CN106708061B - 一种温室移动作业平台协同跟随作业导航方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温室移动作业平台协同跟随作业导航方法及装置，属于设施农业智能装备技术领域。本发明通过磁导航传感器模块实现移动平台在温室垄间的自主导航，进而通过测距传感器模块检测移动平台与作业人员之间的距离，再通过主控制器控制移动平台的启停，从而实现移动平台与作业人员之间协同跟随作业的功能。本发明能够用于装载作业工具、运送物料果实等，以简单的结构和控制方法有效解决了温室内生产物流运输的问题，减轻工人的劳动强度，提高生产效率，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及设施农业智能装备技术领域，特别涉及一种能够协同作业的温室自主移动平台。
背景技术
目前，我国温室单栋面积越来越大，作物种植密集，垄间距狭窄，种植管理作业中经常需要作业人员来回搬运物料、工具和施药作业，劳动强度大，运送物料和机具费时费力，所以需要一种能够协助作业人员装载作业工具以及物料的移动作业平台。现有的作业平台只能通过固定路线巡航实现定点运输物料，无法根据作业人员的作业需要变化而实时补给和装载物料。目前的移动作业平台大多通过在温室内部铺设固定轨道作为导航路径，该方法成本高且改造难度大，而且高出地面的轨道也影响人员的行走以及其他作业机具的行驶。
中国发明专利ZL201510902728.8，发明名称为“可原地转向的AGV自行走运输车”。该发明在车体前后两端的从动轮之间设置两个独立驱动的驱动轮，并使两个驱动轮以相同的转速反向转动，实现运输车的旋转转向，减少空间的占用，从而实现AGV自行走运输车在狭窄的通道中的转向、取料及卸料操作。由于运输车在行走过程中缺少有效的定位辅助装置，无法灵活的设定取料或卸料地点。
中国实用新型专利201320386799.3，实用新型名称为“温室轨道自动运载平台”。该专利公开了温室轨道自动运载平台包括：平行铺设于地面的两条轨道和运载车。运载车上安装控制器以及车体前后两端的光电限位开关。在运载车行进的过程中，光电限位传感器通过检测挡板的位置发送信号给控制器，控制器向驱动装置发送停车信号，运载车自动停车。由于运输车在行走过程中，光电限位开关安装在固定位置，运输车只能在限位开关处停车，无法灵活地根据作业人员的需求实时设定停车点。
中国发明专利ZL201510902728.8，发明名称为“一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车及其控制方法”。该发明专利公开了一种温室内轨道式自动导引车包含导向轨道、底盘、搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池。自动导引车通过接近开关和绝对编码器以及电子地图采集坐标信息，经过单片机处理实现导引车的精确定位，通过前后驱动轮的独立控制实现导引车在温室主过道和畦间过道的往复运动以及轨道转弯处的转弯。该轨道式自动导引车的轨道铺设较复杂，针对温室垄间狭窄复杂的环境，难以实现导引路径的灵活调整，同时高出地面的导轨也影响了其它作业机具的正常行驶和作业人员的行走。
发明内容
本发明的目的在于提供一种温室移动作业平台协同跟随作业导航方法及装置，以解决温室内工作人员在作业过程中作业工具和物料果实的装载和轻便运输问题，本发明通过磁导航传感器实现移动平台在温室垄间准确、稳定的导航功能，改善了目前轨道式自动导引平台的路径铺设复杂、改造成本大等缺陷，同时通过测距传感器模块提供距离检测功能，从而解决了协同作业的目标跟踪问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种温室移动作业平台协同跟随作业导航装置，包括：运载平台(1)、履带行走装置及探测控制装置；所述运载平台(1)用于装载物料果实和作业工具；所述履带行走装置用于驱动运载平台(1)的行驶；所述探测控制装置用于检测平台的行驶路径偏差以及移动平台与工作人员之间的距离，并控制移动平台沿着导引路径跟随作业人员行驶。
