韓濤國(guó)， 谷志新*， 涂文宇， 車 玉， 范 濤

(1.東北林業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展及人民生活水平的提高，對(duì)溫室的生產(chǎn)需求逐年上升。而我國(guó)溫室技術(shù)整體水平較低，種植者如果擁有一款智能設(shè)備，就能有效降低溫室作業(yè)的人力成本，提高生產(chǎn)效率，減少監(jiān)控難度。

曹起武[1]提出了一種農(nóng)業(yè)機(jī)器人，可以實(shí)時(shí)收集環(huán)境信息并傳輸給云平臺(tái)，借助云計(jì)算平臺(tái)調(diào)用螞蟻算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行進(jìn)路徑的規(guī)劃和實(shí)時(shí)定位，大大提升了計(jì)算效率。圣地亞哥大學(xué)的烏雷亞[2]通過(guò)云服務(wù)器計(jì)算并控制不同機(jī)器人來(lái)完成既定協(xié)作任務(wù)。此外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的秦琳琳等[3-5]提出了一種基于灰色預(yù)測(cè)模型的溫室溫濕度系統(tǒng)建模與預(yù)測(cè)控制方法，采用遺忘因子遞推最小二乘法辨識(shí)子系統(tǒng)模型參數(shù)，建立溫室溫度系統(tǒng)模型，將系統(tǒng)預(yù)測(cè)問(wèn)題描述為混合整數(shù)二次規(guī)劃問(wèn)題，有效預(yù)測(cè)和控制了溫濕度變化。

基于以上研究本文提出一種溫室巡檢機(jī)器人，其采用STM32芯片為主控制單元，以可移動(dòng)機(jī)器人為載體，由攝像機(jī)、紅外成像儀、環(huán)境檢測(cè)傳感器等設(shè)備組成，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)-電磁場(chǎng)-GPS-GIS 的多場(chǎng)信息融合指導(dǎo)機(jī)器人自主移動(dòng)和巡檢。通過(guò)自適應(yīng)魯棒PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定軌跡的跟蹤。借助一些特定傳感器來(lái)識(shí)別和規(guī)劃路線，在溫室中完成特定的檢查任務(wù)。溫室內(nèi)還建立了通信系統(tǒng)可無(wú)線上傳溫室圖像及溫濕度等數(shù)據(jù)至云服務(wù)器儲(chǔ)存區(qū)。云服務(wù)器則根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模和計(jì)算，建立灰色預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)分析溫室環(huán)境變化，并設(shè)計(jì)了微信程序以供檢測(cè)人員通過(guò)微信實(shí)時(shí)方便地監(jiān)測(cè)溫室大棚的變化[6-11]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人硬件系統(tǒng)分為七大模塊，分別是STM32 主控模塊、電源模塊、巡線模塊、外圍電路模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、攝像模塊、通信模塊。

整個(gè)巡檢機(jī)器人要能穩(wěn)定完成巡檢任務(wù)，實(shí)時(shí)傳送圖像及溫室數(shù)據(jù)，傳感器的選擇尤為重要。為了適應(yīng)全國(guó)各地環(huán)境，選擇 DHT11 溫濕度傳感器，濕度測(cè)量范圍可達(dá) 20%～95%，溫度測(cè)量范圍可達(dá) 0～50 ℃，且溫濕度測(cè)量誤差均在5%以內(nèi)。選擇 TS832S 視頻圖傳模組來(lái)傳遞圖像，該圖傳模組具有體積小、質(zhì)量輕適合巡檢機(jī)器人攜帶等優(yōu)點(diǎn)。傳感器實(shí)物圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)軟件程序主要工作包括以下幾方面：系統(tǒng)初始化、自主尋跡、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)程序的編寫(xiě)及調(diào)試在 Keil 開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成。

2.1 尋跡程序設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人的尋跡程序設(shè)計(jì)是機(jī)器人能夠自主穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，其包括機(jī)器人位置計(jì)算、轉(zhuǎn)向控制和速度控制。

(1)位置計(jì)算。巡檢機(jī)器人偏離引導(dǎo)線的位置由兩個(gè)水平電感來(lái)確定，當(dāng)電感距離電磁線越近時(shí)電感值越大，反之越小。統(tǒng)計(jì)偏離引導(dǎo)線不同距離得到的不同電感值再經(jīng)由MATLAB數(shù)據(jù)擬合，電感值與偏離引導(dǎo)線距離關(guān)系如圖2所示。

圖1 傳感器實(shí)物圖

圖2 電感值與偏離引導(dǎo)線距離的關(guān)系

由擬合曲線可知，電感值與實(shí)際偏差有較好的線性度，實(shí)際偏差位置可由確定一定系數(shù)后通過(guò)差比和算法求出。

(2)轉(zhuǎn)向控制。為使巡檢機(jī)器人穩(wěn)定適速運(yùn)行，需要有高效穩(wěn)定的控制算法對(duì)機(jī)器人轉(zhuǎn)向進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。本設(shè)計(jì)采用魯棒性較好的經(jīng)典PID控制算法，通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)調(diào)試來(lái)補(bǔ)償，盡量減少各種外界因素對(duì)機(jī)器人運(yùn)行的影響。

