班 超 董乃希 黃修煉 馬悅琦 姜龍騰 遲瑞娟

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,北京 100083)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的革新和農(nóng)機(jī)作業(yè)能力的升級(jí),全天候智能巡檢移動(dòng)平臺(tái)成為無(wú)人智慧農(nóng)業(yè)的重要支撐。玉米是保障國(guó)家糧食安全的重要大田作物[1-2],研制適用于玉米大田的智能巡檢平臺(tái)有利于解析作物葉面積[3-4]等指數(shù),為作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)[5]、干旱脅迫[6]和病蟲(chóng)害[7]等狀態(tài)做出評(píng)估,同時(shí)有助于提取作物行距和株距,為植保和收獲等環(huán)節(jié)提供導(dǎo)航輔助[8]。靈活的移動(dòng)底盤(pán)和多維度的環(huán)境感知系統(tǒng)是完成巡檢任務(wù)的核心技術(shù),直接影響到巡檢平臺(tái)的智能巡檢監(jiān)測(cè)能力[9-10]。

KAYACAN等[11]開(kāi)發(fā)了一種在玉米行間冠下的巡檢平臺(tái),集成全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global navigation satellite system,GNSS)、激光雷達(dá)(Light detection and ranging,LiDAR)和視覺(jué)等系統(tǒng),使平臺(tái)自動(dòng)行駛于玉米行間并采集玉米生長(zhǎng)信息。MUELLER-SIM等[12]設(shè)計(jì)了一種包含航姿參考系統(tǒng)(Attitude and heading reference system,AHRS)、GNSS、LiDAR和單目相機(jī)等傳感器的高粱巡檢平臺(tái),能夠?qū)Υ蠓秶魑镞M(jìn)行自動(dòng)表型實(shí)現(xiàn)三維重建。ROURE等[13]研制了一種集成GNSS、AHRS、LiDAR、雙目相機(jī)和多光譜相機(jī)等傳感器的葡萄園巡檢平臺(tái),實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航對(duì)作物健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

目前,國(guó)內(nèi)軌道型巡檢平臺(tái)在煤礦[14]、工業(yè)園[15]和變電站[16]等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟,在預(yù)設(shè)導(dǎo)軌和射頻識(shí)別標(biāo)簽的基礎(chǔ)上即可較好地完成任務(wù)。大田[17-18]和果園[19]等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域地表不平整且具有土壤保護(hù)性的要求,預(yù)設(shè)導(dǎo)軌等傳統(tǒng)方案受到限制[20],而GNSS/INS組合導(dǎo)航方案不能獲取平臺(tái)與作物的相對(duì)位置信息,容易在巡檢過(guò)程中損傷作物。因此,融入點(diǎn)云和圖像信息能夠?yàn)檠矙z平臺(tái)自動(dòng)駕駛提供導(dǎo)航輔助,同時(shí)為大田玉米智慧農(nóng)業(yè)決策系統(tǒng)提供豐富的作物及環(huán)境參數(shù)。

鑒于此,本研究針對(duì)玉米大田環(huán)境,圍繞作物生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、干旱脅迫和病蟲(chóng)害等方面的巡檢需求,設(shè)計(jì)一種搭載GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)和工業(yè)相機(jī)的移動(dòng)式玉米大田巡檢平臺(tái),并在田間進(jìn)行行駛性能試驗(yàn)和環(huán)境感知試驗(yàn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

玉米大田巡檢平臺(tái)由底盤(pán)總成和感知系統(tǒng)兩部分組成。為適應(yīng)農(nóng)田環(huán)境的不平整地面,底盤(pán)采用基于阿克曼原理的前輪轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動(dòng)形式。具體地,底盤(pán)總成分為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分。根據(jù)感知要求進(jìn)行傳感器選型、時(shí)間同步配置,對(duì)信息采集的數(shù)據(jù)通信及處理軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。底盤(pán)承載感知系統(tǒng)行駛于玉米大田,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)玉米田的智能巡檢監(jiān)測(cè)。本平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 巡檢平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

