汪小旵 李澤晟 陳彥宇 黃薛凱 張曉蕾

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 南京 210031; 2.江蘇省現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備實驗室, 南京 210031)

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展,通過機(jī)器人進(jìn)行農(nóng)田信息的快速采集,已逐漸成為農(nóng)業(yè)信息采集的一種重要的途徑。機(jī)器人實時采集不同位置上的多種農(nóng)業(yè)信息,包括作物表型信息、高光譜信息、病蟲害情況、土壤含水率、土壤電導(dǎo)率、pH值等,可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策提供依據(jù)[1]。

國外對于農(nóng)田信息采集機(jī)器人相關(guān)研究展開較早,NAGASAKA等[2]開發(fā)農(nóng)田自動采集信息機(jī)器人(Watching-dog robot),可以尋找并定位病弱作物或者雜草,但是使用的SICK激光測量系統(tǒng)受作物葉片遮擋嚴(yán)重,且運行速度只有0.14 m/s;BAK等[3]研制農(nóng)田信息采集機(jī)器人用于繪制雜草種群,采用4個相同的車輪模塊允許四輪轉(zhuǎn)向和平行推進(jìn),但是其動力性不足,環(huán)境適應(yīng)能力差;GODOY等[4]設(shè)計了多功能的信息采集移動平臺,該移動平臺由無刷電機(jī)驅(qū)動,但其轉(zhuǎn)向則由安裝在車輪頂部的轉(zhuǎn)向齒條帶動,制造成本很高且需要定時潤滑。國內(nèi)劉英旋等[5]設(shè)計了輪式的小型農(nóng)田信息采集機(jī)器人,采集信息種類較全,但在實際的農(nóng)田工作中會受到障礙物、起伏地形、作物遮擋等眾多因素的影響,通過性與適應(yīng)性較差。姚照勝等[6]設(shè)計一種基于手機(jī)客戶端操作的農(nóng)田信息智能采集車。胡娜等[7-10]設(shè)計一種高度可調(diào)的農(nóng)田信息采集機(jī)器人,高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與前后輪距相關(guān)聯(lián)。

以上的農(nóng)田信息采集機(jī)器人大多應(yīng)用于旱地作物,且壟寬和高度不可調(diào),而在長江中下游地區(qū)廣泛實行稻麥二季,水旱輪作,因此,需設(shè)計一種輪距可調(diào)、高度可調(diào)的高地隙信息采集機(jī)器人,既能滿足水田和旱地行走,又能調(diào)整輪距和高度,以適應(yīng)不同的農(nóng)藝條件。本文設(shè)計一種地隙與輪距可調(diào)的四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向的農(nóng)田信息采集機(jī)器人,分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計思路與重要硬件選型依據(jù);設(shè)計基于GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))和INS(慣性導(dǎo)航系統(tǒng))信息融合的機(jī)器人路徑跟蹤與導(dǎo)航控制系統(tǒng);進(jìn)行性能指標(biāo)測試和田間試驗,以確定農(nóng)田信息采集機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性以及信息采集功能的可靠性。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

為了機(jī)器人功能的完整性與農(nóng)田各類信息采集的全面性,本文選擇模塊化設(shè)計的思路,先設(shè)計機(jī)器人本體結(jié)構(gòu),后擴(kuò)展搭載功能,既能使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)完整可靠,又使得功能搭載擴(kuò)展的靈活性更強,最終可使機(jī)器人完成各類農(nóng)田信息采集的既定功能。

根據(jù)上述設(shè)計思路,農(nóng)田信息采集機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1a所示,分為本體結(jié)構(gòu)和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)兩部分。在機(jī)器本體結(jié)構(gòu)部分,為了適應(yīng)作物不同的種植行距,設(shè)計機(jī)器人的輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);同時針對不同時期的作物生長高度,設(shè)計機(jī)器人的地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);本研究中機(jī)器人在田間選擇跨壟方式行走,行進(jìn)方式為四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向,保證田間信息采集時行走的靈活性;機(jī)器人鋰電池搭載于車身平臺下方,控制系統(tǒng)與其他結(jié)構(gòu)在車身平臺上方擴(kuò)展搭建。

圖1 農(nóng)田信息采集機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of farmland information collection robot1.Green Seeker型光譜儀 2.Green Seeker型光譜儀固定架 3.高光譜相機(jī) 4.高光譜相機(jī)固定架 5.擴(kuò)展載物平臺 6.環(huán)境信息傳感器 7.機(jī)器人控制系統(tǒng) 8.機(jī)器人外殼 9.導(dǎo)航接收機(jī)基座 10.RTK接收機(jī) 11.土壤信息采集機(jī)構(gòu) 12.土壤傳感器 13.土壤傳感器清潔毛刷 14.輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 15.四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 16.地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 17.鋰電池 18.機(jī)器人車身平臺 19.地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上支撐板 20.機(jī)器人車身平臺(透明化) 21.滾珠絲桿螺母 22.輪距調(diào)節(jié)電機(jī) 23.滾珠絲桿 24.輪距調(diào)節(jié)導(dǎo)軌 25.輪距調(diào)節(jié)連桿

輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖1b所示,輪距調(diào)節(jié)時,首先機(jī)器人四輪分別由外向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°,之后驅(qū)動電機(jī)帶動兩組旋向相反的滾珠絲桿同步旋轉(zhuǎn),兩個絲桿螺母塊A、B相向運動,通過四邊形連桿帶動端塊C、D與地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上支撐板固連的調(diào)節(jié)塊推動整個地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相向運動,同時四輪以和調(diào)節(jié)塊C、D相同的速度前進(jìn)或者后退,同步配合完成輪距調(diào)節(jié);最后四輪分別向相反方向旋轉(zhuǎn)回到初始位置,完成整個輪距調(diào)節(jié)的功能;過程中輪距調(diào)節(jié)電機(jī)和四輪驅(qū)動電機(jī)的運動配合關(guān)系式為

(1)