所述履带行走装置由左伺服电机驱动器(11)、右伺服电机驱动器(12)、左伺服电机(10)、右伺服电机(9)、蓄电池组(18)、左齿轮减速器(14)、右齿轮减速器(13)、左履带(8)、右履带(7)、左驱动轮(16)、右驱动轮(15)、左诱导轮(4)、右诱导轮(3)、左负重轮(6)、右负重轮(5)组成；所述左伺服电机(10)和右伺服电机(9)的输出轴分别经左齿轮减速器(14)和右齿轮减速器(13)与左驱动轮(16)和右驱动轮(15)相互连接；所述左驱动轮(16)和右驱动轮(15)与左诱导轮(4)和右诱导轮(3)大小相等并通过左履带(8)和右履带(7)分别与位于运载平台(1)前面左侧的左诱导轮(4)和前面右侧的右诱导轮(3)连接；
履带行走装置的左负重轮(6)安装在左驱动轮(16)和左诱导轮(4)之间，右负重轮(5)安装在右驱动轮(15)和右诱导轮(3)之间，并分别与移动平台左右两侧的固定轴相连。
所述探测控制装置包括测距传感器模块、磁导航传感器模块(20)、温度检测模块、速度检测模块、无线发射模块和主控制器；所述履带行走机构的前测距传感器模块(21)和后测距传感器模块(22)分别安装在移动平台的车体纵向中心面上；测距传感器模块包括超声波测距传感器和红外传感器，每个测距传感器模块的超声波测距传感器安装在红外传感器的正上方并相距1cm；所述运载平台(1)的底部正中间安装磁导航传感器模块(20)，磁＝导航传感器模块(20)距离地面4cm且关于移动平台的车体纵向中心面对称；所述速度检测模块包括左编码器和右编码器，左编码器和右编码器分别与左伺服电机(10)和右伺服电机(9)连接；所述无线发射模块包括红外遥控器和红外接收头，红外接收头经导线与主控制器连接；所述温度检测模块通过导线与主控制器连接；所述主控制器安装在所述运载平台(1)内部，通过导线与左伺服电机驱动器(11)和右伺服电机驱动器(12)相连，左伺服电机驱动器(11)和右伺服电机驱动器(12)均引出导线分别连接左伺服电机(10)、左编码器和右伺服电机(9)、右编码器；所述主控制器经导线分别连接前测距传感器模块(21)和后测距传感器模块(22)的超声波测距传感器，再通过内置的模数转换模块经导线分别连接前后测距传感器模块(21)和后测距传感器模块(22)的红外传感器；所述左编码器和右编码器的外壳分别与左伺服电机(10)和右伺服电机(9)的外壳固定，左编码器转子与左伺服电机(10)的转子连接，右编码器转子与右伺服电机(9)的转子连接。
一种温室移动作业平台协同跟随作业导航方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一，导航装置接收到启动信号后，主控制器进入初始化程序，先判断程序是否有异常，若程序正常则选择工作模式，在手动模式下由红外遥控器遥控移动平台行驶，在跟随作业模式下则启动测距子程序，通过测距传感器模块的超声波传感器和红外传感器检测行进方向上障碍物的距离；
步骤二，为了补偿温室温度对声波在空气中传播速度的影响，通过温度检测模块实时测量当前温室的温度值T，得超声波的传播速度V为：
步骤三，测量时每组测距传感器模块的超声波传感器和红外传感器分别采集移动平台与作业人员之间的距离三次，通过自适应加权融合算法对测距传感器模块采集的数据进行处理，通过权值的计算和分配得到计算后的测量距离；
步骤四，当测距传感器模块的实际测量值小于设置的安全跟随距离时，主控制器控制左伺服电机和右伺服电机停止转动；当移动平台的测距传感器模块的实际测量距离大于设置的安全跟随距离时，主控制器控制左伺服电机和右伺服电机运行；
步骤五，磁导航传感器每个探测点之间距离1cm，移动平台在行驶过程中通过16位数字式磁导航传感器检测铺设在行驶路径上的导引磁条2产生的磁性，主控制器通过中断方式每150ms采集一次磁导航传感器的偏移量，通过磁导航传感器左右两侧探测点输出的不同位置判断移动平台偏离行驶路径的程度，主控制器根据移动平台的偏移量以及偏移量的变化率控制对左右伺服电机和右伺服电机进行PWM调速，当导引磁条在移动平台的正中间时，磁导航传感器中间的四个输出点导通，当磁导航传感器的输出点左移，移动平台重心偏向右垄，主控制器分别给左伺服电机和右伺服电机减小和增加相同的占空比，从而实现作业平台的左转调速；当磁导航传感器的输出点右移，移动平台重心偏向左垄，主控制器分别给左伺服电机和右伺服电机增加和减小相同的占空比，从而实现作业平台的右转调速，通过不断调整行驶位姿，实现移动平台沿着导引路径行走。
