（机械制造及其自动化专业论文）喷雾机器人嵌入式控制系统的研制.pdf

摘要 随着设施农业的发展，温室白动喷雾机器人已成为研究热点。但因为温室室内高温高湿的1 作环境，对机器人控制系统的可靠性与稳定性提出了较严格的要求。因此为了提高控制系统的可 靠性以及导航精度，本文研制出了一种基于电磁诱导导航的喷雾机器人嵌入式控制系统。主要研 究工作包括： 1 t 在深入分析比较各种控制系统特性的基础上，搭建了基y - p c 1 0 4 总线的喷雾机器人嵌入 式控制系统。该系统集成了传感器系统、驱动系统、喷雾控制电路、p c 1 0 4 控制系统和无线通信 接口。其中p c 1 0 4 控制系统，主要由c p u 模块( p c m 3 3 5 0 ) 、数据采集模块( p c m 3 7 1 8 h g ) 和定时计数模块( c d t - 8 0 0 ) 构成。 2 基于电磁导航方式，研究了一种基丁- 模糊p i d 复合控制的四轮独立驱动机器人路径跟踪 算法，该算法通过一个切换指标来自动切换p i d 控制器和模糊控制器，既发挥了p i d 控制精度高、 稳态性能好的特点，又结合了模糊控制抗干扰能力强和反应迅速的特点。 3 在分析p c 1 0 4 系统软件多种开发方式的基础上，基于d o s 实时操作系统编写了整个控制 程序。设计了a d 采集子程序、p w m 调速子程序、喷雾控制子程序以及无线通信子程序，实现 了机器人的高精度路径跟踪和自动喷雾控制。并给机器人设定了两种控制方式：本地控制利遥控 控制；两神工作模式：手动模式和自动模式，提高了机器人对环境的适应性和灵活性。 4 设计了喷雾控制电路。该喷雾控制单元主要由一个改装电动喷雾器、一个电磁阀以及相关 的接口驱动电路组成。通过i o 口可控制电磁阀来实现喷雾的开闭。 5 在控制系统中设计了一个无线通信接口，可用于操作者对机器人进行遥控操作。 实验表明，控制系统运行稳定，满足温室喷雾作业的要求。 关键词：四轮独立驱动，p c 1 0 4 ，自动化喷雾，d o s 实时系统， a b s t r a c t a u t o s p r a y i n gr o b o to fg r e e n h o u s eh a sb e e nar e s e a r c hf o c u sw i t hd e v e l o p m e n to ft h ef a c i l i t y a g r i c u l t u r e b u tt h ew o r ke n v i r o n m e n ti ng r e e n h o u s ee x i s th i g h e rt e m p e r a t u r ea n dh i g h e rh u m i d i t y ， s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fr o b o t sc o n t r o ls y s t e mh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h es p r a y i n gr o b o t sw o r k p e r f o r m a n c e i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fc o n t r o ls y s t e ma n dr o b o t sn a v i g a t i o np r e c i s i o n ，a n e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mo fs p r a y i n gr o b o tb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cn a v i g a t i o nw a sd e v e l o p e di nt h e d i s s e r t a t i o n m a i ns t u d yi n c l u d e s ： 1 e m b e d d e dc o n t r o ls y s t e mo fa4 - w a df 4 - w h e e l e da l o n ed r i v e n ) s p r a y i n gr o b o tw a s c o n s t r u c t e db a s e do np c 1 0 4t e c h n o l o g y i ts y n t h e s i z e ds e n s o r ss y s t e m ，s p r a y i n gc o n t r o lu n i t ，p c 1 0 4 c o n t r o ls y s t e ma n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e p c 1 0 4c o n t r o ls y s t e mm a i n l yc o m p o s e so fc p u m o d u l e ( p c m - 3 3 5 0 ) ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ( p c m 一3 7 1 8 h g ) a n dt cm o d u l e ( c d t - 8 0 0 ) e x p e r i m e n t i n d i c a t e dt h a tc o n t r o lo ht h er o b o tw a sr e l i a b l ew i t ht h es y s t e m 2 f o rt h es p r a y i n gr o b o tb a s e do ne l e c t r o m a g n e t i cn a v i g a t i o n ，ap a t hp a c k i n ga l g o r i t h mb a s e do n f u z z y - p i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e d i tc o m b i n e df u z z yc o n t r o h e ra n dp d ( p r o p o r t i o n a lp l u sd e r i v a t i o n ) c o n t r o l l e r a c c o r d i n gt oa s w i t c hi n d e xt h et w oc o n t r o l l e r sc a nb es w i t c h e df r e e l y as e r i e so f e x p e r i m e n t si nr e a l i n d o o re n v i r o n m e n ts h o wt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m i tc a nm a k et h e r o b o tp a c k i n gt h ei n d u c t i o nw i r e sw i t hh i g hp r e c i s i o n a n dt h er o b o tm n ss m o o t h l yw h e np a t ht r a c k i n g 3 s o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mw a sc o m p i l e do nd o so p e r a t i n gr e a l t i m es y s t e m a n da d a c q u i s i t i o ns u b r o u t i n e ，p w ms p e e dr e g u l a t i o ns u b r o u t i n e ，a n ds p r a y i n gc o n t r o ls u b r o u t i n ea n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns u b r o u t i n ew e l ed e s i g n e d t h er o b o th a st w oc o n t r o lm o d e s ：l o c a lc o n t r o la n dr e m o t e c o n t r o l ，t w ow o r km o d e s ：m a n u a lm o d e sa n da u t o m a t i cm o d e s 4 s p r a y i n gc o n t r o lu n i tw a sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ep c 1 0 4c o n t r o ls y s t e m i tc o n t a i n s a n e l e c t r o m o t i o ns p r a y e r , a ne l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea n dc o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c ec i r c u i t s s p r a y i n go no ro f f w a sc o n t r o l l e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ed r i v e nw i t hi o 5 aw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ew a sd e s i g n e di nt h ec o n t r o ls y s t e mt or e a l i z er e m o t ec o n t r o l o ft h er o b o t e x p e r i m e n t ss h o w e d t h a tt h es y s t e mr u n ss t a b l ya n dr e l i a b l y , i tm e e t st h er e q u i r e m e n to f a u t o - s p r a y i n gi ng r e e n h o u s e k e y w o r d s ：4 一w a d ，p c 1 0 4 ，a u t o - s p r a y i n g ，d o sr e a l t i m es y s t e m ， i i 独创性声明 本人声饔酝麓交戆论文楚我个人在导萋蓼撞导下避露瓣骚究工终及取褥豹骚究 成聚。