要求进行灌溉作业。2第三代差动转向式在轮式移动机器人中，差动转向式控制较复杂，但精度较高。为了在控制方式上达到一个较高的层次，并且让运动和转向的精度更高一些，以便为以后的避障和路径规划打下一个良好的基础，该移动机器人设计成三轮差动转向式。如图1，其中前轮1为万向自由轮，不产生驱动力矩，它只起支撑作用，后两个轮2和3为驱动轮，固定不可转向，且相互独立，每个轮子有独立的电气驱动模块。三轮成等腰三角形分布，这样的分布有利于车体的前后左右自由地转向，对车体姿态也容易计算与控制。3覆盖每一个栅格的定位与跟踪本机器人的基本功能之一是遍历草坪预先规划的喷洒栅格并进行灌溉。要使机器人能覆盖每一个栅格并能在其中定位，转弯与直线跟踪的控制就显得尤为重要。这里先检测车速，因为不同的路面平均车速不同，据此先进行路面情况的判断，并大致分为平坦、草地、粗糙的草地三种路面，对应与不同的路面情况，应用相应的转弯与走直线策略。3.1测量转速t法本机器人速度较低，根据实测车轮转动一周的时间大约为1.5秒，所以采用T法(测周期法)测量转速。利用霍尔接近传感器检测贴在车轮上的磁铁，当检测到磁铁后产生一个高电平，车轮有16个磁铁，假设两个脉冲的时间间隔为t，车轮的周长为L，则车辆的速度为L/16t。3.2旋转角度的计算采用以连接两驱动轮的轴中心为圆心，两轮反向独立滚动，且，旋转的角度θ可以根据磁感应传感器检测出两轮反向走过的弧线位移进行计算，设走过的弧长为L，两后轮间距为D，则旋转的角度θ计算方法是：θ=2L/D3.3机器人模式数据的处理直线跟踪控制采用模糊控制。由于模糊控制具有模拟人脑思维和控制的特点,而智能机器人正是具有能模拟或代替人的部分功能,所以,对机器人的控制无疑是很适合的。因为机器人在行走的过程左右两轮的位移不同，所以造成偏离直线。这里以机器人在行走过程中，左右两个霍尔传感器的计数脉冲的值相减获得差值e作为输入量。根据模糊控制理论，首先对e模糊化。先设定其模糊集和对应的隶属函数。其模糊子集为：e={左大，左中，左小，零，右小，右中，右大}简写为：e={leb,lem,les,ze,res,reb,rem};取隶属函数为三角函数，论域为[-3,3]。隶属函数曲线如图2。以移动机器人左右后轮的转速为输出，电机的模糊子集为：左电机：LV={左大，左中，左小}简记为：LV={lbv,lmv,lsv}隶属函数曲线均如图3。控制规则如下：反模糊化采用重心法。通过离线计算得到模糊数值判决表（如表1）所示，可以根据e的值由表查出相应的LV、RV值。在单片机系统中采用查表法实现。4机器人控制系统4.1温度调节控制系统控制系统是机器人的核心部分，它决定了控制性能的优劣，也决定了机器人使用的方便程度。该移动机器人的控制系统采用的是利用AVR单片机作为核心控制器，该控制器主要处理转速测量、电机驱动控制、传感器信号采集及通过继电器控制电磁阀动作等。(1）灌溉系统部分的自动控制功能模块：其基本思想是先由实验建立土壤渗漏识别模型与入渗深度预测模型，存入自动灌溉系统，用若干湿度传感器实时监测土壤水分的变化情况，并通过无线收发模块进行采集，然后通过存放在控制系统单片机中的土壤渗漏识别模型对采集到的湿度信息进行分析，得出结果并发出相应的控制信息，通过继电器控制电磁阀动作，从而控制喷头进行灌溉。(2）电机控制系统：系统框图如图4所示。在电机的控制系统中，选用直流伺服电机，这样便于进行运动学和动力学方面的实验，通过一个桥式电路实现电机的正反转，控制采用PWM方式来控制输出到电机的驱动电压，因而比线性控制方式具有更高的效率。该系统的反馈通道采用了霍尔传感器作车轮角速度检测，以数字量方式输出，简化了控制过程，又提高了控制精度和可靠性。具体做法是在两个车轮上分别均匀的贴32块小磁铁，车轮转动时霍尔传感器对磁铁进行检测，从而测出车轮转过的角度，进而能计算出位移，由两车轮的位移差能计算小车的偏转角度得出航向，AT90S8535单片机有3个定时计数器T0、T1、T2，这里，T2口产生PWM信号对电机进行调速，同时用T1口接收霍尔传感器产生的脉冲信号，对转过的角度进行测量。两个传感器测出的左右车轮位移相减，所得差值传给前向通道，前向通道中的控制器采用模糊控制，该控制器由AT90S8535单片机编写控制，用单片机系统实现模糊控制的数字化，使系统更为灵活，优点更易发挥。4.2喷灌排汗原则：在草坪上划分植物进行覆盖要实现对草坪的灌溉，就要求能实现草坪的全区域无重复、无遗漏的覆盖，并且能根据要求进行实时灌溉作业，由于本灌溉机器人采用的喷头是锌合金摇臂可控角喷头，喷射半径为4～6米，考虑到水压的因素，喷灌的边缘区域喷到水量较小，可以重复喷灌，所以这里在草坪上划分矩形栅格，移动机器人实现全区域无重复、无遗漏的覆盖，也就是遍历草坪上所有的栅格。这里先进行栅格的划分，并且建立坐标系，取每个栅格的中心点的坐标存入单片机。移动机器人从规划好的出发点（坐标原点）出发。先进行地形识别，进而调用相应的子程序，按规划好的路径行走，在运动的过程中与存入单片机的每个栅格的中心点坐标进行匹配。流程图如图5。5地形大小对创新路径分析的影响本文使用的机器人平台为三轮小车，两驱动轮的间距为70.4cm，驱动轮直径为26cm，行使的最大速度为1m/s。在小车行走时，采用本文的控制方法选取不同的地形与距离进行实验，测得走20米直线（与直线另一端点之距离）在平地、草地、粗糙的草地的偏差分别为19.4cm、20.9cm、24.1cm。在平地、草地、粗糙的草地转弯90度的偏差分别为0.019π、0.023π、0.027π。由实验可知,该模型对机器人在草坪中的定位与控制是有效的。6制方法实现对实时性的要求本文基于合理的理论假设，分析了机器人运动模型，介绍基于单片机的轮式移动机器人运动控制的实现。这种机器人定位与控制方法的实现对全方位移动机器人有一定的普