所述的自适应加权融合算法，具体计算过程如下：
过程一，为超声波传感器进行3次测量的测距均值，为超声波测距传感器的测距方差，计算公式如下
过程二，为红外传感器进行3次测量的测距均值，为红外传感器的测距方差，计算公式如下
过程三，超声波传感器和红外传感器的加权因子分别为Wp、Wq，计算公式如下
过程四，通过自适应加权融合后的测距均值计算公式如下
本发明具有有益效果。本发明以导引磁条作为移动平台的行驶路径，利用磁导引传感器采集导引磁条的磁信号，主控制器通过PWM信号控制两个驱动电机实现移动平台左右轮的差速行驶，从而实现移动平台的导航功能，不需要搭建轨道和支撑架，成本低适合在温室内使用。此外，履带式移动平台对不平整路面的适应性强，能够使温室垄间平稳运行，保证了移动平台的顺畅行走。本发明通过超声波传感器和红外传感器测量移动平台与作业人员之间的距离，通过主控制器控制驱动电机的启停，实现温室内移动平台跟随作业的功能，大大提高了作业效率。
附图说明
图1为本发明的左视图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明的控制关系框图；
图5为本发明的控制流程示意图；
图中：1、运载平台；2、底盘；3、右诱导轮；4、左诱导轮；5、右负重轮；6、左负重轮；7、右履带；8、左履带；9、右伺服电机；10、左伺服电机；11、左伺服电机驱动器；12右伺服电机驱动器；13、右齿轮减速器；14、左齿轮减速器；15、右驱动轮；16、左驱动轮；17、导引磁条；18、蓄电池组；19、控制箱；20、磁导航传感器模块；21、前测距传感器模块；22、后测距传感器模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本实施例温室移动作业平台包括运载平台、履带行走装置及探测控制装置，如图1，如图2，如图3所示。运载平台是由钢制材料搭建而成的框架，用于承载和运输各种作业机具及果实物料，运载平台的两侧对称安装履带行走装置。以左侧的履带驱动装置为例，左履带驱动装置包括左伺服电机、左齿轮减速器、左驱动轮、左诱导轮、左负重轮和左履带。左伺服电机的输出轴与左齿轮减速器相连并通过螺栓螺母固定在左齿轮减速器上，左齿轮减速器通过螺钉螺母固定在平台的侧壁上，左驱动轮经键固定在左齿轮减速器的输出轴上，左诱导轮通过双头螺栓固定在平台的框架上并通过左履带与左驱动轮形成环形链带，左负重轮通过螺钉并排固定在框架上。
参见图1-图4所示，探测控制装置包括主控制器、左伺服电机驱动器、右伺服电机、左编码器、右编码器、测距传感器模块、磁导航传感器模块、温度检测模块。主控制器是移动平台的控制核心，用于及时采集和处理信息并输出控制信号。左编码器和右编码器的外壳分别与左伺服电机和有伺服电机的外壳固定，其转子连接对应的左伺服电机和右伺服电机，用于实时检测伺服电机的转速。固定在平台下方的主控制器通过导线与左伺服电机驱动器和右伺服电机驱动器连接，左伺服电机驱动器和右伺服电机驱动器引出两根导线，分别连接对应的伺服电机和编码器。主控制器通过导线分别与前测距传感器模块和后测距传感器模块的超声波传感器和红外传感器相连。温度检测模块通过导线与主控制器连接，用于实现温室内温度的检测。
前测距传感器模块和后测距传感器模块分别安装在移动平台的前后两端并且在平台的纵向中心面上，测距传感器模块包括超声波测距传感器和红外传感器，每个模块的超声波测距传感器安装在红外传感器的正上方并且距离为1cm。由于温室内外温度差异大并且不同温度下声音的传播速度不同，所以设置温度检测模块对超声波传感器进行温度补偿。通过超声波传感器和红外传感器的测量信息，经过自适应加权融合算法处理后，得出当前移动平台与前方障碍物之间的距离，再由主控制器控制左伺服电机驱动器和右伺服电机驱动器控制左伺服电机和右伺服电机的运转。磁导航传感器在平台的底部正中间位置安装并且关于车体纵向中心面对称，磁导航传感器和地面之间距离为4cm。