李偉，楊術(shù)明，李茂強(qiáng)，王乾

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

寧夏是釀酒葡萄的最佳產(chǎn)區(qū)之一，賀蘭山東麓釀酒葡萄種植面積約3.53萬hm2，且種植面積逐年擴(kuò)大，年產(chǎn)量20萬t，綜合產(chǎn)值達(dá)166億元[1].寧夏釀酒葡萄種植面積約占全國種植面積的四分之一[2]，釀酒葡萄的園間管理包含起藤、打藥、除草、剪枝、灌溉、埋藤等生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，但隨著釀酒葡萄種植面積的逐漸擴(kuò)大，與其生產(chǎn)配套的自動化生產(chǎn)設(shè)備卻相對滯后[3]，一定程度制約了釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.為了推動寧夏釀酒葡萄作業(yè)裝備的發(fā)展，研究寧夏釀酒葡萄園環(huán)境下的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，對于實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄場景下智能化作業(yè)具有重要意義.

農(nóng)業(yè)環(huán)境下的自動導(dǎo)航是智能農(nóng)業(yè)方面的重要研究內(nèi)容，現(xiàn)有的自動導(dǎo)航技術(shù)主要通過衛(wèi)星導(dǎo)航、激光雷達(dá)導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航等實(shí)現(xiàn)[4].Diego等基于RGB-D攝像頭和深度學(xué)習(xí)，研究了葡萄園自動導(dǎo)航運(yùn)動規(guī)劃器[5].Guy等[6]研究了用于葡萄園噴霧機(jī)器人的定位和導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合算法.Backman等[7]研究了一種農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，通過二維激光雷達(dá)提取導(dǎo)航跟蹤線，采用GPS和慣性測量單元識別機(jī)具的前進(jìn)方位.謝永良等[8]應(yīng)用滾動優(yōu)化原理，以AGV偏差作為輸入獲得前輪期望導(dǎo)向角，提出輪式AGV沿葡萄園防碰撞避障算法.宋廣虎等[9]基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型分割葡萄園前景，優(yōu)化葡萄園行間路徑檢測，提取導(dǎo)航基準(zhǔn)線.楊舜禾等[10]基于GPS和激光雷達(dá)研究出一套葡萄園拖拉機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠較為快速的修正導(dǎo)航橫向偏差.

現(xiàn)有的導(dǎo)航技術(shù)對葡萄園生產(chǎn)作業(yè)適應(yīng)性不強(qiáng)，由于葡萄生產(chǎn)伴隨起藤和埋藤等復(fù)雜作業(yè)，對路面平整性破壞較大，容易造成機(jī)具作業(yè)的橫向偏差，同時(shí)葡萄園各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的精細(xì)化操作又需要快速修正橫向偏差，避免碰撞籬架.針對此類問題，研究葡萄園履帶式移動平臺自動導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠快速修正環(huán)境造成的橫向偏差，沿著規(guī)劃路徑實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航，解決目前葡萄生產(chǎn)作業(yè)的導(dǎo)航需求，促進(jìn)葡萄產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展.

1 材料與方法

1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

寧夏的葡萄多為籬架種植模式，籬架高約1.8 m，每行寬約3 m，葡萄藤依附于籬架生長，移動平臺在兩行籬架間進(jìn)行作業(yè).采用全局導(dǎo)航方式，確定葡萄園內(nèi)的導(dǎo)航起點(diǎn)A及導(dǎo)航終點(diǎn)B，且規(guī)定葡萄園內(nèi)主要路線的選擇，將導(dǎo)航起點(diǎn)A、主要路線和導(dǎo)航終點(diǎn)B的路徑作為自動導(dǎo)航的基準(zhǔn)線，導(dǎo)航基準(zhǔn)線示意如圖1所示.

圖1 導(dǎo)航基準(zhǔn)線示意圖

根據(jù)葡萄園導(dǎo)航作業(yè)需求，將自動導(dǎo)航系統(tǒng)從宏觀上分為環(huán)境感知層、決策控制層和運(yùn)動執(zhí)行層，環(huán)境感知層進(jìn)行對外界環(huán)境信息的感知，決策控制層對獲取到的環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃的決策，控制運(yùn)動執(zhí)行層實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航運(yùn)動，移動平臺導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案如圖2所示.