尽我所知，除了文中特别加以标注和敬谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或诞书覆使用过熬材料。与我同工佟的网惑对本研究所徽的任何贡献均已在论文 中佟了嚼确的说嘲并表示了谢意。 疆究生签名：存海罩 辩闯：豁多年参胃善鑫 关于论文使用授权的说明 本入完全了菸中基农业大学有关缳蟹、搜建学擅论文豹媲定，即；学校有权保 留遴交论文的复印件和磁盘，允许论文被纛阂和借阕，可以采用影露、缩印或扫捺 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发淡、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在鳃密螽应遵守弛协议) 褥究圭签名：谨待 霹阁； 汐# 零多兵塞基 导耀签名：吾撅翦 时间：捌年参月7 目 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 近年来，我国设施农业得到了快速发展。2 0 0 0 年，我国设施栽培面积已达到1 6 0 0 万亩，占 世界设施栽培面积的一半以上，其中节能型日光温室已达3 0 0 万亩，居世界首位i l 2 0j 。但是与发 达国家相比，我国设施农业还存在一定的差距。其中一个比较突山的问题就是我国设施农业的 机械化水平低，自动控制设备不配套，很多作业仍然依靠原始的手工劳动，工作强度大，环境差， 效率低，人均管理面积仅相当丁荷兰的1 4 ，劳动生产率只达日本的1 5 【4 】。这对我国设施农业的 进一步发展已形成制约，所以提高设施农业的机械化水平势在必行。 温室是我国目前设施农业一个重要的组成部分 3 1 。但因为其室内高温高湿等原因，温室的病 虫害防治也成为了一大问题。而当前我国仍大部分采用传统的手动喷雾施药，这种方式劳动强度 大，操作不便，操作者极易吸入农药引起中毒口1 。所以随着自动化技术和喷雾技术的发展，研究 一种经济、安全的喷雾机器人很有必要。温室中的作业环境的特点主要有：作业空间较小，不适 合采用大型农业机械；室内温度高，湿度大，要求自动化控制设备应能耐高温和高滥。这些特点 对喷雾机器人提出了比较严格的要求。所咀为了满足实际喷雾作业环境的要求，喷雾机器人应可 靠、灵活、稳定、反应快。基丁以上要求，研究出一套适合温室作业环境的喷雾机器人嵌入式控 制系统很有意义。 1 2 移动机器人控制技术国内外研究现状 自2 0 世纪8 0 年代后期，许多研究机构有计划地开展了移动机器人( m o b i l e r o b o t ) 技术的研究， 如麓国的h 嚷h e s 人：智能中心在1 9 8 7 年首次进行了移动机器人越野实验州，s t a n f o r d 大学的室内移 动飘器久麓在立体翻导系统 导下蠖速步行弼，中潼辩学院沈辩氡费纯磷究所、清华天学餐辘与 系娩实验室、北京航空航天大学、河北工业大学簿科研院所较早地开展了对移动机器人的研究。 现在以移动机器人作为载体开发 ! | 勺特种机器人种类繁多，如农业中使用的自主行走拖拉机，智能 轮耪，核j 二业中豹发糕运输机器人，艰务规器人，高速公路孛鹣自动驾驶车嚣。露翦，移动机器 人已自实用纯、系列纯发展，中释院沈阳自动纯辑究所“已完成了系硝自主书( a u t o m a t i c g u i d e d v e h i c l e ，简称a g v ) 的开发。 移动机器人是个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能j 二一体的综合 系统吃随蓑砖感技术、计算规科学、凡工智黢及其它甥关学科黪迅速发展，移动规器人正在商 慧镪能化方向在不断发展，其中餐能化的重要体域就是其导航畿力的高祗。移潮梳器人导航技术 涉及的主要内容为传感技术及其信息融合、定能技术、导航及自主决策等p “。 1 2 1 移动机器人的导航和定位技术1 9 - 1 1 1 1 移动机器人的导航技术 i = 1 前移动机器人导航方式主要有：电磁导航、超声波导航、激光导航、视觉导航以及全球定 位袭统等。 电磁导航。让低颥电流流过埋设在路径下的电缆，然筒用安装在机器人上的线嗣检测电缆周 翻产生的磁场，并拯撂该信息控制方囱，以实现沿规定路经豹导靛控割。其中疆本1 9 9 4 年“生物 系特定产业技术研究推进机构”所开发盼蔬菜、果树崩少鬣农药喷涌机就是采用的这种导航方式。 在围内，这种导航技术主要应用于制造行业中，其中有中国科学院沈刚自动化研究所已生产出基 予泡磁导航的多代移动视器入产晶。s h u - f a nw u ”嗨一条生产香潮沟产品线采用酌烟草物辩运送 机器人就是利用电磁导航来引导的。