其中

式中nb——四輪驅(qū)動電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速,r/min

Nd——直角減速器減速比

Nz——錐齒輪總成減速比,取5

D——驅(qū)動輪直徑,m

fb——步進(jìn)電機(jī)控制頻率,Hz

To——步距角,取1.8°

x——細(xì)分倍數(shù)

l——輪距調(diào)節(jié)滾珠絲桿導(dǎo)程,取10 mm

θd——輪距調(diào)節(jié)連桿與滾珠絲桿夾角,rad

Lk——連桿長度,mm

Hk——端塊C、D間測量距離,mm

依據(jù)式(1)在輪距調(diào)節(jié)時控制驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速和步進(jìn)電機(jī)頻率,達(dá)到對輪距調(diào)節(jié)過程的協(xié)調(diào)控制。

機(jī)器人主要性能參數(shù)如表1所示。在機(jī)器人擴(kuò)展結(jié)構(gòu)部分,為全面采集農(nóng)田氣象環(huán)境信息、土壤水肥信息和作物生長信息,設(shè)計各基座與固定架用于搭載各類傳感器,具體結(jié)構(gòu)與安裝位置如圖1a所示;其中擴(kuò)展載物平臺與本體結(jié)構(gòu)部分中車身平臺都具有搭載擴(kuò)展能力,可根據(jù)不同的信息采集目的擴(kuò)展搭載不同類型的傳感器,且拆卸安裝方便使得農(nóng)田信息采集機(jī)器人的適應(yīng)性更廣及靈活性更強;另外,土壤傳感器清潔毛刷固定于車身平臺,當(dāng)完成土壤信息采集后,對土壤傳感器起到清潔的作用。

表1 農(nóng)田信息采集機(jī)器人主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of farmland information collection robot

1.2 工作原理

機(jī)器人進(jìn)行田間信息采集時,在進(jìn)入農(nóng)田工作前,因其要跨壟行走需盡可能不壓踏損傷作物,且調(diào)整到盡可能大的輪距保證機(jī)器人行駛穩(wěn)定性,輪距調(diào)節(jié)原理如圖2a所示,播種行距的最大整數(shù)倍的寬度作為本次田間信息采集作業(yè)的輪距,其計算式為

圖2 農(nóng)田信息采集機(jī)器人工作原理圖Fig.2 Working principle of farmland information collection robot

(2)

式中Awt——作物播種行距正整數(shù)倍集合

Bwt——機(jī)器人輪距調(diào)節(jié)范圍

Ni——正整數(shù)Dwt——輪距寬度

Dls——作物播種行距

機(jī)器人進(jìn)入農(nóng)田時,需調(diào)節(jié)地隙,其原理如圖2b所示,首先參照進(jìn)入農(nóng)田時作物生長高度和高光譜相機(jī)對作物的拍照距離,此外還需考慮機(jī)器人車輪在土壤中的下陷深度Hsd,從而綜合考慮確定機(jī)器人平臺高度;平臺高度確定后,再依據(jù)光譜儀檢測距離與高光譜相機(jī)的拍照距離差值對光譜儀安裝高度進(jìn)行調(diào)整;因此,機(jī)器人地隙調(diào)節(jié)與光譜儀安裝高度計算式為

(3)

式中Hch——作物高度,mm

Hsd——車輪下陷深度,mm

Hgh——機(jī)器人平臺面距車輪最低點高度,mm

Hgs——Green Seeker型光譜儀拍攝高度,mm

Hhc——高光譜相機(jī)拍攝高度,mm

Δgs——Green Seeker型光譜儀安裝高度調(diào)整值,mm

將由式(2)、(3)計算所得的輪距寬度Dwt與地隙高度Hgh輸入上位機(jī)控制系統(tǒng),輪距與地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)依次動作將其調(diào)整到對應(yīng)數(shù)值,并分別由安裝到機(jī)構(gòu)之間的TOF200F型激光測距傳感器形成控制閉環(huán)精確控制輪距與地隙高度(圖2中Sh為地隙測量過程中傳感器值,Sw為輪距測量傳感器值)。

農(nóng)田信息采集機(jī)器人輪距寬度Dwt與地隙高度Hgh作為控制系統(tǒng)的兩個最基本參數(shù),在進(jìn)行農(nóng)田信息采集工作前需確定并傳入控制系統(tǒng),其在控制系統(tǒng)中確定與傳遞的過程如圖3所示;其中輪距為機(jī)器人行走轉(zhuǎn)向中阿克曼轉(zhuǎn)向原理的基礎(chǔ)參數(shù),地隙為機(jī)器人土壤信息采集過程中控制推桿伸縮長度的基礎(chǔ)參數(shù);每次針對不同作物或者不同生長時期的農(nóng)田進(jìn)行信息采集時,輪距與地隙的參數(shù)傳遞過程需重新進(jìn)行。

圖3 農(nóng)田信息采集機(jī)器人輪距與地隙確定與傳遞過程Fig.3 Determination and transmission process diagram of wheel track and ground clearance of agricultural information collection robot

機(jī)器人傳參過程完畢后,開始信息采集工作,具體采集過程為首先依據(jù)農(nóng)田區(qū)塊形狀以及信息采集點密度規(guī)劃農(nóng)田信息采集點與采集路徑,其次機(jī)器人基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合實現(xiàn)路徑跟蹤與自動導(dǎo)航,按照規(guī)劃的采集路徑進(jìn)行信息采集,所采集的農(nóng)田信息種類與參數(shù)如表2所示;當(dāng)?shù)竭_(dá)路徑上特定采集點時,機(jī)器人停止前進(jìn),Green Seeker型光譜儀、高光譜相機(jī)、農(nóng)田環(huán)境信息傳感器同時進(jìn)行對應(yīng)信息采集,后傳入上位機(jī);同時土壤信息采集機(jī)構(gòu)動作,驅(qū)動土壤信息傳感器垂直插入土壤進(jìn)行信息采集,土壤信息傳感器收回后,清潔毛刷對掛結(jié)于土壤傳感器插針上的殘留土壤進(jìn)行清潔,清潔完成后機(jī)構(gòu)復(fù)位;最終上述信息采集過程完畢后,機(jī)器人繼續(xù)按照規(guī)劃路線運行,直至目標(biāo)農(nóng)田的所有信息采集點采集完畢。