2 底盤(pán)總成設(shè)計(jì)

我國(guó)等行距種植玉米的行距一般為50～60 cm,華北地區(qū)實(shí)施寬窄行種植技術(shù)的玉米寬行行距為80～90 cm,為避免巡檢平臺(tái)在工作過(guò)程中對(duì)玉米作物造成損傷,底盤(pán)寬度應(yīng)小于玉米寬行行距。本次設(shè)計(jì)的巡檢平臺(tái)面向?qū)捳蟹N植技術(shù)的玉米,因此底盤(pán)寬度選為60 cm。巡檢平臺(tái)通常以較低速度行駛于不平整的松軟路面,應(yīng)保持良好的轉(zhuǎn)向和直線行駛性能。經(jīng)過(guò)對(duì)玉米田環(huán)境分析,確定底盤(pán)總成按照表1所示的主要參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

表1 底盤(pán)總成設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 底盤(pán)總成結(jié)構(gòu)圖

2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1轉(zhuǎn)向方案與選型

底盤(pán)總成轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用阿克曼轉(zhuǎn)向原理,其結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要由橡膠前輪、前軸、主銷(xiāo)、梯形臂、轉(zhuǎn)向電機(jī)、絲桿滑臺(tái)、轉(zhuǎn)向橫拉桿、轉(zhuǎn)向直拉桿和轉(zhuǎn)向節(jié)臂等組成。轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái),帶動(dòng)轉(zhuǎn)向直拉桿、轉(zhuǎn)向橫拉桿、梯形臂,從而使橡膠前輪繞主銷(xiāo)軸旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向電機(jī)選用57HBP80AL4型步進(jìn)電機(jī),絲桿滑臺(tái)能夠在200 mm的有效行程內(nèi)保證0.03 mm的移動(dòng)精度,保證了轉(zhuǎn)向控制的精度。轉(zhuǎn)向前橋在完成轉(zhuǎn)向任務(wù)時(shí),需要承載平臺(tái)重量和車(chē)輪與地面作用產(chǎn)生的阻力矩[21]。前橋中的前軸、主銷(xiāo)和梯形臂等結(jié)構(gòu)采用碳素鋼制造,轉(zhuǎn)向橫拉桿和轉(zhuǎn)向直拉桿采用無(wú)縫鋼管加工,各部件均具有良好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,能夠應(yīng)對(duì)不平整農(nóng)田地面造成的顛簸與振動(dòng)。

圖3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1.2轉(zhuǎn)向電機(jī)性能校核

前輪原地繞主銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的阻力矩最大,故選取該工況對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行校核。前輪轉(zhuǎn)向阻力矩計(jì)算式為[22]

(1)

式中Mr——轉(zhuǎn)向阻力矩,N·m

μ——車(chē)輪與土壤的靜摩擦因數(shù),取0.7

G——巡檢平臺(tái)前橋負(fù)荷,N

p——輪胎氣壓,kPa

按照巡檢平臺(tái)最大總質(zhì)量80 kg進(jìn)行計(jì)算,假設(shè)質(zhì)量前后均勻分布,橡膠輪胎氣壓充至240 kPa,將數(shù)據(jù)代入公式(1)可得平臺(tái)原地轉(zhuǎn)向阻力矩Mr為7.78 N·m。

絲桿傳動(dòng)的推力計(jì)算式為

(2)

式中Fs——絲桿滑臺(tái)輸出推力,N

η——轉(zhuǎn)向電機(jī)傳動(dòng)效率,取0.95

T——轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出扭矩,N·m

L——絲桿螺距,m

已知轉(zhuǎn)向電機(jī)額定扭矩為2 N·m,絲桿螺距0.005 m,代入公式(2)得輸出推力約為2 387.6 N。轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)度約為0.14 m,經(jīng)受力分析可知,對(duì)主銷(xiāo)處產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩為334.3 N·m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于阻力矩,滿足使用要求。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1驅(qū)動(dòng)方案與選型