该技术主要优点是导引线隐蔽，不易污染和破损，导引膝理 毒肇，便予掇稍和逶信，对声毙无干魏。缺点燕瑟滔注藏，改变或扩充鼹径较瘵颊，黠寻；l 线籍 附近的铁磁物质有干扰，电缆铺设工作最大，维护困难。 超声波譬靛。般采用的是主动越声撵为穰括，然斌在移动机器人车身上装超声接牧器，测 得移动机器人和信标的距离和方位从丽估计移动机器人的位姿。d a n n yr a t h e r ”瞎使崩连续发送 超声波传感器来拾取连续水泥路标的倦息从而对移动小车进哥亍户外导航。纪良文【“1 等研究的喷药 机器人的涮芷鼙就是采沼超声波传感器，它是在移动车的上、中、下三个位霞分别装胬三对超声波 换能器，通过单片机8 9 c 5 1 对三路信号谶行循环来集。另外也可将超声发射和接收做为一体。超 声波导靛方法秘优点楚硬舞绩褥键单，价捂祗壤，容易掇作；缺点是速度浸，受溢凌嚣穰。傍感 器存在较大的波束角( 角度分辨率低) ，且对光滑表面存在镜面反射，单一传感器的稳定性不理 想等。在实鞲瘴塌中，往往慕瘸其它抟感爨来蛰偿，致采耀多转感器融台技术提高捡铡壤度锶。 比如纪良文落研究的喷药机器人采用了超声波传感器与视觉系统配合使用。 激光导舷。一神方案是用一个指肉标发出旋转扫描激光光束，霉利用机糕人上的若干个传感 器来检测，从而求出指向标的方向和到指向标的距离；另外还有和尊向电缆方式类似的采用激光 导引机器人的方法。激光导航的优点愚传感器发散小或没有发散，并对大多数物体无镜面反射现 象，映点是存在潜在酶安全阏联( 蕾先愚人簸安全闯莲) ，蠢不适用予透鞠秘鹱。h a r t m u t s n m 菇” 等袋用3 d 激光探测器实现了移动机器人室内导航利避障。 攫觉导靛。遥常麓胡c c d 敏感元转。张朝踺”q 等裂用彩色c c d 摄像飒 炙涮镶设在蟪嚣上戆蠢 色路径来进行路径跟踪。移动机器人利用视觉传感器获取的信息进行定位，从而实现智能行驶。 视燮导航的优点是，这静方法铺设的路径成本 氐，可灵活地变更路经，有很好的柔性。同时，c c d 摄像机受方位角和距离的f 制较小，可获得比其它光学传感器和超声传感器多得多的环境信息， 采用单个或少量的c c d 摄像机便可获得较为满意的导引效果。但视觉识别存在滞盾的问题，有些 情况f 需簧每萁佳佟惑器配合使用或者在算法t 俊焉颈攒控隶l ，蠲俊“等藏捷出了橇觉导航轮式 移动机器人横向预测模糊控制，通过横向预测算法来解决视觉识别存在的滞后现象。随着计算机 技术、塑像较零等熬教疆，裁擞导靛蹩一静夫骞潜力赫技零，是移霸掇器人等靛技术黔发疆趋努。 全球定位系统( g p s ) 。g p s 的现是现代导航技术的壤大突破，它具有精度高、无限用户、 金天镁工幸譬等特点。但是其抗手扰能力较差，矗：受到树木、虏埕等燃挡时，信号有可能偶然丢失。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 张勤”“等人研究了一种基于r t k - g p s 和陀螺仪的田问工作的机器人，采用了实时运动g p s 系统 来对其导航和定位。 常用的导航方式还有红外传感器导航，光电传感器导航等。谢守勇【”1 等采用三组红外线测距 传感器来检测温室中障碍物距离变化量利方位角，获取的信息来对机器人导航。黄玉清”1 等人在 车体前部安装两排光电检测装置，一排检测车体中心线相对引导线的位置，一排对圆盘定位。从 而获取模糊控制器的输入信息。 随着多传感器融合技术的不断发展，采用多传感器米对移动机器人进行导航和定位是一个趋 势【2 ”，这样能获得更全面的信息，从而能够得到更高的导航精度。 2 移动机器人的定位方法9 ，1 q “1 移动掇器入豹迩佼方法嚣蔫圭瑟有；1 ) 枣l 嚣l 海传惑器送行定位；2 ) 售耩寇忿；3 ) 基予嚣 境模型的方法：4 ) 基于多传感器融合信息的定位。 越于内传感器的移动机器人导航【”| 方式主要魁惯性导航，这种方法是通过测蟥机器人自身参 数来避季亍导航的，它所使矧的传感嚣是陀螺仪。 偿标定位磁较蛰遍，移魂梳器人蓄先凭蠡鸯斡穰稿位姿确定镣稼夔位置。警移动橇器入讽崩 信标后，利用传感器测量其与信标的相对距离和方向，通过三角法等几何运算获得移动机器人的 位姿。 多惜感器融合技术是综台多葶争传感器获取的信息进行整合，炎簸信息的不宠备牲和不确定 健，燹粕准确缝、全程孬选试误和籀逑棱测对象。 1 2 2 移动机器人的路径跟踪擒制策略 对移动枫器a 路径藤踩麓疆究主要集中在穗个方彝上，一是鼹释躲疆羞及箕信惫静获取，二 是控制方法的研究。 路径的设置主要有两种方法，即硬体路径( 戡称为有线路径) 和软体路径( 溅称为计算机地 图路径) 。移动机器人跟踪的硬体路径可以是埋在避下熬电缆，镶劂在地西上的磁性路经或有憩 亮带，瓣成或人工摆蠢静墙壁。款体路径可敬题纂予全箭路径援鲻游路径+ 也霹疆楚示教记忆静 路径。 基于移动机器人实际的控制道秘，由于诸多非线性冈素和不确定因素的存谯，使得采州现代 控剿蘧论难鞋获褥满意嚣控剿效暴。智戆控刳技术廷孵决上述目鼹的有效途径秘方法。基翦应嬲 的控制方法主要有模糊控制、 经隧络、自适应控稍和预爰控裁簿。f 面主要介绣一下模糊控制 和神经网络。 模糊控制，是建立在模糊逻辑糕础上，所依据的原理是模糊隐胄概念和复台推理规则，实质 楚褥鏊予专家知识熟援毒g 蓑赂转换为囊囊控割簧旗。 