表2 機(jī)器人采集農(nóng)田信息種類與參數(shù)Tab.2 Robot collecting types and parameters of farmland information

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與硬件選型

2.1 四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計

采用4組獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要包括轉(zhuǎn)向總成和驅(qū)動總成兩部分,轉(zhuǎn)向總成由轉(zhuǎn)向電機(jī)、行星減速器、機(jī)構(gòu)支撐板和轉(zhuǎn)向軸連接板組成,其中機(jī)構(gòu)支撐板與地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下支撐板固連,轉(zhuǎn)向軸連接板則與驅(qū)動總成固連,負(fù)責(zé)傳遞轉(zhuǎn)向扭矩;驅(qū)動總成由驅(qū)動電機(jī)、直角減速器、錐齒輪總成和驅(qū)動輪組成,驅(qū)動電機(jī)動力經(jīng)兩次直角動力傳遞,節(jié)省了設(shè)計空間,有效降低機(jī)器人高度;另外轉(zhuǎn)向軸連接板連接兩組總成,提升了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖4 四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of four-wheel independent drive and steering mechanism1.轉(zhuǎn)向電機(jī) 2.轉(zhuǎn)向行星減速器 3.機(jī)構(gòu)支撐板 4.轉(zhuǎn)向軸連接板 5.行走總成支撐板 6.驅(qū)動輪 7.錐齒輪總成 8.驅(qū)動軸套筒 9.直角減速器 10.驅(qū)動電機(jī)

機(jī)構(gòu)中,驅(qū)動電機(jī)提供前進(jìn)動力并控制機(jī)器人前進(jìn)速度,轉(zhuǎn)向電機(jī)提供轉(zhuǎn)向力矩并控制轉(zhuǎn)向角;機(jī)器人前進(jìn)過程中,驅(qū)動電機(jī)與轉(zhuǎn)向電機(jī)相互配合依據(jù)四輪Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向原理完成機(jī)器人行走。

農(nóng)田信息采集機(jī)器人在工作過程中,行駛的土壤條件各不相同,由于濕度、顆粒度和粘度因素的存在,土壤的行走條件較為復(fù)雜,對比各類農(nóng)田土壤特性對于機(jī)器人行走的影響[11-12],在較極端土壤條件即水田土壤環(huán)境下對關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計計算。

機(jī)器人在田間行走,其原理是依靠驅(qū)動電機(jī)提供的驅(qū)動力,經(jīng)過直角減速器和錐齒輪總成的減速和增扭后,通過車輪與土壤的相互作用力,從而克服前進(jìn)阻力實現(xiàn)運動。因此,對于驅(qū)動電機(jī)和減速器的參數(shù)選取,首先克服前進(jìn)阻力,使機(jī)器人有足夠動力可以行走;其次避免產(chǎn)生較大滑轉(zhuǎn),因為滑轉(zhuǎn)率越高,驅(qū)動輪線速度與機(jī)器人實際行走速度差值越大[13-14],說明機(jī)器人在行走時滑移滾動程度越大。故機(jī)器人能在田間正常行駛需滿足動力要求[15-16]

Fz≤Fo≤Ff

(4)

(5)

式中Fz——機(jī)器人前進(jìn)阻力,N

Fo——機(jī)器人驅(qū)動力,N

Ff——水田土壤車輪附著力,N

Td——驅(qū)動電機(jī)額定扭矩,N·m

Nd——直角減速器減速比

Nz——錐齒輪總成減速比,取5

ηd——驅(qū)動總成機(jī)械傳遞效率,取0.85

R——驅(qū)動輪半徑,取0.325 m

機(jī)器人前進(jìn)阻力決定因素有很多,其計算式[17]為

Fz=Fr+Fs+Fw+Fa

(6)

式中Fr——車輪滾動阻力,N

Fs——坡度阻力,N

Fw——前進(jìn)空氣阻力,N

Fa——加速阻力,N

車輪滾動阻力為

Fr=Gf

(7)

式中G——機(jī)器人整車總重,N

f——滾動阻力系數(shù),水田取0.21[15]

坡度阻力計算式為

Fs=Gsinβ

(8)

式中β——機(jī)器人設(shè)計最大爬坡角,(°)

由于機(jī)器人在田間行駛速度較慢,空氣阻力與加速阻力可以忽略。

土壤車輪附著力計算式[17]為

Ff=G(λφc-ζf)

(9)

式中λ——驅(qū)動輪驅(qū)動載荷系數(shù),四輪驅(qū)動取0.95

φc——土壤附著系數(shù),水田取0.45

ζ——行走系統(tǒng)內(nèi)部損失系數(shù),取0.3

聯(lián)立式(5)、(9)并代入式(4)得

Fz≈1 800 N≤Fo≤Ff≈2 115 N

(10)

由式(10)可得,當(dāng)取驅(qū)動電機(jī)扭矩為2.1 N·m、直角減速器減速比為20時,機(jī)器人可滿足水田正常行駛要求。為了控制的高精度且滿足高速運行的穩(wěn)定性,選用矩頻特性更好的伺服電機(jī),高速旋轉(zhuǎn)下可提供恒力輸出。最后對機(jī)器人最大行駛速度進(jìn)行驗證,計算式為

(11)

式中vmax——機(jī)器人最大行駛速度,m/s

nd——伺服電機(jī)額定轉(zhuǎn)速,r/min

根據(jù)設(shè)計公式推導(dǎo)及各機(jī)構(gòu)的工作需求,四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)選擇SDGA-08C11BD型伺服電機(jī),額定功率0.75 kW,額定電流21.0 A,額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min,額定轉(zhuǎn)矩2.39 N·m;轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇LS-86CME85型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī),保持轉(zhuǎn)矩8.5 N·m,額定電流6.0 A。