巡檢平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用兩后輪驅(qū)動(dòng),考慮到巡檢平臺(tái)通常以低速行駛于不平整農(nóng)田地面,驅(qū)動(dòng)輪選擇無(wú)刷有齒外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī),內(nèi)含傳動(dòng)比為1∶4.4的行星齒輪減速結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速大扭矩輸出,具有不發(fā)熱和運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小等優(yōu)點(diǎn),具體參數(shù)如表2所示。

表2 輪轂電機(jī)參數(shù)

輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)子布置在輪轂內(nèi)部,省略了外部的安裝空間,僅有長(zhǎng)度為45 mm的輪軸,分別通過(guò)鋼板與鋁型材車(chē)身連接,如圖4所示。兩個(gè)輪轂電機(jī)分布式驅(qū)動(dòng),為巡檢平臺(tái)提供動(dòng)力。轉(zhuǎn)彎時(shí),兩側(cè)后輪因轉(zhuǎn)彎半徑不同,需要有不同的轉(zhuǎn)速,因此對(duì)兩后輪進(jìn)行電子差速控制,以提高巡檢平臺(tái)穩(wěn)定性和靈活性,同時(shí)減輕輪胎磨損。

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2.2輪轂電機(jī)性能校核

巡檢平臺(tái)通常處于勻速行駛狀態(tài),而且迎風(fēng)面積很小,可以忽略加速阻力和空氣阻力對(duì)平臺(tái)的影響,故本文僅對(duì)滾動(dòng)阻力和坡度阻力進(jìn)行分析。巡檢平臺(tái)受到的總阻力計(jì)算公式為[23]

F=Fp+Fi

(3)

其中

Fp=Wfcosi

(4)

Fi=Wsini

(5)

式中F——巡檢平臺(tái)受到的總阻力,N

Fp——巡檢平臺(tái)受到的滾動(dòng)阻力,N

Fi——巡檢平臺(tái)受到的坡度阻力,N

W——巡檢平臺(tái)總重,N

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)

i——路面坡度角,(°)

巡檢平臺(tái)受到的滾動(dòng)阻力是由輪胎和土壤變形產(chǎn)生的,在松軟玉米田行駛時(shí)較大,參考輪式玉米收獲機(jī)在工作時(shí)的滾動(dòng)阻力系數(shù),取f=0.1[24]。另外,適合作物種植的耕地坡度角一般不超過(guò)10°,將參數(shù)代入公式(3)～(5)可得巡檢平臺(tái)受到的總阻力為217.70 N。

所需單個(gè)輪轂電機(jī)的輸出功率為

(6)

式中Pe——輪轂電機(jī)輸出功率,W

Ft——車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力,N

v——巡檢平臺(tái)行駛速度,m/s

η′——輪轂電機(jī)傳動(dòng)效率,取0.85

設(shè)計(jì)巡檢平臺(tái)田間工作時(shí)移動(dòng)速度為0.5 m/s,代入公式(6)可得所需電機(jī)輸出功率為Pe=64 W<250 W,說(shuō)明選擇的輪轂電機(jī)滿足使用需求。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要包括控制器、轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和遙控手柄模組?？刂破魇堑妆P(pán)總成的核心,影響巡檢平臺(tái)在行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性。選用搭載ATmega328P芯片的Arduino UNO控制器,其工作電壓5 V,時(shí)鐘頻率為16 MHz,包含32 KB Flash和14個(gè)數(shù)字I/O引腳,其中有6個(gè)引腳可以輸出脈寬調(diào)制(Pulse width modulation,PWM)信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)硬件及信號(hào)框架如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)硬件及信號(hào)框架

