基于多傳感器融合的園藝作業(yè)機(jī)器人平臺自主導(dǎo)航控制研究

基于多傳感器融合的園藝作業(yè)機(jī)器人平臺自主導(dǎo)航控制研究

0規(guī)模大、風(fēng)險在西方工業(yè)化國家，設(shè)施和花園的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)水平非常高。近些年，我國的園藝產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)也在快速發(fā)展，但現(xiàn)今市面上的園藝機(jī)器人仍然稀少，且大多實(shí)現(xiàn)功能單一，自動化和智能化實(shí)現(xiàn)程度仍然處于較低的水平1ade應(yīng)用本研究采用STM32F103ZET6（以下簡稱STM32F103）作為系統(tǒng)的控制核心，選用ALIENTEK推出的高清攝像頭模塊ATK-OV2640作為視覺系統(tǒng)，采用北斗/GPS雙模定位實(shí)現(xiàn)路徑的構(gòu)建與識別，通過紅外、超聲波測距傳感器檢測障礙物。采用信息融合算法構(gòu)建了園藝環(huán)境機(jī)器人作業(yè)平臺自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。2圖1:《漢字》第5頁“接得住,沿線國家的接口”圖2系統(tǒng)硬件主要包括主控制器、電機(jī)控制與驅(qū)動模塊、電機(jī)、車輪、履帶、電池及多種傳感器。硬件電路連接如圖2所示。主控制器采用STM32F103，這是一款32位的微控制器，主要有實(shí)時定位功能和快速數(shù)字和信號處理功能，片上512kb的Flash及64kB的SRAM，具有80個GPIO接口以及IIC、SPI和USART接口功能，滿足本系統(tǒng)與不同傳感器的通信功能及對執(zhí)行單元的控制功能。2.1ov領(lǐng)域和裝置選用圖像采集模塊ATK-OV2640，它具有200W像素，其采用OmniVision公司生產(chǎn)的一顆1/4寸CMOSUXGA(1632*1232）圖像傳感器OV2640作為核心部件，集成有源晶振和LDO，具有標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，兼容IIC接口，安裝在小車的正前方，滿足本系統(tǒng)對圖像采集需要。2.2實(shí)時定位模塊選用ATK-S1216F8-BD模塊，它是一款高性能北斗/GPS雙模定位模塊，集定位、測速、定姿和授時等多種功能于一體，具有全球覆蓋、全天候、高精度和近乎連續(xù)實(shí)時的特點(diǎn)。該模塊體積小巧，性能優(yōu)異；可通過串口進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，并可保存在內(nèi)部FLASH，使用方便；自帶IPX接口，可以連接各種有源天線。2.3紅外避障模塊選用HC-SR04超聲波傳感器，它具有操作簡單、工作穩(wěn)定可靠且精度高、技術(shù)成本較低等優(yōu)點(diǎn)。選用GP2Y0A21YK0紅外傳感器，它是一款使用較多的紅外測距傳感器，在光線較弱的環(huán)境下效果好。為避免單一種超聲波避障存在的局限性，引入紅外測距模塊加以輔助避障。超聲波傳感器共設(shè)有6組，分別安置在小車的正前方、左前方、右前方、左右兩側(cè)及車尾，紅外測距傳感器共設(shè)有2組，分別位于小車的左前方和右前方。2.4電機(jī)輸出端口電機(jī)驅(qū)動模塊采用L293D，其有16個端口，其中的6個端口為電機(jī)控制信號輸入端口，4個端口為電機(jī)驅(qū)動電壓輸出端口。4個端口為接地端GND,2個端口為L293D供電電壓輸入端口VCC和VCC2。VCC給芯片提供5V的電壓使芯片可以正常工作，VCC2給電機(jī)提供9V的電壓保障電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。3生成導(dǎo)航信息要實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，除了需要獲取充分的外部環(huán)境信息外，還需要解決如何綜合利用這些信息確定導(dǎo)航策略并生成導(dǎo)航信息。本系統(tǒng)以攝像頭采集圖像為主，超聲波和紅外避障為輔，結(jié)合北斗/GPS定位信息進(jìn)行融合分析，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。