2.2 地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人有兩組相同的地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖5a所示,整體結(jié)構(gòu)由上下支撐板、內(nèi)外剪叉和滾珠絲桿驅(qū)動套組3部分組成;上支撐板負(fù)責(zé)支撐機(jī)器人車身平臺,通過如圖5b所示的地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定板與車身平臺相連,下支撐板主要負(fù)責(zé)固連兩組四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu);內(nèi)外剪叉為機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件,其端部分別與兩個固定端A、B和兩個活動端C、D鉸鏈連接,活動端沿上下支撐直線導(dǎo)軌的前后滑動可改變內(nèi)外剪叉交叉角,從而推動機(jī)器人車身平臺上下移動,實現(xiàn)機(jī)器人地隙的調(diào)節(jié);滾珠絲桿驅(qū)動套組是機(jī)構(gòu)的設(shè)計核心,驅(qū)動電機(jī)經(jīng)行星減速器的降速與增扭,通過滾珠絲桿螺母座帶動內(nèi)外剪叉的活動鉸鏈端,故需在機(jī)構(gòu)受力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行滾珠絲桿、行星減速器和高度調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行計算選型。

圖5 地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理與設(shè)計示意圖Fig.5 Principle and design schematics of ground clearance height adjustment mechanism1.地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定板 2.上支撐板 3.上支撐直線導(dǎo)軌 4.內(nèi)剪叉 5.外剪叉 6.滾珠絲桿BF支撐端 7.絲桿螺母 8.下支撐直線導(dǎo)軌 9.滾珠絲桿 10.滾珠絲桿BK固定端 11.聯(lián)軸器 12.行星減速器 13.地隙高度調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī) 14.下支撐板 15.地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)加強橫梁

地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受力分析如圖5b、5c所示,設(shè)前后兩個固定板所受的力為相等的均布力,將其簡化為集中力FN,作用在A、C鉸鏈方向為y的負(fù)方向;首先,對機(jī)構(gòu)用整體法[18]可得

FAx+FBx-FMa=0

(12)

-FAy+FBy-FC+FD=0

(13)

L(-FAxsinθ+FAycosθ+FBycosθ)=0

(14)

其次,對內(nèi)外剪叉分別用隔離法對點O、O′取力矩[18]可得

(15)

(16)

其中

(17)

式中S′h——固定端A、D的垂直距離,mm

由于兩組地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)擁有4個固定板,故FAy和FC滿足

(18)

其中

GO=(mp+md+mk+me)g

(19)

mp=ρpVp

(20)

式中GO——地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)總承重,N

mp——機(jī)器人車身平臺質(zhì)量,kg

ρp——車身平臺鋁合金板密度[19],取2.7 g/cm3

Vp——車身平臺體積,取0.0195 m3

md——鋰電池質(zhì)量,取29 kg

mk——車身平臺搭載所有機(jī)構(gòu)總質(zhì)量,取55 kg

me——車身平臺預(yù)留擴(kuò)展裝置總質(zhì)量,取100 kg

g——重力加速度,取9.8 m/s2

聯(lián)立式(12)～(20)得

(21)

夾角θ決定著地隙調(diào)節(jié)高度,但由于機(jī)構(gòu)動作減小高度時,隨著θ減小其上支撐板會與行走驅(qū)動電機(jī)形成結(jié)構(gòu)干涉,經(jīng)測量保持安全間距的最小θ為15°;其次為保證地隙增加時,避免重心過高導(dǎo)致機(jī)器人運行不平穩(wěn),設(shè)置θ最大值為25°;故FMa應(yīng)滿足

FMamin≈2 487 N≤FMa≤FMamax≈4 327 N

(22)

機(jī)構(gòu)C和D端的滑動鉸支座滑動副為直線導(dǎo)軌,上下固定端有4根導(dǎo)軌共8組滑塊,故直線導(dǎo)軌總摩擦力為

Ffl=8(μfGO+fS)

(23)

式中Ffl——直線導(dǎo)軌總摩擦力,N

μf——直線導(dǎo)軌摩擦因數(shù),取0.02

fS——滑塊刮油片阻力,取3.53 N

結(jié)構(gòu)中需選取滾珠絲桿的導(dǎo)程與公稱直徑;導(dǎo)程越大軸向速度越快,但控制精度越低,導(dǎo)程越小控制精度越高,但軸向速度越小;滾珠絲桿公稱直徑與負(fù)荷成正比,直徑越大負(fù)載能力越強;綜合考慮選取導(dǎo)程l為10 mm,公稱直徑Dm為20 mm。

滾珠絲桿將驅(qū)動電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)為軸向力向機(jī)構(gòu)提供動力,需對驅(qū)動電機(jī)和行星減速器減速比進(jìn)行設(shè)計計算,驅(qū)動電機(jī)扭矩計算公式為

(24)

式中TM——驅(qū)動電機(jī)扭矩,N·m

Ta——滾珠絲桿轉(zhuǎn)換軸向力所需扭矩,N·m

Tb——BK、BF支撐座軸承摩擦扭矩,取0.2 N·m

Td——預(yù)壓扭矩,取0.7 N·m

Ng——行星減速器減速比

轉(zhuǎn)換軸向力所需扭矩的計算式為

(25)

其中

Fb=Fbm+Ffl

(26)

Fbm=FMamax

(27)

(28)

(29)

式中Fb——滾珠絲桿軸向負(fù)荷,N

Fbm——平均軸向載荷,N

η1——滾珠絲桿機(jī)械效率

α1——滾珠絲桿導(dǎo)程角,rad

綜合式(25)～(29),當(dāng)選取驅(qū)動電機(jī)扭矩4.5 N·m和行星減速器比10時,地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)滿足要求。地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)選擇LS-86CME45-BZ型閉環(huán)步進(jìn)電機(jī),保持轉(zhuǎn)矩4.5 N·m,額定電流4.8 A。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計與信息采集路徑規(guī)劃

3.1 機(jī)器人運動模型

機(jī)器人工作需要更小的轉(zhuǎn)彎半徑,依據(jù)Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向原理[20-21],建立全輪偏轉(zhuǎn)的差速轉(zhuǎn)向模型,如圖6所示,可建立機(jī)器人轉(zhuǎn)向四輪速度和轉(zhuǎn)角與機(jī)器人車速和導(dǎo)向角之間的函數(shù)關(guān)系。