為精確控制轉(zhuǎn)向電機(jī),采用恒力矩細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器,其接收Arduino UNO控制器輸出的方向信號(hào)(DIV)和PWM配置的速度信號(hào)(PUL),進(jìn)行功率放大后使轉(zhuǎn)向電機(jī)工作。為閉環(huán)控制輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過(guò)兩個(gè)可以輸出霍爾信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器分別對(duì)兩個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行控制,根據(jù)控制信號(hào)使后輪正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或制動(dòng)。為應(yīng)對(duì)巡檢平臺(tái)特殊或意外行駛工況,采用2.4 GHz無(wú)線傳輸遙控手柄模組對(duì)巡檢平臺(tái)底盤(pán)進(jìn)行臨時(shí)接管控制。模組包括手柄信號(hào)接收模塊和遙控手柄兩部分,二者有效傳輸距離可達(dá)到15 m。手柄信號(hào)接收模塊與Arduino UNO控制器相連,采用SPI協(xié)議傳輸遙控手柄按鍵指令。

2.3.2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用Arduino語(yǔ)言對(duì)Arduino UNO控制器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)?；趓os_lib庫(kù)將Arduino UNO控制器部署為ROS節(jié)點(diǎn),根據(jù)ROS通訊機(jī)制和串口通訊協(xié)議,接收上位機(jī)路徑規(guī)劃后的運(yùn)動(dòng)控制指令,再向轉(zhuǎn)向電機(jī)和輪轂電機(jī)輸出DIV、PUL信號(hào)。對(duì)于轉(zhuǎn)向電機(jī),“左轉(zhuǎn)”對(duì)應(yīng)DIV信號(hào)為低電平,“右轉(zhuǎn)”為高電平,PUL模擬數(shù)值為256;對(duì)于輪轂電機(jī),“前進(jìn)”對(duì)應(yīng)DIV信號(hào)為高電平,“后退”對(duì)應(yīng)DIV信號(hào)為低電平,PUL模擬數(shù)值根據(jù)標(biāo)定關(guān)系確定。

絲桿滑臺(tái)定位精度和控制器的時(shí)鐘精度較高,在標(biāo)定前輪0°位置的基礎(chǔ)上,使用電子量角器測(cè)量前輪在設(shè)定旋轉(zhuǎn)時(shí)間后的偏轉(zhuǎn)角度,擬合出二者關(guān)系如圖6所示,規(guī)定前輪0°位置向左旋轉(zhuǎn)的角度和時(shí)間為負(fù),向右為正。根據(jù)擬合直線的表達(dá)式對(duì)轉(zhuǎn)向電機(jī)進(jìn)行控制,旋轉(zhuǎn)角度控制精度優(yōu)于1.7°。

圖6 前輪偏轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)時(shí)間關(guān)系曲線

通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比改變輪轂電機(jī)平均電壓使電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng),在不平整農(nóng)田地面具有較大扭矩。由于農(nóng)田地面環(huán)境復(fù)雜,兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪與地面的附著力差異很大,為了提高底盤(pán)直線行駛性能,控制器通過(guò)霍爾信號(hào)之間的時(shí)間間隔計(jì)算轉(zhuǎn)速,并分別對(duì)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪使用位置PID算法閉環(huán)控制轉(zhuǎn)速。僅通過(guò)電機(jī)廠家提供的參數(shù)無(wú)法建立電機(jī)在工作過(guò)程中的準(zhǔn)確模型,本研究采集輪轂電機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速,使用Matlab的System Identification工具箱和PID Tuner工具箱整定PID參數(shù),得到如圖7所示的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)后輪動(dòng)態(tài)特性曲線,左輪超調(diào)量為10.1%,右輪超調(diào)量7.6%,且動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間接近。