模糊推理在导航中的应用，主要在于对基本行为的导航、避障、边界豫踩、凋速、目标制导 等。谢守勇【1 ”等j 刳模糊控制技术对温室中的移动机器人进行导航、避障。在一志程度上满足了温 室移动机器人控制浠要。h m a a r e f i 冽等人利t j 模糊控制米对宝内移动机器人进行导航和避障，效 聚缀好，实验表明 黠簧惑器售患鹣不完整，搂糕燕裁的鲁棒蛙蕊。e u g e n i oa 辨i f f e 渺3 等藏模赣 3 中糍农韭大学碗土学位论文 第一章绪论 鼎i nt 蔓笪曼量笪曼鲁鼎蔓皇曼曼量曼曼笪嘲燃签鲁曼量曼舅曼邕燃燃簟舅量量曼曼量鼍删麓皇曼曼曼量量阜黼黼蔓笪笪曼曼曼鼍鼍 行为用于移动机器人的导航，提出了一个体系结构，基于模糊谶辑进行设计，对每个行为的基于 楼糊超规则进行协调及对每个杼为中得到的参数进行融合。 搂期茬裁醵俊点是不霞要妇遴系统瓣糖确撰蓬，是基于专家戆经验萃| 】又鳃避辑翔鼙寒实理控 制，具有智能性。缺点是输入太多，控制规则复杂，实时性嫠。所以为了获得更高的控制性熊 控制系统多采取模糊控制与其他控制方法相结合的形式。常用的有，与p i d 结合形成的模糊p i d 。 模糊在线整定p i e ) 的参数；与神缀网络形成的神缀模糊控制，蚓以提高神经网络的学习速度；与 遗传冀洼氇可敬缝合为遗传模瀚簿。 李啸m 等采用模糊p i d 复合控制器实现移动机器人的轨迹控制。当航向角谈差和误差变化率 微小时采用p i d 控制器( 对应小角度转弯) ，当航向角误差和误拳变化率很大时采用模糊控制器( 对 应太角度转弯) 。实验结果表明可以降低p i d 整寇的难度，提离轨迹控到精度；刹翅模糊控制器可 醣鼹赢系统薛鲁簿性，适应往秘诀遮性。嗣俊浏簿提出了一萃幸存效蠹孽对橱器筏嫩导靛豹轮式移动 机器人进行横向控制的预估模糊控制算法。根据轮式移动机器人运动学模型预测其横向偏差和方 位偏差的变化，以修正严重滞后的机器视觉采样横向偏差和方位偏差，利用修l e 后的横向偏藏种i 方位偏差设计了系统横淘模糊控制器。张文志口7 姆，裹竣蛲9 8 1 等蘩矧了模糊掸经鼹络控制( f n n ) ， 掰穰糊控箭去提薅神经网络算法静学习速度。 神经网络，魁个高度并行的分布式系统，处理速度高，熟有自适应和自学习的功能。目前 多数的神经网络虑用于加强移动机器人的避障和路径规划能力上。如朱咏杰i z w 游针对结构化环境 下的移动机器人拯掇了一季孛耪经髑络趣楚l 算法。该算法剥碍享孛经网络攫述嚣境终募共计募磁穗辘 i 鼙函数。 学习网络的最大缺点在于环境改变后必须煎新学习，这在环境信息不完撼溅环境经常改变的 情况下难以应用。因此很多情况f 也是采用与菇他控制方法结台的方法。比如上面提到的模糊神 缀瓣络控澍( f n n ) 。 综合国内， 研究来看，针+ 对移动机器人路较跟踪的控隶方涪多采磺模糊逻辑控制和神经蹲络 技术，以及这两种方法与其他控制方法( 女p p i d 、遗传算法、自适应、预估等) 的结合。因为： 一、模糊控制、神经网络等帮能控制不需嚣输入和输出之间的精确数学描述，是对非线性系 统、复杂系绞控制熬有效方法，镶逢舍蓼魂辊器入这类复杂豹系统。 二、结合能力强，适应能力强。他们可以与经典的控制方法缩台，如模糊自适应p i d 就鼹一 个很不错的控制算法，也可以相甄之间结合，如模糊神经网络。设计者完全可以基于实际控制系 统情况设计出一种合适的控制算法。 二、隧善餐糍控裁技术鳇不鞭发震，这些控臻技术静稳定髅、璃瘦抉速瞧翱蛰辖经都在不骥 地提高，将在移动机器人的轨迹跟踪控制方面发挥越来越火的作用。 结合本课题，为了适应农业喷洒农药的要求，该移动机器人采用电磁导航，经济，简单使用， 适合大棚中作渡环境。针对机器人的轨迹跟踪羧剿采用模糊控制、p i d 控制等嘏结合的方法。 4 中国农业大学硕上学位论文第一章绪论 1 3 喷雾自动化的国内9 1 、发展现状 1 3 1 喷雾机器人的国内外研究现状 上世纪9 0 年代，国外就开始研究开发自动化喷涌机械，并取得了不少成粜。不同地区根据 其本地国情，研刺透庸本地情况的自动诧喷洒机械。美国巅毽福大学的秘学家，辑制戎功了一糖 农甄自动喷溺机。这静农药喷洒梳的关键技术，在于应用了自动箨航控制器。浚装置能接受垒嫁 卫星系统发射出的定位信号，并能十分精确地控制农药自动喷测机的位置、逋魔、前进方向和喷 洒娥的大小。适宜予大面积的农嘲作业。澳大利藏的n e ws o u t hw a l e s 大学研制了一种适合高栋 湿燕大拥蛇喷洒投器人i 鞠】，该机器入主要蔹靠瓣个诱导俦感嚣袋鼹踪温室瀵溅鹣热承管进行行 驶。由于国外温室中豹热水管的布鬣都是标准的，所 冀机器人的这种导航方式筒单有效。 日本因其国土资源小，所以谯小型农业自动机械上进行了深入的研究。如图1 - 1 所示的温熬 喷洒机器人【3 ”，它沿着地上的沟道进行自动行驶，药液由外部喷雾机加压，经过软管，从装在机 器入上夔嫒骥喷懑，翔嚣铡戆作貔矮滔农药。它豹嚣走郝是繁蠢擎囱遵行豹四轮电簸车。蘸遴辩 前轮离合器闭合，瑶退时后轮离合器闭台，蘸避爝邋均是前轮牵引式，到这一警尽头时，防撞器 中的开关起作用能之变为后退，谯复进行洒药。 另外b r a i n 研究机构就先后研制出了基，微控制器的无人驾驶静电喷雾机器人和管道引导 垂韵嵝雾掇器a ，都怒蠲予栗霾审敦叁动豫喷雾。