圖2 導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案

1.2 導(dǎo)航系統(tǒng)硬件選型

根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案對硬件進(jìn)行選型，履帶式移動平臺整車分為機(jī)械部分和電氣部分，機(jī)械部分由底盤部分和載體部分組成，電氣部分由電源部分和電路部分組成，履帶式移動平臺總體組成如圖3所示.

圖3 履帶式移動平臺總體組成

移動平臺采用兩種控制模式，分別是自動導(dǎo)航模式和手動控制模式，2種控制模式可互相切換[11].葡萄園籬架種植模式呈行狀態(tài)，且葡萄園道路坑泥低洼、高低起伏，結(jié)合作業(yè)的工作強(qiáng)度及環(huán)境條件，移動平臺性能參數(shù)如表1所示.

表1 移動平臺性能參數(shù)

1.3 環(huán)境感知層研究

1.3.1 數(shù)據(jù)獲取 環(huán)境感知是導(dǎo)航系統(tǒng)研究的前提，分析導(dǎo)航傳感器特性，選取激光雷達(dá)作為導(dǎo)航系統(tǒng)的環(huán)境感知傳感器.激光雷達(dá)傳感器為自動導(dǎo)航系統(tǒng)提供環(huán)境信息，如今激光雷達(dá)可以在葡萄園內(nèi)大范圍的靜態(tài)環(huán)境下做到同步定位與地圖構(gòu)建，圍繞導(dǎo)航系統(tǒng)的建圖與定位展開研究，激光雷達(dá)掃描環(huán)境示意如圖4所示.

圖4 激光雷達(dá)掃描環(huán)境示意圖

1.3.2 同步定位與地圖構(gòu)建 導(dǎo)航系統(tǒng)訂閱多傳感器信息并發(fā)布地圖和位置信息，配置成對應(yīng)的工作模式則調(diào)用Cartographer核心算法[12]，葡萄園建圖與定位算法框圖如圖5所示.三維激光雷達(dá)掃描的一系列的子圖構(gòu)成了葡萄園地圖，通過回環(huán)檢測來減少長時(shí)間累積的誤差，全局優(yōu)化構(gòu)建葡萄園地圖[13]，其中葡萄園導(dǎo)航地圖中白色區(qū)域?yàn)楣ぷ鲄^(qū)域，黑色區(qū)域?yàn)槠咸鸦h架區(qū)域，而灰色區(qū)域是未探測區(qū)域.

圖5 建圖與定位算法框圖

二維激光雷達(dá)通過感知道路信息，從而確定自身位置.激光雷達(dá)擬合籬架如圖6所示，建立移動平臺的動態(tài)坐標(biāo)系OXY，其中點(diǎn)(XL,YL)和點(diǎn)(XR,YR)表示擬合直線與籬架的交點(diǎn)，lL和lR表示葡萄園擬合的左右兩側(cè)種植行邊界線.激光雷達(dá)與左右籬架擬合越好，則表明定位越好，為了獲取準(zhǔn)確位置信息，需要估計(jì)移動平臺的位置和姿態(tài)，通過不斷地運(yùn)動和測量，逐漸降低自身位置的不確定性[14]，獲取移動平臺所處葡萄園環(huán)境中的準(zhǔn)確位姿信息，保證環(huán)境感知層穩(wěn)定且可靠.

圖6 激光雷達(dá)擬合籬架示意圖

1.4 決策控制層研究

決策控制層是導(dǎo)航系統(tǒng)研究的核心，在此基礎(chǔ)上，決策控制層將獲取到的環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃.導(dǎo)航路徑規(guī)劃主要有兩個(gè)層次的模塊組成，分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃將導(dǎo)航路徑直接規(guī)劃至終點(diǎn)，局部路徑規(guī)劃跟隨全局路徑并對遇到的障礙實(shí)時(shí)進(jìn)行規(guī)避，這兩個(gè)模塊組成了葡萄園作業(yè)的路徑規(guī)劃部分.