圖6 機(jī)器人轉(zhuǎn)向原理示意圖Fig.6 Schematic of robot steering principle

依據(jù)圖1b和圖3所示的輪距寬度調(diào)節(jié)原理和參數(shù)傳遞過程令

HA=Dwt

(30)

式中HA——輪距,mm

農(nóng)田信息采集機(jī)器人全輪偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向模型的轉(zhuǎn)彎半徑Ro只有前輪差速轉(zhuǎn)向的一半,轉(zhuǎn)向時,抽象某一瞬間的轉(zhuǎn)向瞬心Q,根據(jù)三角公式推導(dǎo)得

(31)

(32)

(33)

式中v——機(jī)器人運行速度,m/s

α——機(jī)器人航向角,rad

LA——機(jī)器人前輪與后輪的輪距,mm

vfl、vbl、vfr、vbr——左前、右前、左后、右后輪的速度,m/s

βfl、βbl、βfr、βbr——左前、右前、左后、右后輪的轉(zhuǎn)向角,rad

由式(32)、(33)作為控制系統(tǒng)中機(jī)器人行走轉(zhuǎn)向的控制基礎(chǔ),分別給出四輪的各自速度和轉(zhuǎn)向角與機(jī)器人運行速度和航向角之間的函數(shù)關(guān)系,機(jī)器人速度v已知,且航向角α由系統(tǒng)中路徑跟蹤算法求得也為已知量,故系統(tǒng)將按照上述關(guān)系完成對四輪速度和轉(zhuǎn)向角的控制,從而完成機(jī)器人的運動控制。

3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)和穩(wěn)定的信息采集工作,采用單片機(jī)為控制核心,完成機(jī)器人各機(jī)構(gòu)的動作和各傳感器的信息采集、處理和傳遞;綜合考慮控制系統(tǒng)搭建的便捷靈活性和單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的周期,根據(jù)機(jī)器人所需I/O口資源,選擇Arduino mega2560型單片機(jī),其具有豐富的開源庫可供設(shè)計者參考,4路UART串口可完全滿足需求。

基于GPS/INS的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計機(jī)器人行走轉(zhuǎn)向,GPS作為實時定位系統(tǒng)可修正慣性導(dǎo)航的累積偏差,INS具有短時間保持系統(tǒng)高精度且不受外界干擾的特點,可彌補GPS信號易受干擾的問題。GPS選擇內(nèi)置ZED-F9P模塊的BT-920 GNSS接收機(jī),實現(xiàn)厘米級定位,INS選擇WTGAHRS3-485型慣導(dǎo)傳感器;通過組合導(dǎo)航系統(tǒng),可得到機(jī)器人行走控制所需位置及航向信息,用于路徑跟蹤。

機(jī)器人控制系統(tǒng)原理如圖7所示,機(jī)器人主控系統(tǒng)由上位機(jī)和單片機(jī)組成,主要分別負(fù)責(zé)農(nóng)田信息處理和機(jī)器人控制;整個系統(tǒng)分為地隙輪距調(diào)節(jié)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)接收、行走轉(zhuǎn)向控制、土壤信息采集和農(nóng)田其他信息采集5個子系統(tǒng)。

圖7 機(jī)器人系統(tǒng)控制流程圖Fig.7 Flowchart of robot control system

上位機(jī)作為運算核心的優(yōu)勢在于其超快的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的數(shù)據(jù)可視化功能,故在本設(shè)計的主控系統(tǒng)中將對運算和數(shù)據(jù)處理能力要求較高的導(dǎo)航定位和路徑跟蹤算法放在上位機(jī)完成;一方面在信息采集前由輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)得到的輪距寬度和地隙高度作為參數(shù)從上位機(jī)傳入控制核心單片機(jī),用于系統(tǒng)的整體控制;另一方面,上位機(jī)綜合處理GPS和INS的導(dǎo)航數(shù)據(jù),依據(jù)導(dǎo)航和路徑跟蹤系統(tǒng)將關(guān)鍵控制數(shù)據(jù)傳入機(jī)器人控制核心,完成后續(xù)機(jī)器人控制與信息采集。

單片機(jī)作為機(jī)器人控制核心,與上位機(jī)保持關(guān)鍵信息的相互傳遞,一方面接收由上位機(jī)解算后的路徑跟蹤過程的期望輪速vfl、vfr、vbl、vbr,通過RS485總線分別發(fā)送到對應(yīng)的行走伺服驅(qū)動器,每個伺服驅(qū)動器根據(jù)當(dāng)前目標(biāo)速度進(jìn)行閉環(huán)控制,并且把每個驅(qū)動輪當(dāng)前速度反饋到控制核心,同時將期望轉(zhuǎn)角βfl、βfr、βbl、βbr通過解算分別向轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制信號,每個轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)編碼器將實時檢測的角度反饋到驅(qū)動器與控制核心,實現(xiàn)轉(zhuǎn)向角閉環(huán);另一方面接收上位機(jī)傳來的路徑跟蹤過程中的實時位置信息,該信息為信息采集點到位指令,收到指令后控制土壤信息采集機(jī)構(gòu)的橫、縱直線模組和電動推桿相繼動作,直至土壤傳感器插針到位并完成信息采集,最后為不影響下次采集,機(jī)構(gòu)回位后清潔毛刷對土壤傳感器進(jìn)行清潔,將殘留土塊刷掉;最后,單片機(jī)將農(nóng)田環(huán)境信息傳感器采集到的信息,連同土壤信息全部傳回上位機(jī)進(jìn)行保存、管理、處理和調(diào)用。

3.3 信息采集路徑跟蹤方法

機(jī)器人進(jìn)行信息采集需要根據(jù)采樣點進(jìn)行路徑規(guī)劃,其基本原則為保證路徑經(jīng)過所有待采樣點且路程最短時間最少;待采集的信息包括環(huán)境信息、土壤信息和作物生長信息,各類信息具有空間變異性,因不可能完全采樣故研究時一般通過各類插值法進(jìn)行,從離散的真實數(shù)據(jù)得到研究對象的空間分布[22-23];所以本設(shè)計中采用對待采樣區(qū)塊進(jìn)行平均采樣點規(guī)劃的方法,具體采樣點的分布和路徑規(guī)劃如圖8a所示,從待采區(qū)塊的一端開始進(jìn)行,按照“S”形路線行駛到地頭轉(zhuǎn)彎,盡可能保持較長的直線路徑,減少經(jīng)停采集點過程中的決策計算,采樣間隔與行距間隔以10 m為例。