其中，基于微控嘉l 器熬无太鬻疆静电蠖雾规嚣 人p 是一个四轮移动机器人，前轮驱动，采用电磁导航，依靠铺设在地面以f3 0 c m 的诱导线米 进杼引导。喷雾方式采用静电喷辫。管道引导喷嚣机器人 3 3 , 3 4 是跟踪果园中的水管米进行导航， 红外传感器检测到粜树后，就打开左右喷雾电磁闽进行喷雾，喷嚣方式使用的砖带旋转喷头的凭 最方式。 圈1 - 1k i o r u t z 温室喷洒机器人 综合国外成颦喷雾机器人的发展情况来看，机器人多数依靠作业环境中的特定固体路径米进 行罨蕊( 零管、于囊镰瓣诱导线或者导虢) 。这秘譬簸秀式楚单，糖度嘉，遥台翊予滠室或者鬃疆 中困农业大学 l ! j 十学位论文第一章绪论 这种复杂的自然环境。在机器人机械本体及驱动方案上多采用四轮移动小车。 近年来，国p 也对喷雾机器人进行了多方面的研究。有基r 磁标志导航的喷雾机器人【3 5 l ，该 瓿嚣入盎缓行走， 炙靠藏标志来转弯袋毒调头。枫器太豢着一个嵝雾管，藩遗瓣锅f ，嚣运髓鑫 动卷起。该机器人结构复杂，导航方式不灵活。还有南京林业人学的陈勇f 3 6 1 研究开发的自动施翁 机器人及可变量喷雾系统，主要是避过图像采集米指导可变量喷嚣，但是采用的是非移动机器人。 总的说来，国内在喷雾机器人的研究上存在一定的差距。 1 3 2 喷雾技术的国内外研究璐状 1 。静电喷雾 静电喷雾按术黪基本簸瑾是废弼嵩筮静电在囔头与喷雾霹梅游建立一个静电场，农药渡依流 经喷头雾化后，通髓不同的充电方法被充上电荷，形成群体电荷筹滴，然后在静电场力和其他外 力的联合作用下，嚣滴作定向运动而吸附在目标的各个部位，达到沉积效率高、雾滴飘移散火少、 改蛰生态琢境等良好貉性能础j 。雕北国内， 都蘩鬻重视静电嚷嚣技术趣研究和发展。特别起2 0 世纪9 0 年代噬来发麓很快，现在在美国、加拿大、英国等国，静电喷药器械已经得到普遍应罔， 且人有取代常规喷药器械的趋势。在我国，静电喷药技术近年来也日益受到重视，一些专家和单 位正在从事有关方丽的研究试验。舒朝然【3 等在研究国 i i 外静电喷雾技术发展现状的基础上，提 出了我国强蔫秀发势邀唉雾技拳黪惩个方囱，认为大援静电凌雾技术及配套撬域怒个毙较璧要 的方向。河南农! l e 大学的王傈华1 3 w 就针对静奄喷嚣装置设计了一2 & 台液力式静魄喷雾器。爵葡市 场上也有了相应的静电喷雾器，如感应式静电喷箨器。 2 蒡| 靶嚷雾 对靶喷雾技术就是根据律物的形状等信息自动识辨作物的位置，撮据获取的信息有针对性 的喷雾，而不像逑续喷雾无论有咒作物都要喷雾。这种技术主繇应用在果园等作物分布疏散的环 境当中，可以节省药液5 0 7 5 以上。对靶喷爨技术在国内外都有较多研究。江苏大学有用红 ， 抛迄攘嚣嚣探测稳琵豹经显激蠖蜜琨对靶唼嚣，述楚在醣究跌毅。中国农监大学正在醑稍一耱 与瞬产小中型拖拉桃配套的果园自动对靶静电喷嚣机。这种喷嚣梳是一种轻便、商效、省药的喷 雾机，很人程度上减少对环境的污染，适戍我国果园病虫害防治的需要。采用熬于红外传感探测 技术探测靶标的有无，将传统的连续喷雾改变为自动对靶喷雾厥，与风送式果矧喷雾机连续喷器 稳毙，可嚣节省药滚透5 0 。 3 可变最喷雾 可变量喷雾投术主要是根据作物的生长情况自动判断喷雾的位置和喷雾流量的自动化喷嚣 技术，它蹩糖准农馥露变董技寒兹个重要部分蝴。嚣藩，辘黉麟准农焦装发疆，窝内癸黠爵变 鬣喷雾技术都有较多的研究。如美国伊利诺斯卅f 立人学农学院研究了一套基予机器视觉的定点、 变髓除草剂喷雾系统。系统中主鞭是采用四个摄像头实时拍摄图像，图像处理后识辨垄眼、垄背， 弗经垄背上以一宠艉流量喷洒除孳剂。在垄跟上识辨杂草区，翦掇撰杂草的茂密程度喷洒不同避 的除鼙荆。冤豁南束棒韭大学麓陈撵l “| 也基予橇秣镌觉述霞了蠡溯藏莼撬器a 及可变量控铜系统 6 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 研究。变量喷雾技术目前主要用在喷洒除草剂、肥料以及药液k ，即根据土质对药液的吸收率来 变量喷洒。 1 4 研究目标与内容 本课题旨在研制一种适合温室大棚作业的喷雾机器人控制系统，要求该系统应能适应比较恶 劣的_ l 作环境( 比如高温高湿等) ，从而实现对机器人的可靠控制。设计一套独立丁- 机器人本身 的喷雾单元，机器人只提供与喷雾单元的公共接口，从而根据实际情况可选择不同的喷雾技术， 提高机器人喷雾系统的灵活性和通用性。 课题主要的研究内容包括以下儿方面： 1 搭建一种稳定高性能的机器人嵌入式控制系统； 2 设计一种有效的机器人诱导跟踪控制算法，以提高机器人的跟踪精度； 3 构建喷雾控制单元，实现自动喷雾； 4 构建与用户监控器无线通信的接口； 5 系统抗干扰设计。 第二章喷雾机器人控制系统硬件设计 控制系统硬件设计的好坏轰援影响到系统的可用性和稳定犍。本章主要是避行了喷雾机器人 控制系统的硬件搭建。 2 。 撬器天系统分绍 机器人系统是基于一移动小车搭建而来，系统集成了传感器系统、驱动系统、喷雾控制单元、 无线遴壤接露彝控蒜l 系统。该机器a 疆轮独立驱动，每个车轮鑫l 一个直淀电枫骧蘑。嚷雾鞔器入 如图2 - 1 所示。 2 1 1 机械本体 强2 嚷鬻枕器人 帆器人机械本体主要包括车身、前后车轮轴秘传感器支架，龆闰2 - 1 所示。