圖7 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

如果在行駛過(guò)程中出現(xiàn)意外工況,可以由遙控手柄接管控制,其軟件流程圖如圖8所示,首先對(duì)控制器GPIO引腳和SPI協(xié)議進(jìn)行初始化,等待并解析無(wú)線遙控手柄的按鍵信號(hào),再根據(jù)指令向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出控制信號(hào)。當(dāng)控制器解析到手柄按下“前”或“后”的按鍵信號(hào)時(shí),調(diào)整輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào)線的電平狀態(tài),并輸出指定速度對(duì)應(yīng)的PUL信號(hào)。當(dāng)控制器解析到手柄按下“左”或“右”的按鍵信號(hào)時(shí),調(diào)整轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方向信號(hào)的電平狀態(tài),同時(shí)輸出PUL信號(hào)使轉(zhuǎn)向電機(jī)以最大轉(zhuǎn)速工作。若控制器解析到手柄“停止”按鍵后,輸出信號(hào)使轉(zhuǎn)向電機(jī)和輪轂電機(jī)停止工作。

圖8 控制系統(tǒng)軟件流程圖

2.4 側(cè)向穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

為了降低巡檢平臺(tái)的質(zhì)心,車(chē)載電源、控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等都安裝在底盤(pán)底部;采集系統(tǒng)(激光雷達(dá)、相機(jī))質(zhì)量較輕,安裝立柱為密度較小的鋁合金材質(zhì),對(duì)巡檢平臺(tái)質(zhì)心高度影響較小。側(cè)翻臨界角φ是評(píng)價(jià)整機(jī)側(cè)向穩(wěn)定性的重要指標(biāo),巡檢平臺(tái)行駛速度低、急轉(zhuǎn)彎工況少,忽略速度和側(cè)向加速度的影響,選取側(cè)翻臨界狀態(tài)進(jìn)行受力分析,分別對(duì)兩側(cè)車(chē)輪接地點(diǎn)取矩,得到側(cè)翻臨界角φ的計(jì)算公式為[25]

φ=arctan(B/(2H))

(7)

式中B——巡檢平臺(tái)輪距,m

H——巡檢平臺(tái)質(zhì)心高度,m

根據(jù)三維模型得到巡檢平臺(tái)質(zhì)心高度約為0.40 m,輪距為0.50 m,根據(jù)式(7)計(jì)算得到側(cè)翻臨界角為32.01°,接近GB 16151.1—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)行安全技術(shù)條件 第1部分:拖拉機(jī)》對(duì)拖拉機(jī)全掛車(chē)運(yùn)輸機(jī)組側(cè)翻臨界角大于35°的規(guī)定,一般情況下,巡檢平臺(tái)在工作過(guò)程中不會(huì)發(fā)生側(cè)翻現(xiàn)象,在復(fù)雜崎嶇的環(huán)境工作時(shí),可在底盤(pán)增加配重塊以降低整機(jī)質(zhì)心。

3 多維感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 傳感器選型

高精度位姿信息是巡檢平臺(tái)工作于玉米大田環(huán)境的基礎(chǔ),為應(yīng)對(duì)農(nóng)田不平整路面,選用華測(cè)CGI610型內(nèi)置高精度微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical system,MEMS)的GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng),支持多模多頻衛(wèi)星定位技術(shù),能夠?qū)崟r(shí)、高頻地檢測(cè)姿態(tài),包括航向角、俯仰角和橫滾角。監(jiān)測(cè)玉米株高、行距和株距等信息需要高精度測(cè)距傳感器,采用速騰聚創(chuàng)32線車(chē)規(guī)級(jí)混合固態(tài)激光雷達(dá)RS-LiDAR-32發(fā)射的激光獲取周?chē)矬w距離信息,點(diǎn)云測(cè)距精度優(yōu)于3 cm。通常利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別作物干旱脅迫和病蟲(chóng)害,本文使用支持外部硬件觸發(fā)的Basler acA1920-40gc工業(yè)相機(jī)配合Computar V0826-MPZ鏡頭采集二維彩色圖像。各傳感器工作性能穩(wěn)定,能夠應(yīng)對(duì)大田環(huán)境中沙塵、花粉和飛蟲(chóng)等自然因素的干擾,主要參數(shù)如表3所示。