圖8 機(jī)器人信息采集路徑規(guī)劃及路徑跟蹤算法原理圖Fig.8 Schematics of robot information collection path planning and path tracking algorithm

純追蹤算法是一種幾何方法,將機(jī)器人簡化為自行車模型,其原理如圖8b所示(圖中xO′y為與機(jī)器人固連坐標(biāo)系,(x,y)為機(jī)器人當(dāng)前位置坐標(biāo),(xg,yg)為機(jī)器人目標(biāo)位置坐標(biāo)),目標(biāo)是計算機(jī)器人到達(dá)指定位置所需走過的圓弧路徑,核心是設(shè)置一個合適的前視距離Ld;該算法能夠模擬駕駛員的視覺,具有仿生、簡單、直觀、容易實現(xiàn)的特點,根據(jù)當(dāng)前車體橫向偏差、航向偏差和前視距離,通過計算確定車體下一步的車輪期望轉(zhuǎn)向角,如此循環(huán),不停校正,從而慢慢靠近預(yù)設(shè)規(guī)劃路徑,控制核心算式為[24-25]

(34)

式中δ——機(jī)器人目標(biāo)航向角,rad

RO′——機(jī)器人瞬時轉(zhuǎn)向半徑,m

ed——橫向偏差,m

eψ——航向偏差,rad

由式(34)可知,橫向偏差和航向偏差不可控,前視距離可控;當(dāng)前視距離較小時,收斂快但容易發(fā)生振蕩;當(dāng)前視距離較大時,路徑平穩(wěn)但跟蹤收斂較慢。

針對上述純跟蹤算法初始階段誤差較大、振蕩幅度大、收斂時間長等問題,提出基于雙切圓巡線與純跟蹤結(jié)合的路徑跟蹤算法,原理如圖8c所示(圖中XO′Y為慣性坐標(biāo)系,P0、Pm、Pa分別為機(jī)器人巡線過程初始點、中間點、目標(biāo)點,r1、O1、r2、O2分別為第一、二段切圓半徑與圓心,Rmin為機(jī)器人最小轉(zhuǎn)彎半徑),目標(biāo)為減小巡線距離Lxs,雙切圓巡線算法用幾何規(guī)劃的方法有效縮短直線路徑跟蹤的收斂時間,提高跟蹤效率,非常適用于多直線路徑的跟蹤行駛。本文信息采集路徑多為直線段,在初始循跡或地頭轉(zhuǎn)彎時基于雙切圓理論跟蹤,直線路徑跟蹤收斂后改為純跟蹤算法,既發(fā)揮雙切圓巡線收斂時間短的優(yōu)點,又發(fā)揮純跟蹤算法穩(wěn)定的優(yōu)勢[26-27],其中雙切圓改進(jìn)的路徑跟蹤算法核心算式為

(35)

式中eφo——初始航向偏差,rad

4 田間試驗

4.1 機(jī)器人性能測試

4.1.1最小轉(zhuǎn)彎半徑測試

機(jī)器人運行轉(zhuǎn)向時,根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計,內(nèi)測四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最大轉(zhuǎn)向角為βmax=40°,又因最小轉(zhuǎn)彎半徑與輪距寬度相關(guān),其計算式為

(36)

試驗于2022年7月在江蘇鹽城鹽海拖拉機(jī)制造有限公司廠區(qū)內(nèi)進(jìn)行。機(jī)器人運行于廠區(qū)的空曠水泥地面,于車體橫向?qū)ΨQ中心安裝劃線針。測試時設(shè)置多組不同輪距的試驗組,每組設(shè)置程序軌跡參數(shù),使得機(jī)器人前段按照直線行走,后將四輪轉(zhuǎn)向角設(shè)置在最大轉(zhuǎn)向角后保持不變,以固定車速0.5 m/s分別向左、右各轉(zhuǎn)一圈,測量車體轉(zhuǎn)彎半徑軌跡尺寸,并記錄GNSS模塊的軌跡數(shù)值,后取測量值與記錄值的平均值作為最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗值。試驗工具包括:劃線針、卷尺、GNSS等。

試驗結(jié)果如表3所示,機(jī)器人在前進(jìn)和后退兩種行進(jìn)方式下各自向左、向右轉(zhuǎn)彎半徑基本一致,由于不同輪距下最小轉(zhuǎn)彎半徑不同,試驗結(jié)果表明最小轉(zhuǎn)彎半徑平均值為區(qū)間1.3～1.5 m,其與設(shè)計值對比平均偏差率不大于6.8%,且總體平均偏差率為5.03%。

表3 農(nóng)田信息采集機(jī)器人最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗Tab.3 Minimum turning radius test of farmland information collection robot

4.1.2四輪驅(qū)動控制測試

為了驗證機(jī)器人四輪獨立驅(qū)動行駛時的控制效果,需要對四輪的實際車速進(jìn)行測試,分析四輪同步驅(qū)動控制精度。依據(jù)多電機(jī)同步的控制策略[28-31],本試驗主要測定4個驅(qū)動輪在不同車速與負(fù)載運行下的穩(wěn)定性及電機(jī)間實際轉(zhuǎn)速的同步性,分析機(jī)器人在四輪調(diào)零回正時直線行駛的控制效果。

根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與機(jī)構(gòu)減速比計算的轉(zhuǎn)速為參考,設(shè)定測試轉(zhuǎn)速分別為0.3、0.5、0.8 m/s,四輪調(diào)零的限制下直線行駛。4臺驅(qū)動電機(jī)啟動平穩(wěn)、行駛流暢,行星減速器與錐齒輪總成傳動準(zhǔn)確可靠均未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象,根據(jù)車輪行駛軌跡測量移動平臺與目標(biāo)路徑之間的橫向偏差最大值為4.6 cm。在機(jī)器人運行過程中,上位機(jī)PC通過RS485串口通訊與驅(qū)動伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,實現(xiàn)同步監(jiān)測各驅(qū)動伺服電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。