1.4.1 全局路徑規(guī)劃 全局路徑規(guī)劃采用圖搜索的方法，引入了圖的概念可以很好的計(jì)算葡萄園地圖中導(dǎo)航點(diǎn)之間的路徑規(guī)劃問題[15]，生成一條從起點(diǎn)A到終點(diǎn)B的葡萄園全局路徑.全局路徑規(guī)劃的本質(zhì)上是一種貪心算法，通過二維激光雷達(dá)感知葡萄園環(huán)境信息，在已知環(huán)境中使用迪杰斯特拉算法進(jìn)行全局路徑規(guī)劃[16]，確定葡萄園2個(gè)基本要素，分別是頂點(diǎn)a和邊s，用V來保存導(dǎo)航起點(diǎn)A到各個(gè)路口區(qū)域轉(zhuǎn)向點(diǎn)的最短距離，用數(shù)學(xué)語言描述G為：

G=(V，E)

(1)

假定葡萄園籬架和藤為直線且平行等長，若對于導(dǎo)航起點(diǎn)A存在能直接到達(dá)的邊s，則把其納入數(shù)組S中，同時(shí)把其余所有移動平臺不能直接到達(dá)的路徑長度假設(shè)為無窮遠(yuǎn).通過算法的每一次迭代，直到路徑中包含了地圖中所有頂點(diǎn)，且抵達(dá)了導(dǎo)航終點(diǎn)B，這樣所有到達(dá)的邊就組成了導(dǎo)航的全局路徑.

1.4.2 局部路徑規(guī)劃 在全局路徑規(guī)劃把移動平臺拉向?qū)Ш侥繕?biāo)終點(diǎn)時(shí)，局部路徑規(guī)劃則實(shí)時(shí)根據(jù)路況施力進(jìn)行避障.局部路徑規(guī)劃引入TEB算法，施加外力改變局部路徑以實(shí)時(shí)規(guī)避障礙[17]，局部路徑規(guī)劃示意如圖7所示.

圖7 局部路徑規(guī)劃示意圖

局部路徑約束的2個(gè)目標(biāo)分別為跟隨已知全局路徑和根據(jù)實(shí)時(shí)路況進(jìn)行避障[18]，這種約束使得移動平臺以若干弧段組成的平滑的軌跡運(yùn)動.定義移動平臺的橫縱位置和姿態(tài)，則空間內(nèi)序列為：

Q={xi}i=-0,1,…,nn∈N

(2)

移動平臺運(yùn)動時(shí)兩個(gè)位姿間的時(shí)間間隔定義為ΔTi，來表示移動平臺由一個(gè)狀態(tài)運(yùn)動到下一個(gè)狀態(tài)所需時(shí)間，則時(shí)間序列為：

τ={ΔTi}i=0,1,2,…,n-1

(3)

移動平臺在平面運(yùn)動具有三個(gè)自由度，將位姿及時(shí)間序列合并后，通過加權(quán)多目標(biāo)優(yōu)化獲取最優(yōu)的路徑點(diǎn)，結(jié)合導(dǎo)航全局路徑，實(shí)時(shí)規(guī)劃出一條無碰撞的葡萄園局部最優(yōu)路徑，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航作業(yè)的路徑規(guī)劃.

1.5 運(yùn)動執(zhí)行層研究

運(yùn)動執(zhí)行層是導(dǎo)航系統(tǒng)研究的關(guān)鍵，控制移動平臺跟蹤規(guī)劃的路徑，實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航運(yùn)動.根據(jù)葡萄種植模式，分析移動平臺的運(yùn)動狀態(tài)，建立移動平臺運(yùn)動學(xué)模型，研究導(dǎo)航系統(tǒng)轉(zhuǎn)向控制算法.

1.5.1 建立運(yùn)動學(xué)模型 為了更好地適應(yīng)葡萄園作業(yè)環(huán)境，移動平臺選取履帶式運(yùn)動方式，分析移動平臺的運(yùn)動狀態(tài)，從幾何學(xué)角度考慮移動平臺的運(yùn)動規(guī)律，使其在導(dǎo)航過程中滿足幾何約束.移動平臺采取左右履帶輪差速運(yùn)動方式，在此基礎(chǔ)上，基于移動平臺的運(yùn)動學(xué)特性建立了相關(guān)運(yùn)動學(xué)模型[19]，運(yùn)動學(xué)模型及轉(zhuǎn)向示意圖如圖8所示.

