羅亞輝, 蔣 蘋, 胡文武

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多傳感器融合定位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅亞輝, 蔣 蘋, 胡文武

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院, 湖南 長沙, 410128)

為實(shí)現(xiàn)水田作業(yè)機(jī)械的精確定位, 在慣性傳感器定位的基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了一套基于激光的多傳感器融合定位系統(tǒng). 該系統(tǒng)以激光、陀螺儀與編碼盤等傳感器模塊為硬件基礎(chǔ), 結(jié)合卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)了多傳感器的數(shù)據(jù)融合. 試驗(yàn)結(jié)果表明: 在50 m×50 m的測試范圍內(nèi), 靜態(tài)定位誤差小于10 cm, 系統(tǒng)定位可靠, 精度較高, 達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo).

慣性傳感器; 激光; 多傳感器融合; 定位; 控制系統(tǒng)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)以其科學(xué)的管理與高效的作業(yè)取得了對自然資源的最大節(jié)約和利用, 為更好的推行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè), 農(nóng)田作業(yè)機(jī)械正逐步向自動(dòng)化與智能化方向發(fā)展, 而農(nóng)田作業(yè)機(jī)械的自動(dòng)定位是現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的一個(gè)重要部分, 在國內(nèi)外各研究機(jī)構(gòu)均進(jìn)行了相關(guān)研究. 如美國Stanford大學(xué)的研究者對基于GPS導(dǎo)航的自動(dòng)控制系統(tǒng)開展了研究; 英國Silsoe研究所從農(nóng)作物保護(hù)的角度出發(fā), 建立了田間車輛的擴(kuò)展Kalman濾波器模型, 并對鋤草拖拉機(jī)進(jìn)行了自動(dòng)控制改裝后的田間實(shí)驗(yàn); 日本農(nóng)林水產(chǎn)省農(nóng)業(yè)中心研發(fā)了自動(dòng)導(dǎo)航的無人播種機(jī)和插秧機(jī). 在國內(nèi), 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究的谷物聯(lián)合收獲機(jī)智能測產(chǎn)系統(tǒng)采用了DGPS技術(shù)對測量點(diǎn)的位置坐標(biāo)進(jìn)行定位, 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的羅錫文教授等以智能移動(dòng)平臺(tái)為基礎(chǔ)研究了基于GPS 和電子羅盤的導(dǎo)航控制系統(tǒng); 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的沈明霞教授等對自主行走農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺導(dǎo)航信息處理技術(shù)進(jìn)行了研究[1-4]. 總體上看, 目前研究較多的定位技術(shù)為地磁定位、GPS定位以及視覺定位等, 且多數(shù)研究處于實(shí)驗(yàn)室階段, 需要進(jìn)行深入研究.

為探尋適于水田作業(yè)機(jī)械的定位裝置, 本文研究了一種基于激光的多傳感器融合定位控制系統(tǒng). 本控制系統(tǒng)融合了激光、陀螺儀與編碼盤等傳感器模塊, 安裝于自制的試驗(yàn)小車上進(jìn)行定位, 精度較高、穩(wěn)定性好、可移植性強(qiáng).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于激光的多傳感器融合定位控制系統(tǒng)主要由中央處理單元、傳感器檢測單元、通訊單片機(jī)、執(zhí)行單片機(jī)、執(zhí)行輸出單元與無線數(shù)傳單元等組成, 具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

為使系統(tǒng)能實(shí)時(shí)定位, 在設(shè)計(jì)中采用了三片單片機(jī), 即中央處理單元、通訊單片機(jī)與執(zhí)行單片機(jī), 其在工作時(shí)各有側(cè)重點(diǎn). 中央處理單元主要采集傳感器檢測單元所檢測到的位置、速度等相關(guān)數(shù)據(jù), 并進(jìn)行定位解算. 通訊單片機(jī)主要通過無線數(shù)傳單元進(jìn)行通訊; 執(zhí)行單片機(jī)主要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu), 使試驗(yàn)小車按規(guī)定的路線行駛, 由此可避免采用單個(gè)單片機(jī)而導(dǎo)致的運(yùn)算不及時(shí); 遙控單元主要是通過無線數(shù)傳模塊控制試驗(yàn)小車行駛, 以采集定位試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 中央處理單元