3.1統(tǒng)信息分析路徑主程序流程圖如圖3所示。初始化包括對定時器、中斷及各傳感器的初始化工作，開啟系統(tǒng)的攝像頭和超聲波傳感器。為獲取系統(tǒng)信息，以攝像頭采集圖像為主，分析規(guī)劃路徑，以超聲波為輔檢測行進(jìn)前方是否有障礙物。控制器對采集到的圖像、各路數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，按照事先制定好的策略規(guī)劃出合理的行進(jìn)路徑。當(dāng)小車檢測到存在障礙時，將會進(jìn)入到避障環(huán)節(jié)，通過數(shù)據(jù)采集與分析，控制器發(fā)出直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、倒退等控制指令，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)避成功后，機(jī)器人平臺會繼續(xù)回歸到路徑的中心線，再次直線行走。3.2走路數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的圖像處理主控器通過攝像頭對行進(jìn)路徑的正前方進(jìn)行實(shí)時圖像采集和預(yù)處理，采用通過提取圖像關(guān)鍵信息建立初始模型的方法，利用獲取的圖像特征分析行走路徑圖像處理過程如圖4所示。3.3gps導(dǎo)航設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一定位模塊數(shù)據(jù)輸出采用NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)，是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備指定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。數(shù)據(jù)傳輸以“語句”的方式進(jìn)行，每個語句均為“$”開頭，然后是兩個字母的“識別符”和3個字母的“語句名”組成的ID信息頭，接著是以逗號分隔的數(shù)據(jù)體，語句末尾為校驗(yàn)和，整條語句以回車換行符結(jié)束3.4超聲波測距模塊避障功能包括前方避障和依據(jù)旁側(cè)參照物（如地壟或植被）直行2個方面，后者主要依靠紅外測距傳感器，前者要結(jié)合超聲波測距模塊與紅外測距模塊共同實(shí)現(xiàn)。工作流程如圖5所示。當(dāng)前方發(fā)現(xiàn)障礙物足以影響行進(jìn)時，系統(tǒng)將不再以攝像頭圖像信息為主，在車體周圍的5組超聲波測距模塊和2組紅外測距起主導(dǎo)作用輔助系統(tǒng)避開障礙。當(dāng)距離障礙物小于一定距離時，系統(tǒng)會采取轉(zhuǎn)彎策略，并將再次測距，直到系統(tǒng)旁側(cè)傳感器檢測到已通過障礙物后，小車將再次回到以攝像頭為主的導(dǎo)航模式，校正車身回歸到行進(jìn)路徑的中心線上。4優(yōu)化控制小型化車種，加速前進(jìn)路徑為驗(yàn)證本文導(dǎo)航算法的正確性，采用簡易移動平臺（以下簡稱小車）進(jìn)行了初步的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，在小車前方出現(xiàn)障礙物且距離較遠(yuǎn)時，小車根據(jù)北斗/GPS獲取的速度信息，減速前行；如圖7所示，當(dāng)障礙物與小車之間的距離到達(dá)所設(shè)定距離時，移動平臺開始避障，小車開始向右調(diào)整角度（如圖8所示）；當(dāng)紅外避障傳感器檢測到已經(jīng)避開障礙物后，小車自動校正車身，如圖9所示；當(dāng)已通過障礙物后，小車在主控器控制下通過快速調(diào)整重新回歸到前行路徑上，如圖10所示；當(dāng)小車經(jīng)校正回到最優(yōu)路徑后加速前行，如圖11所示。鑒于疫情防控要求，通過路邊模擬性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了自主導(dǎo)航的避障、直行及位置參數(shù)獲取（如表2）幾項(xiàng)功能，為后續(xù)進(jìn)行溫室內(nèi)基于電子地圖的實(shí)地化自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。5系統(tǒng)