圖8 運(yùn)動學(xué)模型及轉(zhuǎn)向示意圖

坐標(biāo)系OXY表示慣性坐標(biāo)系，點(diǎn)C(x，y)表示移動平臺的中心點(diǎn)坐標(biāo)，θ表示移動平臺的行駛方位角，移動平臺左右履帶的速度分別表示為VL和VR，左右履帶轉(zhuǎn)動角速度分別用ωL和ωR表示，移動平臺運(yùn)動狀態(tài)可用Xt表示：

Xt=[xt,yt,θt]T

(4)

通過運(yùn)動學(xué)分析，假定移動平臺驅(qū)動履帶與地面接觸運(yùn)動為純滾動無滑動，也沒有側(cè)移情況下，移動平臺的運(yùn)動學(xué)模型可以表示為：

(5)

對移動平臺的行駛過程中的轉(zhuǎn)向模型進(jìn)行簡化，分析建立移動平臺轉(zhuǎn)向示意圖，θτ表示平臺行駛方位角，Φ表示平臺中心點(diǎn)轉(zhuǎn)向夾角，通過控制左右履帶輪的速度實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航運(yùn)動的轉(zhuǎn)向.

1.5.2 運(yùn)動狀態(tài)分析 移動平臺采用差速驅(qū)動方式，由于左右履帶輪速度VL和VR存在速度差關(guān)系，通過控制左右履帶輪的驅(qū)動速度，可以實(shí)現(xiàn)移動平臺不同的運(yùn)動狀態(tài)，所以移動平臺具有不同的運(yùn)動狀態(tài).當(dāng)左右履帶輪分別以VL>VR、VL=VR和VL=-VR的速度運(yùn)動時(shí)，移動平臺可以實(shí)現(xiàn)曲線運(yùn)動、直線運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，為導(dǎo)航系統(tǒng)提供了轉(zhuǎn)向運(yùn)動基礎(chǔ)，移動平臺運(yùn)動狀態(tài)如圖9所示.

圖9 移動平臺運(yùn)動狀態(tài)圖

1.5.3 轉(zhuǎn)向控制設(shè)計(jì) 移動平臺轉(zhuǎn)向的被控對象是所分析的左右履帶輪，為了更一般的描述平臺運(yùn)動，直觀的控制量是運(yùn)動學(xué)建模中的左右履帶輪速度.轉(zhuǎn)向控制采用比例積分微分控制(PID)的方式[20]，控制系統(tǒng)主要由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象等組成，運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制框圖如圖10所示.導(dǎo)航系統(tǒng)控制決策給定速度信息，由左右電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)移動平臺的轉(zhuǎn)向運(yùn)動，編碼器反饋實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的閉環(huán)控制，以此來控制跟蹤導(dǎo)航路徑線.

圖10 運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制框圖

控制移動平臺由當(dāng)前點(diǎn)導(dǎo)航到指定目標(biāo)點(diǎn)，其核心是令移動平臺在控制器作用下，持續(xù)地沿規(guī)劃路徑朝向?qū)Ш侥繕?biāo)點(diǎn)運(yùn)動，這樣可實(shí)現(xiàn)葡萄園導(dǎo)航至目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動控制過程，移動平臺導(dǎo)航運(yùn)動示意如圖11所示.

圖11 導(dǎo)航運(yùn)動示意圖

2 結(jié)果與分析

圍繞導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究，為驗(yàn)證導(dǎo)航系統(tǒng)的可行性，開展葡萄園環(huán)境下履帶式移動平臺自動導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)，選取寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄種植基地作為試驗(yàn)場地，試驗(yàn)地點(diǎn)環(huán)境如圖12所示.

圖12 試驗(yàn)地點(diǎn)環(huán)境圖

葡萄園行間距約為3 m，葡萄藤高約為1.8 m，葡萄園路口寬約5 m.移動平臺初始航向與葡萄種植方向偏差不應(yīng)大于45°，試驗(yàn)預(yù)先規(guī)定移動平臺位于導(dǎo)航線的右側(cè)時(shí)橫向偏差為正，左側(cè)時(shí)為負(fù).開展履帶式移動平臺自動導(dǎo)航系統(tǒng)性能試驗(yàn)，葡萄園導(dǎo)航試驗(yàn)如圖13所示.