主控制器通过中断方式每150ms采集一次磁导航传感器的偏移量，通过磁导航传感器左右两侧输出点的不同位置判断移动平台偏离行驶路径的程度，主控制器根据移动平台的偏移量以及偏移量的变化率对左伺服电机和右伺服电机进行PWM调速，当导引磁条在移动平台的正中间时，磁导航传感器中间的四个输出点导通，当磁导航传感器的输出点左移，移动平台重心偏向右垄，主控制器分别给左伺服电机和右伺服电机减小和增加相同的占空比，从而实现作业平台在保持行驶速度不变的情况下进行左转调速；当磁导航传感器的输出点右移，移动平台重心偏向左垄，主控制器分别给左伺服电机和右伺服电机电机增加和减小相同的占空比，从而实现作业平台在保持行驶速度不变的情况下进行右转调速，从而实现移动平台沿着导引路径行走。
移动作业平台在行驶的过程中，主要是通过测距传感器模块检测行走路线上的障碍物的距离信息实现跟随作业的功能，通过磁导航传感器检测导航过程中的位置偏差信息从而实现自主导航的功能。移动平台车长1m，宽45cm，高40cm，可以将速度设定在0.5-1.0m/s内行驶。如图5所示，具体实施方法如下：
步骤1：作业人员通过手动开关启动移动平台，移动平台在开启后主控制器进入初始化程序，主控制器先判断通信是否正常，若通信正常则启动电机驱动程序，主控制器判断驱动程序是否有异常，若有异常则报警。初始化结束后，若驱动程序无异常，则进入主程序。首先通过温度检测模块测量温室内的温度值，对声速进行温度补偿。然后判断移动平台的运动模式，若选择遥控模式，则使用无线发射模块的红外遥控器发射控制指令，主控制器通过红外接收头接收控制指令并驱动移动平台行驶。若选择非遥控模式，则进入跟随作业模式。
步骤2：移动平台在跟随作业模式下，通过同侧的超声波传感器和红外传感器同时测量移动平台和障碍物之间的距离，每组数据测量三次。为了补偿温室温度对声速在空气中传播速度的影响，通过温度检测模块实时测量当前温室的温度值T，则超声波的传播速度V为：
步骤3：每测量三次则调用计算子程序，分别计算超声波传感器和红外传感器的测距均值为：
步骤4：计算超声波传感器和红外传感器的测距方差为：
步骤5：计算超声波传感器和红外传感器对应的权值为：
步骤6：计算超声波传感器和红外传感器的融合值为：
步骤7：根据温室作业的需要，在跟随作业模式下，设置移动平台的安全跟随距离为60cm，当实际测量值小于设置的安全跟随距离，则通过主控制器控制左伺服电机和右伺服电机停止运转；当实际测量值大于设置的安全跟随距离则通过主控制器控制左伺服电机和右伺服电机运转；
步骤8：在移动车辆行驶过程中，通过移动平台底部正中间安装的磁导航传感器检测路径上磁条的磁性。当导引磁条靠近，则磁导航传感器会有4个检测点同时导通，以移动平台导引路径为中线，当4个检测点偏向磁导航传感器右侧则平台重心与左垄靠近，平台需要右转调整；当4个检测点在磁导航传感器左侧则平台重心与右垄靠近，平台需要左转调整。
Claims (2)
1.一种温室移动作业平台协同跟随作业导航方法，其特征在于：利用一种温室移动作业平台协同跟随作业导航装置，包括：运载平台(1)、履带行走装置及探测控制装置；所述运载平台(1)用于装载物料果实和作业工具；所述履带行走装置用于驱动运载平台(1)的行驶；所述探测控制装置用于检测平台的行驶路径偏差以及移动平台与工作人员之间的距离，并控制移动平台沿着导引路径跟随作业人员行驶；
所述履带行走装置由左伺服电机驱动器(11)、右伺服电机驱动器(12)、左伺服电机(10)、右伺服电机(9)、蓄电池组(18)、左齿轮减速器(14)、右齿轮减速器(13)、左履带(8)、右履带(7)、左驱动轮(16)、右驱动轮(15)、左诱导轮(4)、右诱导轮(3)、左负重轮(6)、右负重轮(5)组成；所述左伺服电机(10)和右伺服电机(9)的输出轴分别经左齿轮减速器(14)和右齿轮减速器(13)与左驱动轮(16)和右驱动轮(15)相互连接；所述左驱动轮(16)和右驱动轮(15)与左诱导轮(4)和右诱导轮(3)大小相等并通过左履带(8)和右履带(7)分别与位于运载平台(1)前面左侧的左诱导轮(4)和前面右侧的右诱导轮(3)连接；