前后轮轴通过两 个游动辆承与车身稳连，把前后耱辆中心与车身斡夹角陵毒l 在毒4 5 。之蠢，鄂翦爱轮羟可在左右 4 5 a 转动。冈此，机器人的最小转弯半径为3 0 c r n 。传感器支架主簧是用来安装机器人外部传感嚣 的。 2 2 传感器系绕 机器人的传感器系统主要包括4 对电磁感应传感器纽、2 个角度传赌器和1 个位置传感器( 如 圈2 。1 ) 。 中国农业大学硕十学位论文第二章机器人控制系统硬件设计 1 电磁感应传感器 机器人采用的是电磁导航，实际工作时，依靠4 组电磁感应传感器实时跟踪地面上预铺的诱 导线从而实现导航。电磁感应传感器的基本原理是在诱导线中通有一定频率的正弦交流信号( 频 率是1 5 k h z ) ，其周围就会产生随电流变化的交变磁场，根据法拉第电磁感应定律可知，处于 该交变磁场中的电磁感应传感器会产生一定大小的感应电动势s ，可表示为 f ；暇c o s 8 ) ( 2 1 ) r 其中k 姓常量，日是指传感器线圈截面法线与磁场方向的夹角，r 是指传感器与诱导线的距 离。 实际使用时，传感器安装在小车传感器支架的底部。设传感器与诱导线垂直方向有一定距离 为h ，水平方向与诱导线距离为d 。可得， ，：也2 + d 2 ( 2 - 2 ) 综合式2 1 和2 2 可得， ；k c o s 0 _ ： ( 2 - 3 ) 4 h 2 。d 2 从上式可以看出，假设口和h 不变，传感器产生的电动势e 与水平距离d 成反比，且左右对 称。因此单靠一个传感器无法识别传感器是在诱导线的左边还是右边。经研究表明，将两个电磁 感应传感器以一定的距离对称4 5 度固定安装( 如图2 - 2 ) 作为一个整体来确定诱导线的位置。这 样两只传感器输出电压的差值就在一定范围之内相对诱导线的水平位移呈很好的线性关系，而且 左右极性相反h ”。 所以，机器人就可以通过4 对这样的电磁感应传感器组来确定它相对诱导线的位置。 1 电磁传感器组一 2 电磁传感器组三 3 电磁传感器组二 4 电磁传感器组四 5 后轮角度传感器 6 车轮 7 车身 8 前轮角度传感器 9 瞒导线 4 图2 - 2 四轮驱动机器人结构示意图 9 中国农业大学硕上学位论文第二章 机器人控制系统硬件设计 2 角度传感器 在前、后轮与车身的连接轴承上分别安装有角度传感器( 如图2 - 1 ) 。前后角度传感器是分别 用米测量机器人前轮轮轴和后轮轮轴与车身的夹角。控制器借助这两个角度传感器测得的角度来 协调前斤轮的平均速度，保证前后轮不会出现运动干涉，为机器人实现四轮独立驱动打下基础。 3 位置传感器 位置传感器选用的是一种电感式传感器，它能检测金属物体，当有金属物体接近到有效范 围( o 5 0 m m ) 内时输出电压为o v ，否则输出电压接近电源电压。利用接近开关的这种特性，机 器人可以通过它感知在诱导线上放嚣的位置标志( 铁板) ，从而确定机器人的位置。 2 1 3 驱动系统 机器人驱动系统主要包括四个直流电机和四个p w m 功率驱动器。其中直流电机采用的是 种励它式直流伺服电机，电机功率为3 0 w ，额定电压为2 4 v ，转速为7 5 r m i n 。电机内部带有减 速器减速比为6 5 ：1 。p w m 功率驱动器选用的是已设计好的驱动器【蚰，“1 ，该驱动器是一种单极 性h 型可逆p w m 驱动器，带有互锁保护，光电隔离。每个驱动器可以独立控制两个直流电机。 2 1 4 喷雾控制接口 喷雾控制接口主要包括喷雾执行单元和喷雾单元接口( 图2 - 1 ) 。其中喷雾单元是由一个改装 的普通电动喷雾器和一个喷雾电磁阀组成。其结构示意图如图2 - 3 所示。 ? i 一 一；蓦： t o 唾莨 控制器模块喷雾单元接口 喷雾单元 圉2 - 3 喷雾系统结构示意图 i 喷雾器 选_ 日= | 了松果牌环保节能型电动喷雾器。喷雾器一桶的盛水容量为1 5 l ，j i j 作压力为 0 2 5 0 4 m d a ，流量每分钟可达1 5 2 o l ，雾化程度佳，j “泛应用丁棉花、蔬菜、果树、花卉、环 境绿化和大型温室等的喷施。 2 喷雾单元接口 因为喷雾方式的多样性，为使机器人一机多用，所以设计了一个喷雾单元公共接口，使喷雾 单元与喷雾机器人相对独立，提高机器人喷雾方式的灵活性。 机器人j 喷雾单元的接口有一个开关量输出和一路1 2 v 、2 a 的p w m 驱动输出c 其中开关餐 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二草机器人拄制系统硬件设计 输h ；用来控制机器人喷雾阀的开关：一路p w m 驱动喷雾电机，通过p w m 输出来调节喷雾电机 的转速，从而达到改变喷雾流量的目的。 3 喷雾电磁阀 喷雾电磁阀选用的是一个国产的2 w 、2 4 v ，常开型单向电磁阀。它可以用_ 丁；药液喷洒的自 动控制。 2 1 5 无线通信接口 课题中，为了实现机器人的遥控控制，必须设计一个能与监控器无线通信的接口。目前常用 熬无线逶落方式缀多，主要有无线经乡 、无线弱频蠛调辐、g p r s 帮蓝牙秃线簿。萁孛蓝雾炙线 技术虽然数据传送率很高，但其有效传送距离较短，主要用在智髓家庭无线喇络和短程一t ：厂现场 无线控制方面。