圖13 葡萄園導(dǎo)航試驗(yàn)

根據(jù)葡萄園機(jī)具生產(chǎn)作業(yè)的速度，試驗(yàn)選取以0.5 m/s速度和1 m/s速度下的導(dǎo)航效果.記錄導(dǎo)航橫向偏差數(shù)據(jù)，根據(jù)葡萄園導(dǎo)航試驗(yàn)橫向偏差數(shù)據(jù)，導(dǎo)航試驗(yàn)橫向偏差如圖14所示.

A：以0.5 m/s速度下導(dǎo)航橫向偏差圖；B：以1 m/s速度下導(dǎo)航橫向偏差圖；C：以0.5 m/s速度下導(dǎo)航橫向偏差圖；D：以1 m/s速度下導(dǎo)航橫向偏差圖.

導(dǎo)航橫向偏差控制在10 cm范圍內(nèi)具有一定的可行性，由試驗(yàn)橫向偏差圖可知，移動平臺分別以0.5 m/s和1 m/s的速度試導(dǎo)航時(shí)，導(dǎo)航初始位置與與中心路徑存在一定偏差，但在行駛約10 m后，消除橫向偏差駛?cè)雽?dǎo)航中心路徑，并且當(dāng)移動平臺遇到坑洼地勢偏離預(yù)定路徑時(shí)，能夠消除橫向偏差駛?cè)雽?dǎo)航中心路徑.

分析導(dǎo)航試驗(yàn)橫向偏差數(shù)據(jù)，移動平臺分別以0.5 m/s和1 m/s速度導(dǎo)航時(shí)，平均橫向偏差分別為3.4 cm和3.6 cm，最大橫向偏差分別為9.1 cm和9.8 cm，均方差分別為4.2 cm和4.2 cm，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示.

表2 導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)橫線偏差統(tǒng)計(jì)

3 討論與結(jié)論

為了更好地實(shí)現(xiàn)葡萄園環(huán)境下作業(yè)的自動導(dǎo)航，解決復(fù)雜地形造成導(dǎo)航偏離路徑后能快速修正偏差，以免碰撞籬架等問題.以履帶式移動平臺導(dǎo)航控制為研究對象，研究了一套葡萄園自動導(dǎo)航系統(tǒng)，通過葡萄園導(dǎo)航試驗(yàn)，認(rèn)為該自動導(dǎo)航系統(tǒng)能夠較快的修正導(dǎo)航橫向偏差，實(shí)現(xiàn)葡萄園內(nèi)自動導(dǎo)航系統(tǒng)路徑規(guī)劃及轉(zhuǎn)向控制，具有一定的可行性.

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，移動平臺分別以0.5 m/s和1 m/s速度導(dǎo)航時(shí)，導(dǎo)航平均橫向偏差分別為3.4 cm和3.6 cm，最大橫向偏差分別為9.1 cm和9.8 cm，均方差分別為4.2 cm和4.2 cm.導(dǎo)航橫向偏差控制在合理范圍內(nèi)，當(dāng)移動平臺遇到坑洼地形出現(xiàn)較大的位置偏差時(shí)，導(dǎo)航控制系統(tǒng)能較為快速、準(zhǔn)確地修正橫向偏差，使移動平臺駛?cè)胫行穆窂?

圍繞自動導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行研究，目前雖取得一定程度上成果，但分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，導(dǎo)航的最大橫向偏差主要出現(xiàn)在速度較高的情況下.為了確保導(dǎo)航系統(tǒng)在葡萄園環(huán)境下具有更好的準(zhǔn)確定及穩(wěn)定性，保證導(dǎo)航路徑與中心線擬合更優(yōu)，本文后續(xù)將對平臺的導(dǎo)航控制算法進(jìn)行優(yōu)化研究，提高移動平臺路徑擬合性及運(yùn)行穩(wěn)定性，以更好地適應(yīng)葡萄園自動導(dǎo)航作業(yè)需求.