(3)速度控制。為使農(nóng)業(yè)巡檢機(jī)器人能夠順利運(yùn)行在土壤環(huán)境或有坡度的路段，需對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)以使電機(jī)產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)力，因此需要檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)行速度。選擇霍爾編碼器。程序控制中通過(guò)測(cè)量一個(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)便可推算出運(yùn)行速度。溫室巡檢機(jī)器人行動(dòng)時(shí)全程保證勻速，采用增量式 PI 算法來(lái)閉環(huán)電機(jī)速度控制。

2.2 云服務(wù)器與微信程序架構(gòu)

微信服務(wù)器不能直接和 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)或者 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，因此給 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)和微信服務(wù)器間引進(jìn)媒介——云服務(wù)器。云服務(wù)器主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)接收并存儲(chǔ) Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)、與微信服務(wù)器通訊兩部分功能。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

(1)云服務(wù)器與微信服務(wù)器通信。云服務(wù)器與微信服務(wù)器進(jìn)行通信共有兩種情況：建立連接和獲取數(shù)據(jù)。建立云服務(wù)器和微信服務(wù)器，對(duì)二者進(jìn)行配置，設(shè)置云服務(wù)器為微信服務(wù)器提供接口信息，讓二者可以建立連接。之后微信終端可以通過(guò)微信服務(wù)器向云服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求來(lái)獲取數(shù)據(jù)。

(2)云服務(wù)器計(jì)算。云服務(wù)器收到不同消息類型和消息內(nèi)容后會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)。例如對(duì)近期的土壤濕度、溫度，CO2濃度等數(shù)據(jù)建立灰色模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度及二氧化碳濃度等進(jìn)行較為精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)。

3 灰色系統(tǒng)建模

灰色系統(tǒng)建模通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的灰色處理，用“生成”的方法將原始數(shù)據(jù)求得規(guī)律性顯現(xiàn)的新數(shù)據(jù)得到具有灰指規(guī)律的新數(shù)列，而其指數(shù)增長(zhǎng)的特點(diǎn)符合微分方程解的特征，所以可通過(guò)建立微分方程建模。其建模步驟如下：

假設(shè)原始數(shù)據(jù)為：

x0=x01，x02…，x0n，# AUTONUM〗*Arabic

對(duì)x(0)進(jìn)行AGD運(yùn)算，使之構(gòu)成累加數(shù)列，對(duì)生成數(shù)列，建立相應(yīng)的白化微分方程：

dx1dt+ax1=b，# AUTONUM〗*Arabic

求解得a與b即獲取灰色趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型為：

x1k+1=x01-bae-ak+ba，# AUTONUM〗*Arabic

將計(jì)算得到的x1(k+1)做累減還原得到原始數(shù)據(jù)：

x0k+1=x1k+1-x1k+1，# AUTONUM〗*Arabic

對(duì)于灰色趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，要對(duì)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度做檢驗(yàn)，這里選擇后驗(yàn)差檢驗(yàn)：

c=S1S2，# AUTONUM〗*Arabic

P=Pq0k-q<0.6745S2，# AUTONUM〗*Arabic

c和P是預(yù)測(cè)效果的 2 個(gè)重要指標(biāo)，c值越小越好，p值越大越好。c<0.35，P>0.95良好。

本文以溫室溫度數(shù)據(jù)分析，圍繞溫室溫度進(jìn)行分析研究。采集 8個(gè)原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，并建立灰色趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，首先采集溫度的數(shù)據(jù)值，采集的時(shí)間間隔取 10 s，溫室溫度實(shí)測(cè)值與灰色趨勢(shì)預(yù)測(cè)值的曲線如圖4所示。

表1 溫度實(shí)測(cè)值及預(yù)測(cè)值

圖4 溫室溫度實(shí)測(cè)值與灰色趨勢(shì)預(yù)測(cè)值曲線圖

針對(duì)溫室溫度建立灰色趨勢(shì)預(yù) 測(cè)模型，可得實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值殘差為 0.051 6，平均相對(duì)誤差為 0.319 8%，由實(shí)證分析可以看出灰色趨勢(shì)預(yù)測(cè)算法可有效的預(yù)測(cè)溫室溫度參數(shù)的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)，采用STM32F429IGT6作為主控芯片，通過(guò)電磁導(dǎo)線進(jìn)行巡檢。

(2)建立了云系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了連接云服務(wù)器的微信服務(wù)器供種植者實(shí)時(shí)查看溫室情況。

(3)采用云計(jì)算平臺(tái)對(duì)溫室數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并建立灰色預(yù)測(cè)模型，試驗(yàn)證明該模型相對(duì)誤差僅0.319 8%能有效預(yù)測(cè)溫室環(huán)境變化趨勢(shì)。