利用同步速度誤差來評價多電機(jī)協(xié)同控制效果,誤差越小,電機(jī)同步性能越好[31]。試驗結(jié)果如圖9所示,電機(jī)之間的同步速度誤差以運行時間為變量,動態(tài)反映某一時刻兩臺電機(jī)之間的實際轉(zhuǎn)速差。由圖9可知,處于橫縱相對的兩兩電機(jī)之間的同步誤差在零附近往復(fù)波動并穩(wěn)步趨于轉(zhuǎn)速同步,且其中最大差值不大于30 r/min即根據(jù)傳動比換算為線性差值不大于2.6 cm。因此測試結(jié)果表明,該驅(qū)動系統(tǒng)可在負(fù)載擾動下快速趨于穩(wěn)定,且4臺電機(jī)運轉(zhuǎn)時具備較好的速度一致性,同時平臺具有較強的抗干擾能力和較好的同步性。

圖9 驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速控制過程響應(yīng)曲線Fig.9 Schematic of robot information collection path planning and path tracking algorithm

4.1.3地隙與輪距調(diào)節(jié)功能測試

為了測試機(jī)器人的地隙與輪距調(diào)節(jié)功能,需要對調(diào)節(jié)過程中的實際值進(jìn)行測量,并分析其控制精度。本試驗需要對測量值與理論值進(jìn)行對比分析,驗證在由機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳遞效率及其變形引起的誤差存在情況下的實際控制效果。

試驗分為兩組,第1組根據(jù)地隙與輪距理論設(shè)計區(qū)間,分別在最大與最小值之間平均設(shè)置多個等分測量點,將目標(biāo)值輸入控制系統(tǒng),相應(yīng)控制地隙和輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作到當(dāng)前設(shè)置值并測量地隙與輪距的實際值;控制過程中,地隙與輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)編碼器將旋轉(zhuǎn)圈數(shù)通過串口返回到上位機(jī)記錄。第2組試驗對水稻基地的種植行距與不同時期的水稻生長高度進(jìn)行測量,依據(jù)測量值計算機(jī)器人的工作輪距與地隙,令控制系統(tǒng)動作到目標(biāo)值,進(jìn)行3組試驗取平均值,驗證控制系統(tǒng)實際工作的平均偏差。

試驗結(jié)果如圖10與表4所示,地隙調(diào)節(jié)的控制響應(yīng)曲線與設(shè)計曲線存在一定差值,但根據(jù)實際測量值與系統(tǒng)控制響應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系,并且結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)可以得出,該一定程度的偏差并不是由控制系統(tǒng)所導(dǎo)致,而是由地隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的剪叉結(jié)構(gòu)輕微變形導(dǎo)致,然而,試驗結(jié)果表明,控制系統(tǒng)可以很好地彌補機(jī)械結(jié)構(gòu)變形對整機(jī)控制的影響。輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由于其測量方向無高強度受力,故不存在上述問題,其響應(yīng)曲線也表明,輪距調(diào)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)與獨立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)同步性良好,可以滿足輪距調(diào)節(jié)的功能設(shè)計。最后,對于在田中的實際測試與調(diào)節(jié)表明,根據(jù)不同種植行距與作物高度,機(jī)器人對于設(shè)計值的平均偏差率為1.33%(輪距)、0.73%(地隙)。

表4 機(jī)器人地隙與輪距田間調(diào)節(jié)試驗Tab.4 Field adjustment experiment of robot ground clearance and wheel track

圖10 地隙與輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線Fig.10 Response curves of ground gap and wheel base adjusting mechanism control system

4.2 機(jī)器人路徑跟蹤算法試驗

為了測試機(jī)器人基于雙切圓改進(jìn)后路徑跟蹤算法的有效性,需要對改進(jìn)前后的算法收斂速度進(jìn)行對比試驗,分為兩組測試,如圖11a所示,設(shè)置相同的期望路徑與初始位置及航向角,系統(tǒng)分別載有純跟蹤算法及基于雙切圓改進(jìn)的算法;試驗中,算法對于直線路徑的跟蹤性能主要取決于橫向位置偏差,故需通過導(dǎo)航系統(tǒng)實時記錄車身所處位置,得到跟蹤過程中橫向偏差的實時曲線,其中規(guī)定機(jī)器人處于目標(biāo)路徑左側(cè)時,偏差記錄為負(fù),反之,機(jī)器人處于目標(biāo)路徑右側(cè)時,偏差記錄為正;對于機(jī)器人收斂的判別條件,設(shè)橫向偏差處于±5 cm區(qū)間內(nèi)即為達(dá)到收斂;最后,機(jī)器人整體行駛速度設(shè)置為0.3 m/s。

圖11 路徑跟蹤試驗及橫向偏差對比Fig.11 Path tracking test and transverse error comparison charts

由圖11b可知,純追蹤算法與基于雙切圓改進(jìn)的路徑跟蹤算法的振蕩幅度分別為0.48 m和0.12 m,收斂時間分別為50.5 s和36.1 s;結(jié)果顯示基于改進(jìn)雙切圓的機(jī)器人路徑跟蹤方法的振蕩幅度和收斂時間均小于純跟蹤算法。與純追蹤算法相比,振蕩幅度降低75.0%,收斂時間降低28.5%。試驗結(jié)果表明,改進(jìn)的路徑跟蹤方法能夠在初始階段或者地頭轉(zhuǎn)彎航向誤差較大時可以自動有效跟蹤路徑,大幅度地減小機(jī)器人的行駛軌跡振蕩幅度,并且縮短到達(dá)收斂行駛狀態(tài)的時間。