3.2 時(shí)間同步方案

各傳感器時(shí)間同步是非常重要的,如果每個(gè)傳感器按照自身內(nèi)部時(shí)鐘源進(jìn)行工作,采集到的異構(gòu)數(shù)據(jù)之間存在較大時(shí)間偏差,不利于多維數(shù)據(jù)融合感知。雖然在啟動(dòng)時(shí)對(duì)各傳感器同時(shí)進(jìn)行初始化能夠在一定程度上對(duì)齊時(shí)間戳,但是由于各自時(shí)鐘源存在鐘漂,會(huì)導(dǎo)致時(shí)間戳隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)生相互偏離[26]。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)按照地面監(jiān)控系統(tǒng)維護(hù)的高精度原子鐘時(shí)間進(jìn)行工作,具有很高的時(shí)間精度,而且可以通過(guò)GPRMC格式報(bào)文和秒脈沖信號(hào)(Pulse per second,PPS)為其他設(shè)備進(jìn)行授時(shí)。設(shè)置CGI610的PPS脈寬為20 ms,GPRMC串口波特率為9 600 b/s,且在PPS上升沿500 ms內(nèi)完成,符合RS-LiDAR-32激光雷達(dá)外部授時(shí)要求,其原理如圖9所示。同時(shí),將PPS信號(hào)接入一個(gè)單獨(dú)用來(lái)觸發(fā)相機(jī)拍攝圖像的Arduino UNO相機(jī)觸發(fā)器。相機(jī)觸發(fā)器在接收到PPS信號(hào)后向相機(jī)I/O口輸出10 Hz方波信號(hào),實(shí)現(xiàn)相機(jī)外部硬觸發(fā)拍照。

圖9 時(shí)間同步原理示意圖

3.3 感知系統(tǒng)信息采集

3.3.1數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)

上位機(jī)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)、工業(yè)相機(jī)及觸發(fā)器構(gòu)成感知系統(tǒng),數(shù)據(jù)內(nèi)容和通信結(jié)構(gòu)如圖10所示。上位機(jī)采用便攜式計(jì)算機(jī)(Intel Core i5-7300處理器、8 GB DDR4內(nèi)存、256 GB固態(tài)硬盤(pán)),Ubuntu 20.04系統(tǒng)安裝ROS Noetic,用于采集、處理和存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)。受限于Arduino UNO控制器的內(nèi)存空間和計(jì)算能力,將組合導(dǎo)航系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)差分后的位置信息和姿態(tài)信息由USB協(xié)議傳輸至上位機(jī),以參與巡檢平臺(tái)路徑跟蹤的解算。激光雷達(dá)接駁盒接入組合導(dǎo)航系統(tǒng)GRPMC報(bào)文和PPS信號(hào),再將激光雷達(dá)采集的點(diǎn)云由RJ45接口傳入上位機(jī),傳輸過(guò)程采用UDP協(xié)議。工業(yè)相機(jī)在10 Hz頻率下拍攝圖像時(shí),需要支持巨型幀的千兆以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸,而選用的上位機(jī)僅有一個(gè)RJ45接口,所以使用RTL8156外置網(wǎng)卡將一個(gè)USB3.0接口轉(zhuǎn)為千兆以太網(wǎng)接口RJ45,以接收數(shù)據(jù)。

圖10 數(shù)據(jù)通信示意圖

3.3.2信息采集軟件

使用C++編程語(yǔ)言編寫(xiě)各傳感器的ROS功能包,并分別對(duì)應(yīng)一個(gè)任務(wù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn),由節(jié)點(diǎn)控制中心進(jìn)行維護(hù),以便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。根據(jù)CGI610輸出的報(bào)文格式進(jìn)行字段分割,解析數(shù)據(jù)中的位置和姿態(tài)信息,并分別寫(xiě)入符合ROS格式的話題中。對(duì)于RS-LiDAR-32,根據(jù)驅(qū)動(dòng)內(nèi)核rs_driver將原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為包含三維坐標(biāo)、反射強(qiáng)度、掃描線序號(hào)和時(shí)間戳的XYZIRT格式,并調(diào)用點(diǎn)云庫(kù)PCL的接口將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為ROS消息類型。對(duì)于Basler acA1920-40gc,以pylon二次開(kāi)發(fā)組件為基礎(chǔ),基于OpenCV庫(kù)將獲取的圖像轉(zhuǎn)為ROS格式并發(fā)布。各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的話題名稱及消息類型如表4所示。