中央處理單元主要接收并處理傳感器檢測單元中的激光接收模塊、編碼盤模塊和陀螺儀模塊等傳感器采集的數(shù)據(jù)信息, 由此解算出試驗(yàn)小車當(dāng)前的位置坐標(biāo)信息及其運(yùn)行參數(shù), 并依據(jù)解算出的相關(guān)信息控制執(zhí)行單片機(jī), 使執(zhí)行輸出單元按要求控制試驗(yàn)小車行進(jìn). 同時(shí), 控制通訊單片機(jī)通過無線數(shù)傳模塊與激光發(fā)射部分進(jìn)行通訊, 以保證激光接收模塊能實(shí)時(shí)接收到激光信息. 中央處理單元電路原理如圖2所示.

圖2 中央處理單元電路原理

在設(shè)計(jì)中, 中央處理單元選用芯片STC12C5A60S2, 其中串口RXD和TXD通過Max232轉(zhuǎn)換后接DB9, 與計(jì)算機(jī)相連, 用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控與調(diào)試; 分時(shí)復(fù)用串口RXD2與TXD2中6腳、39腳經(jīng)Max232后接通訊單片機(jī)模塊, 42腳、43腳通過串口擴(kuò)展芯片CD4052擴(kuò)展后分別接各傳感器模塊與執(zhí)行模塊. 中央處理單元采用輪詢的方式采集各傳感器數(shù)據(jù)與執(zhí)行控制, 并與通訊單片機(jī)模塊進(jìn)行通訊, 采集激光發(fā)射部分的激光偏轉(zhuǎn)角度信息. 四個(gè)開關(guān)S1~S4分別用于直接控制試驗(yàn)小車的啟動(dòng)、停止、左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn), D1~D4為對應(yīng)的LED指示, LCD液晶顯示則用于顯示定位數(shù)據(jù).

2.2 傳感器檢測單元

傳感器檢測單元包括激光接收模塊、編碼盤模塊和陀螺儀模塊等, 因中央處理單元串口數(shù)量限制, 在設(shè)計(jì)中采用串口擴(kuò)展芯片CD4052擴(kuò)展. 其電路原理如圖3所示.

圖3 傳感器檢測單元電路原理

陀螺儀模塊選用音叉式微機(jī)械陀螺儀EWTS86進(jìn)行角速度測量, 并利用積分原理將角速度轉(zhuǎn)換成角度值, 在相對角度測量過程中有較高的精度. 編碼盤模塊采用自制的磁電式編碼盤, 為了以較高的精度采集編碼測距信號, 在試驗(yàn)小車的兩個(gè)后輪上均安裝上自制的編碼盤, 編碼盤材料為有機(jī)玻璃, 其上均勻安裝磁釘作為信標(biāo), 便于磁感應(yīng)傳感器在試驗(yàn)小車行駛時(shí)采集脈沖信號. 磁感應(yīng)傳感器的輸出為高低電平信號, 可直接輸入單片機(jī)I/O口進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù), 用于測量其行走距離. 編碼測距盤結(jié)構(gòu)如圖4所示. 圖5為編碼盤安裝在試驗(yàn)小車上的實(shí)物圖. 結(jié)合陀螺儀模塊與編碼盤模塊可對試驗(yàn)小車進(jìn)行相對定位. 激光接收模塊則采用激光測距原理, 在接收到激光發(fā)射模塊發(fā)射的激光信息時(shí), 根據(jù)采集的信息進(jìn)行絕對定位, 提高定位精度.