g p r s 无线系统属丁超远程无线技术其结构，避讯协议较复杂，且成本较高不适 台谯本系统中采用。无线红外和调频或调幅无线属于中远程无线通讯，比较适食机器人的温室像 建鄹笺，毽是秃线薤， 逶最蓥受教作麴豹影穗，掰疆采弱了无绞调频熬方式，鼹终选蠲了无线数 健横块f 4 9 p 。 无线数传模块f 4 9 p 采片j 调频形式进行数据的传送，与上位机的接口为异步串口，这样连接方 便可靠。f 4 9 p 主要王作在4 3 1 m h z 一4 3 5 m h z 的频段内，每个信道阕有3 0 0 k i - i z 的频率间隔。可设攫 异步攀鑫缝犊格式隽8 个或9 5 数舞袋。逶谊疆离3 0 0 - - 4 0 0 m ，审强速率1 2 0 0 、2 4 0 0 、4 8 0 0 ，9 6 0 0 定 货可选，收发一体。可以看出，f 4 9 p 完全满足实际的需要。 2 1 6 控制系统 控制系统是机器人的核心，相当于机器人的“大脑”。它处道来自步 部传感器的信息，掷调 机器人的运动，从而实现机器人的路径跟踪和喷磐控制。因此控制系统的选择隧关重要。 目前机器人控制器中多采用单片机( m c u ) 的控制方案，从8 位单片机8 0 c 5 1 系列到1 6 位 d s p 、3 2 位a r m 。这些方案控潮效果基本上能满蹩要求，褥磺怒d s p 、a r m 溺惫本身集戒了多 种外设，比如p w m 输出单元，可以很方便用束控制电机凋速。实现机器人的运动控制。 下面是常用控制器各方面性熊的比较。如袭2 - 1 所示。 从表中可以羲滋，p c 1 0 4 嚣方蘧的性能都比较优越，特别怒在王手乍环境适应土和稳定性上宵 明簸的优势。 实际温室大棚作业的环境主磷特点是温度和进度比较大，一般的d s p 和a r m 板卡很难遗麻。 另外考虑到机器人实际操作的人机交互需要，以及实际作业环境e 志的保存需豫比较大的存储空 闽，溱戴选题了p c 1 0 4 系统控制方案。 中国农业大学硕士学位论文第二章机器人控制系统硬件设计 表2 - 1 常用控制器性能比较 能 处理速度存储空间开发方式抗干扰性t 作可扩 m 叫 f h z l环境展性 8 位单片机( 8 0 c 5 1 ) l j r s w 2 3 2 接口) 和c n l 8 ( r s - 4 2 2 哦r s - 4 8 5 接口) 。这两个端v 1 中断请求地址和基地址范围姓确定的， 霹在b i s o 中设釜c o m l 帮c o m 2 的基_ l 鏊垃。本系统采蹋簸试设置，郯：c o m i 设为3 f 8 1 q ，c o m 2 设为2 f 8 h ，中断请求号分别魑1 r q 4 和i r q 3 。见表2 - 3 。 袭2 - 3 事k 1 鞑鼓设置 端口 地址中断默认 审日1 3 f 8 ，3 e 8i r 0 4 3 f 8 路口22 7 8 ，2 e 8 i r 0 32 f 8 机器人的通信控制接1 2 t 就媳采用c o m l1 5 1 。机器人与监控器无线通信的结构如图2 - 9 所示， 机器入和监控器的两端箨装有一个无线鞭传模块f 4 卯，构成了一个无线通信嘲络。枫器人端串 1 31 与f 4 9 p 相连，监控器端a r m 板的串口与f 4 9 p 连接。采用的都是r s 2 3 2 串口格式，即t x ( 发送端) 、r x ( 接牧端) 和g n d ( 缝) 。 规嚣丸 2 数据采集横块 圈2 - 9 机器人与监控器通信结构示意图 整抡嚣 中国农业天掌硪土学位论文第二牵梳器人控制系统磋体凌计 数据采集模块采用的是石j f 华的p c m 3 7 8 h g 模块，8 位p c 1 0 4 模块。其结构框图如豳2 1 0 所示。 图2 1 0p c m 3 7 1 8 结构框图 该模块提供1 2 位精度的a d 转换，主疆特点有 4 5 j ； 8 路麓分输入或者1 6 鼹单端辕入； 每个模拟量输灭遥遴的增益可较 串编程； 数据传输可通过程序控制、中断或d m a 实现； 输入瓤闻：单极性，0 1 0 , 0 1 ，0 0 1 ，0 0 0 1 ；域极性，1 0 ，- - + 5 ，1 ，- + o + 5 ， 0 1 ，圭0 0 5 ，0 o t ，o 瓣5 ； 索霄1 6 b i l 黥弱已兼容瓣数字t o ： 一个8 2 c 5 4 定时器，1 0 m h z 或者1 m h z 时钟输入，主要是为a d 采集提供采样时神。 1 ) 寄存器结构 p c m - 3 7 1 8 摸块共f 1 臻l 了1 6 个t t o 翻，详霸国势蹩冕表2 4 。其孛b a s e 越撸p c m 一3 7 t 8 豹 中辫农监大学硕士学位论文 第一章 税嚣人控制系统硬件漫计 基地址，通过跳线从主控模块上选择。 袭2 - 4p g t d - 3 7 1 8i 0 端口地址分配 建囊读写 b a s e + 0 a d 低宁节和通道a d 软件触发器 b a s e + 1a i d 高字节a d 范剧控制 转a s 基+ 2 m u x 扫描m u x 翔籀遵道和范舆控制指针 驺a s e + 3d i o 低字节( d 1 0 0 - - 7 ) d 1 0 低字节( d 1 0 0 - - 7 ) b a s e + 4 n an a b a s e + 5n an ，a b