履带行走装置的左负重轮(6)安装在左驱动轮(16)和左诱导轮(4)之间，右负重轮(5)安装在右驱动轮(15)和右诱导轮(3)之间，并分别与移动平台左右两侧的固定轴相连；
所述探测控制装置包括测距传感器模块、磁导航传感器模块(20)、温度检测模块、速度检测模块、无线发射模块和主控制器；所述履带行走装置的前测距传感器模块(21)和后测距传感器模块(22)分别安装在移动平台的车体纵向中心面上；测距传感器模块包括超声波测距传感器和红外传感器，每个测距传感器模块的超声波测距传感器安装在红外传感器的正上方并相距1cm；所述运载平台(1)的底部正中间安装磁导航传感器模块(20)，磁导航传感器模块(20)距离地面4cm且关于移动平台的车体纵向中心面对称；所述速度检测模块包括左编码器和右编码器，左编码器和右编码器分别与左伺服电机(10)和右伺服电机(9)连接；所述无线发射模块包括红外遥控器和红外接收头，红外接收头经导线与主控制器连接；所述温度检测模块通过导线与主控制器连接；所述主控制器安装在所述运载平台(1)内部，通过导线与左伺服电机驱动器(11)和右伺服电机驱动器(12)相连，左伺服电机驱动器(11)和右伺服电机驱动器(12)均引出导线分别连接左伺服电机(10)、左编码器和右伺服电机(9)、右编码器；所述主控制器经导线分别连接前测距传感器模块(21)和后测距传感器模块(22)的超声波测距传感器，再通过内置的模数转换模块经导线分别连接前后测距传感器模块(21)和后测距传感器模块(22)的红外传感器；所述左编码器和右编码器的外壳分别与左伺服电机(10)和右伺服电机(9)的外壳固定，左编码器转子与左伺服电机(10)的转子连接，右编码器转子与右伺服电机(9)的转子连接；
所述的方法具体包括以下步骤：
步骤一，导航装置接收到启动信号后，主控制器进入初始化程序，先判断程序是否有异常，若程序正常则选择工作模式，在手动模式下由红外遥控器遥控移动平台行驶，在跟随作业模式下则启动测距子程序，通过测距传感器模块的超声波传感器和红外传感器检测行进方向上障碍物的距离；
步骤二，为了补偿温室温度对声波在空气中传播速度的影响，通过温度检测模块实时测量当前温室的温度值T，得超声波的传播速度V为：
步骤三，测量时每组测距传感器模块的超声波传感器和红外传感器分别采集移动平台与作业人员之间的距离三次，通过自适应加权融合算法对测距传感器模块采集的数据进行处理，通过权值的计算和分配得到计算后的测量距离；
步骤四，当测距传感器模块的实际测量值小于设置的安全跟随距离时，主控制器控制左伺服电机和右伺服电机停止转动；当移动平台的测距传感器模块的实际测量距离大于设置的安全跟随距离时，主控制器控制左伺服电机和右伺服电机运行；
步骤五，磁导航传感器每个探测点之间距离1cm，移动平台在行驶过程中通过16位数字式磁导航传感器检测铺设在行驶路径上的导引磁条2产生的磁性，主控制器通过中断方式每150ms采集一次磁导航传感器的偏移量，通过磁导航传感器左右两侧探测点输出的不同位置判断移动平台偏离行驶路径的程度，主控制器根据移动平台的偏移量以及偏移量的变化率控制对左右伺服电机和右伺服电机进行PWM调速，当导引磁条在移动平台的正中间时，磁导航传感器中间的四个输出点导通，当磁导航传感器的输出点左移，移动平台重心偏向右垄，主控制器分别给左伺服电机和右伺服电机减小和增加相同的占空比，从而实现作业平台的左转调速；当磁导航传感器的输出点右移，移动平台重心偏向左垄，主控制器分别给左伺服电机和右伺服电机增加和减小相同的占空比，从而实现作业平台的右转调速，通过不断调整行驶位姿，实现移动平台沿着导引路径行走。
2.根据权利要求1所述的一种温室移动作业平台协同跟随作业导航方法，其特征在于：步骤三中，所述的自适应加权融合算法，具体计算过程如下：
过程一，为超声波传感器进行3次测量的测距均值，为超声波测距传感器的测距方差，计算公式如下
过程二，为红外传感器进行3次测量的测距均值，为红外传感器的测距方差，计算公式如下
过程三，超声波传感器和纤外传感器的加权因子分别为Wp、Wq，计算公式如下
过程四，通过自适应加权融合后的测距均值计算公式如下
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