信息采集機(jī)器人在田間進(jìn)行信息采集所采取的是S形行進(jìn)路線,在地頭按照路徑規(guī)劃進(jìn)行轉(zhuǎn)彎其路徑跟蹤橫向誤差如圖12所示,試驗結(jié)果表明,機(jī)器人直線平均跟蹤誤差6.8 cm,且可適應(yīng)路線的突然轉(zhuǎn)彎并且及時做出響應(yīng),轉(zhuǎn)彎上線收斂平均用時為25.6 s,機(jī)器人可以高效地轉(zhuǎn)彎并重新對下一段目標(biāo)路徑進(jìn)行跟蹤,以證明機(jī)器人作業(yè)時路徑跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

圖12 機(jī)器人行走路徑跟蹤橫向誤差曲線Fig.12 Lateral error diagram of walking path tracking of farmland information collection robot

4.3 機(jī)器人信息采集試驗

為了驗證本設(shè)計中機(jī)器人對農(nóng)田各類信息采集的功能性,需要機(jī)器人對農(nóng)田中預(yù)設(shè)采集點進(jìn)行路徑跟蹤和信息采集;具體采集方法為首先選定采集區(qū)塊,利用GNSS模塊對該區(qū)塊進(jìn)行四點標(biāo)定以確定區(qū)塊的絕對空間坐標(biāo),并將其輸入上位機(jī);其次根據(jù)規(guī)定采樣間隔在上位機(jī)的路徑規(guī)劃模塊中輸入起點與終點坐標(biāo),生成采樣路徑;最后機(jī)器人控制系統(tǒng)按照所規(guī)劃的路徑依次對目標(biāo)區(qū)塊進(jìn)行信息采集。機(jī)器人在田間進(jìn)行信息采集時所需傳感器與結(jié)構(gòu)搭建如圖13所示,其中土壤、環(huán)境信息、大氣壓力、光照強度、風(fēng)速和二氧化碳傳感器均采用RS485通訊,都選用Modbus協(xié)議,通過核心控制器為各傳感器分配不同地址,將采集到的數(shù)據(jù)解算后通過串口上傳上位機(jī);通過USB擴(kuò)展塢對上位機(jī)串口進(jìn)行擴(kuò)展,Green Seeker型光譜儀與高光譜成像儀通過自帶UBS數(shù)據(jù)傳輸線與上位機(jī)直接連接;為了提高接收與解析的運行效率GNSS模塊同樣直接與上位機(jī)連接;采集過程中,每當(dāng)?shù)竭_(dá)采樣點時,機(jī)器人行走系統(tǒng)中斷,各類信息傳感器按照順序依次進(jìn)行信息采集,并通過串口上傳于上位機(jī)進(jìn)行記錄,該點所有傳感器采集傳輸完成后機(jī)器人繼續(xù)按照路徑前進(jìn)至下一采集點,依次采集直到區(qū)塊采集任務(wù)結(jié)束。

圖13 農(nóng)田信息采集機(jī)器人田間工作及結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Field work and structure drawing of farmland information collection robot

本試驗在江蘇省東臺市五烈現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園中進(jìn)行,選定區(qū)域為100 m×60 m的水稻田,采集樣點平均間隔為10 m,路徑跟蹤平穩(wěn)行駛速度為0.3 m/s,試驗如圖13所示,機(jī)器人搭載各類傳感器,分別實現(xiàn)與上位機(jī)串口通訊,進(jìn)行信息記錄。

試驗中機(jī)器人單點信息采集平均耗時24.5 s,機(jī)器人搭載的各類傳感器進(jìn)行各指標(biāo)采集,在田間完成信息采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示,試驗表明,各類傳感器檢測與串口數(shù)據(jù)傳遞正常工作,機(jī)器人可以有效且快速完成農(nóng)田信息采集工作。

表5 農(nóng)田信息采集機(jī)器人信息采集數(shù)據(jù)表Tab.5 Information collection data of farmland information collection robot

5 結(jié)論

(1)針對現(xiàn)有農(nóng)田信息采集機(jī)器人結(jié)構(gòu)功能單一、信息采集不完善等問題,設(shè)計了一種跨壟行走的地隙高度與輪距寬度可調(diào)的四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向且信息采集功能可擴(kuò)展的農(nóng)田信息采集機(jī)器人。

(2)根據(jù)模塊化設(shè)計思路,利用SolidWorks軟件對農(nóng)田信息采集機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計分析,分為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展結(jié)構(gòu)部分設(shè)計,搭載各類傳感器實現(xiàn)農(nóng)田各類信息的采集與傳輸。

(3)對機(jī)器人各關(guān)鍵結(jié)構(gòu),包括地隙高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、四輪獨立驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析、設(shè)計計算分析與關(guān)鍵零部件選型。

(4)在機(jī)器人完成加工試制的基礎(chǔ)上,對機(jī)器人的最小轉(zhuǎn)彎半徑、地隙輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)與四輪驅(qū)動行走同步性等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行驗證分析。試驗結(jié)果表明最小轉(zhuǎn)彎半徑平均值為1.3～1.5 m,其與設(shè)計值對比平均偏差率不大于6.8%,且總體平均偏差率為5.03%;根據(jù)不同種植行距與作物高度,機(jī)器人對于設(shè)計值的到位率(即平均偏差)為1.33%(行距),0.73%(地隙);該驅(qū)動系統(tǒng)可在負(fù)載擾動下快速趨于穩(wěn)定,且4臺電機(jī)運轉(zhuǎn)時具備較好的速度一致性,同時平臺具有較強的抗干擾能力和較好的同步性。

(5)搭建基于GNSS和INS的組合導(dǎo)航控制系統(tǒng),并根據(jù)傳統(tǒng)的純路徑跟蹤算法進(jìn)行改進(jìn),提出一種基于雙切圓巡線的綜合路徑跟蹤算法,試驗結(jié)果表明,與純追蹤算法相比,振蕩幅度降低75.0%,收斂時間降低28.5%;機(jī)器人直線平均跟蹤誤差6.8 cm,且可適應(yīng)路線的突然轉(zhuǎn)彎并且及時做出響應(yīng),轉(zhuǎn)彎上線收斂的平均用時為25.6 s。

(6)進(jìn)行農(nóng)田信息采集試驗,試驗表明,機(jī)器人可準(zhǔn)確實時完成信息采集既定目標(biāo),單點信息采集平均耗時24.5 s。