表4 各傳感器話題信息

4 田間試驗(yàn)

將上位機(jī)、組合導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)、4G天線、定位天線、定向天線、激光雷達(dá)和工業(yè)相機(jī)等設(shè)備安裝于巡檢平臺(tái)底盤(pán)總成,巡檢平臺(tái)整備狀態(tài)如圖11所示。

圖11 巡檢平臺(tái)整備狀態(tài)

4.1 底盤(pán)行駛性能試驗(yàn)

4.1.1轉(zhuǎn)向性能試驗(yàn)

于2022年10月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站(40°08′11″ N,116°10′45″ E)粗平整后的地面進(jìn)行最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)。分別將巡檢平臺(tái)前輪向左、向右轉(zhuǎn)到極限位置后,以速度0.4～0.7 m/s自轉(zhuǎn)一圈,在地面形成輪胎運(yùn)動(dòng)軌跡,如圖12所示。測(cè)量外側(cè)軌跡中心圓的直徑,可以得到單次運(yùn)動(dòng)的最小轉(zhuǎn)彎半徑。

由于松軟土壤會(huì)受到車(chē)輪影響發(fā)生變形,而且地表不平坦會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差,本次試驗(yàn)重復(fù)5次并記錄試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。求得向左平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 922 mm,右轉(zhuǎn)平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 736 mm,在農(nóng)田環(huán)境中具有較好的轉(zhuǎn)向靈活性。

表5 最小轉(zhuǎn)彎半徑試驗(yàn)結(jié)果

4.1.2最大爬坡度試驗(yàn)

最大爬坡度是巡檢平臺(tái)田間通過(guò)性和動(dòng)力性的重要考核指標(biāo),根據(jù)玉米田常見(jiàn)坡度,在農(nóng)田機(jī)耕道邊緣堆積10°和15°斜坡進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。

圖13 最大爬坡度試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)過(guò)程中,巡檢平臺(tái)能夠從坡底的農(nóng)田行駛至機(jī)耕道,而且不發(fā)生傾翻現(xiàn)象,表明巡檢平臺(tái)最大爬坡度大于26.7%(爬坡角15°),滿足設(shè)計(jì)參數(shù)和農(nóng)田行駛要求。

4.1.3行駛速度控制精度試驗(yàn)

設(shè)定巡檢平臺(tái)目標(biāo)行駛速度為0.5 m/s,分別在開(kāi)環(huán)控制和PID速度閉環(huán)控制模式下行駛,上位機(jī)通過(guò)串口記錄組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的速度信息。分別截取巡檢平臺(tái)在兩種控制模式下前30 s移動(dòng)速度,變化過(guò)程如圖14所示,開(kāi)環(huán)控制模式下平均移動(dòng)速度為0.587 m/s,誤差為17.4%;PID速度閉環(huán)控制模式下平均速度為0.523 m/s,誤差為4.6%,表明PID閉環(huán)控制有效提升了底盤(pán)速度控制精度。

圖14 兩種控制模式下移動(dòng)速度變化曲線

4.1.4直線行駛試驗(yàn)