圖4 編碼測距盤結(jié)構(gòu)

圖5 編碼測距盤實(shí)物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于陀螺儀存在漂移誤差, 編碼盤工作過程中也存在隨機(jī)誤差, 且其誤差將隨時(shí)間累計(jì)而越來越大. 為消除累積誤差的影響, 提高定位精度, 并滿足試驗(yàn)小車實(shí)時(shí)定位的要求, 系統(tǒng)采用了卡爾曼濾波算法來對激光、陀螺儀與編碼盤得數(shù)據(jù)進(jìn)行融合. 卡爾曼濾波算法是一種遞推線性最小均方誤差估計(jì)技術(shù), 在前一時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值的基礎(chǔ)上, 根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻得到的測量值, 遞推得到當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值, 其計(jì)算量小、速度快, 在實(shí)時(shí)性要求比較高的場合非常適用[5-8].

在設(shè)計(jì)中, 中央處理單元需對所采集的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理, 然后根據(jù)融合的數(shù)據(jù)對試驗(yàn)小車進(jìn)行位置定位, 并確定其實(shí)時(shí)坐標(biāo). 定位數(shù)據(jù)獲得的程序流程如圖6所示.

圖6 定位數(shù)據(jù)獲取流程

系統(tǒng)啟動(dòng)之后, 整個(gè)系統(tǒng)開始進(jìn)行各個(gè)功能模塊的初始化操作, 包括激光定位系統(tǒng)、編碼盤模塊、陀螺儀模塊以及處理器內(nèi)部的各個(gè)資源模塊等, 讓各個(gè)模塊保持隨時(shí)待命的狀態(tài). 系統(tǒng)初始化后, 中央處理單元對各傳感器模塊進(jìn)行掃描并采集數(shù)據(jù), 首先采集激光定位系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)并計(jì)算出定位坐標(biāo); 然后采集后輪上編碼盤數(shù)據(jù)以計(jì)算當(dāng)前的小車行駛路程和當(dāng)前車速并保存數(shù)據(jù), 之后再采集慣性傳感器陀螺儀的數(shù)據(jù)來計(jì)算當(dāng)前小車運(yùn)動(dòng)的角速度和角加速度等參數(shù). 在將所有數(shù)據(jù)都采集后, 再根據(jù)卡爾曼濾波理論, 將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理. 該設(shè)計(jì)方案獲取的定位數(shù)據(jù)可靠性好、精度高.

4 結(jié)論

為測試定位系統(tǒng)的精度與可靠性, 使用遙控器控制試驗(yàn)小車運(yùn)行進(jìn)行定位試驗(yàn), 在50 m×50 m的測試范圍內(nèi), 靜態(tài)定位誤差小于10 cm, 具有較高的定位精度, 能滿足定位工作要求.

[1] 羅亞輝, 蔣蘋, 胡文武. 基于多傳感器融合的水田耕作機(jī)械定位系統(tǒng).農(nóng)機(jī)化研究, 2010, 32(4): 151-154, 185.

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The design of multi-sensor fusion location controlling system

LUO Ya-hui , JIANG Ping, HU Wen-wu

(College of Engineering, Hunan Agricultral University, Changsha 410128, China)

To realize the precise location of muddy field working machine, a multi-sensor fusion location controlling system based on laser was designed on the base of inertial sensor location. The system which based on laser, gyroscope and encoder has realized the multi-sensor fusion with the combination of Kalman filtering algorithm. The result shows that the error of static location is less than 10 cm in the measurement of 50 m×50 m.The system has achieved the expected target with such reliable location and high precision.

inertial sensors; laser; multi-sensor fusion; location; controlling system

S 24

1672-6146(2012)01-0042-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.01.012

2012-03-16

湖南省自然科學(xué)基金(09JJ6091); 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校青年基金(09QN20)

羅亞輝(1981-), 女, 講師, 碩士, 研究方向: 農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化. E-mail: hui_afangluo@yahoo.com.cn

蔣蘋(1971-), 男, 教授, 碩士生導(dǎo)師, 主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械智能控制方面的研究. E-mail: teacher_jp@163.com

(責(zé)任編校:劉剛毅)