選取圖15所示農(nóng)田進(jìn)行直線行駛試驗(yàn),以拉直的線纜作為參考直線,取15 m長(zhǎng)度并沿直線撒白面粉作為標(biāo)識(shí),在兩端地面插入紅色標(biāo)志旗,同時(shí)垂直于參考直線放置鋁型材,作為巡檢平臺(tái)直線行駛的起止位置標(biāo)志。巡檢平臺(tái)前方固定一個(gè)裝有白面粉的塑料瓶,使其在行駛過(guò)程中撒落面粉形成運(yùn)動(dòng)軌跡。設(shè)定兩個(gè)紅旗的位置分別為點(diǎn)A、B,量取距離點(diǎn)A、B各60 cm的兩點(diǎn)A′和B′作為巡檢平臺(tái)直線行駛的起止點(diǎn),直線A′B′為導(dǎo)航線。

圖15 直線行駛試驗(yàn)場(chǎng)地

使巡檢平臺(tái)在PID控制模式下沿導(dǎo)航線行駛后,測(cè)量運(yùn)動(dòng)軌跡終點(diǎn)到參考直線的橫向偏移量,重復(fù)5次試驗(yàn)得0.603、0.726、0.652、0.585、0.613 m。結(jié)果顯示,巡檢平臺(tái)直線行駛15 m時(shí),平均偏移量為0.636 m,單位距離平均偏移率為4.24 cm/m,偏移率較小。

4.2 感知系統(tǒng)環(huán)境感知試驗(yàn)

4.2.1傳感器數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

于2022年10月在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站(40°07′57″ N,116°10′40″E)進(jìn)行感知系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。啟動(dòng)感知系統(tǒng)各傳感器ROS功能包后,可以在圖16所示的界面實(shí)時(shí)顯示環(huán)境感知數(shù)據(jù),包括組合導(dǎo)航系統(tǒng)串口輸出的融合位姿信息(a)、MEMS原始數(shù)據(jù)(b)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)(c)、RVIZ工具調(diào)取的相機(jī)圖像(d)和激光雷達(dá)點(diǎn)云(e)信息。

圖16 RVIZ可視化界面

4.2.2三維點(diǎn)云建圖試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境中玉米作物的果實(shí)已經(jīng)收獲,植株和葉片干枯,但是依然保持原行距和株距立于玉米田中。根據(jù)A-LOAM算法對(duì)玉米田間道路環(huán)境進(jìn)行建圖,利用數(shù)據(jù)集中前10 s點(diǎn)云數(shù)據(jù)(100幀)的建圖結(jié)果如圖17所示?？梢郧逦乜闯鲅矙z平臺(tái)周?chē)挠衩字仓晟L(zhǎng)高度(a)及作物行(b),也可以根據(jù)長(zhǎng)條狀無(wú)點(diǎn)云區(qū)域(c)分辨出機(jī)耕道旁的灌溉渠。

圖17 三維點(diǎn)云地圖

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種用于玉米大田的移動(dòng)巡檢平臺(tái)。該平臺(tái)以Arduino UNO控制器協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)完成田間運(yùn)動(dòng),搭載了包括上位機(jī)、GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)、激光雷達(dá)和工業(yè)相機(jī)的多維感知系統(tǒng)。

(2)田間行駛性能試驗(yàn)表明:左轉(zhuǎn)平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 922 mm,右轉(zhuǎn)平均最小轉(zhuǎn)彎半徑為2 736 mm,轉(zhuǎn)彎路徑無(wú)偏移現(xiàn)象,轉(zhuǎn)向可靠;最大爬坡度大于26.7%,動(dòng)力性和通過(guò)性滿足一般行駛條件;PID控制下平均行駛速度為0.523 m/s,與期望速度0.5 m/s的誤差為4.6%;直線行駛15 m的平均偏移量為0.636 m,單位行駛距離平均偏移率為4.24 cm/m,偏移率較小。

(3)環(huán)境感知試驗(yàn)表明:感知系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)采集軟件有效,能夠?qū)⒏鱾鞲衅鲾?shù)據(jù)可視化顯示和保存。根據(jù)100幀激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立的玉米田三維點(diǎn)云地圖可以較好地反映出玉米植株生長(zhǎng)高度、行距、株距和溝渠等環(huán)境特征。