农业搬运机器人控制系统设计*

2021-09-11陈志丁陈志伟

南方农机 2021年17期

宋敏，陈志丁，陈志伟

（天津职业技术师范大学，天津300222）

随着经济的快速发展，城镇化建设的不断推进，越来越多的农民希望能够从繁杂、重复的生产活动中解放出来。农用机器人的出现顺应了时代发展的潮流，能够极大地缓解农民繁重的劳动。本课题组在追求解放劳动力的同时，采用燃料电池代替普通电池驱动机器人进行工作，减少了环境污染，降低了消耗成本，提高了生产效率。导航定位技术是智能机器人所要解决的核心技术之一，迄今为止其手段主要为图像、光、声、电磁等原理方法的运用，根据机器人工作的空间环境、介质性质、行走距离、定位精度、对信号的敏感性等方面要求，确定解决问题的合理方式是其重点[1]。

1 总体方案设计

本设计为农业搬运机器人控制系统，能够实现目标区域的自主定位以及规避障碍物的功能，适用于多种农业耕作场所。能够实现对任务目标的路径优化，提高了耕作的安全性、工作的可靠性以及工作效率。利用超声波传感器检测行驶方向障碍，实现对搬运目标的精准定位。系统总体设计框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 燃料电池特点

燃料电池与一般的电池相比具体有如下特点：

1）价格低、效率高、性价比高。燃料电池能够将燃料的化学能直接转化为电能，它的燃料-电能转换效率较高，注意这里不是电化学效率，而是热能充分利用后转换为电效率。如果直接使用氢气，其电能转换效率超过50%；如果发电设施与燃气涡轮机并用，则整体效率可超过60%；如果再将电池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85%。要知道，核电的热-电转换效率不到30%，火电的大约在40%，很多热能都浪费了。

2）燃料电池的电站建设占地面积小，建设周期短，添加速度快，不必像充电电池一样等待较长时间。

3）燃料电池的电站独立性较强，各种规模都能建设，十分方便。既适合集中式电站，也能够作为分布式电站建设，也可以像充电桩一样在小区、工厂、单位等地方建设。

4）电站的功率调节灵活，只要调节燃料供给量，就可以低负荷运行或者满负荷运行。

5）燃料的适应面广泛，能够适用多种燃料。

6）经济环保，燃料电池产生的水和二氧化碳可以直接进行排放，不会对环境造成二次污染。

从目前来看，燃料电池集合了众多的优势于一身，它已经引起人们的极大关注。由燃料电池构成的发电系统对电力工业都具有极大的吸引力[2]。

3 定位及导航

移动机器人路径规划的简化可视图环境建模方法，通过综合考虑环境中障碍物的位置与移动机器人起点和终点的关系，剔除对路径规划结果不影响的障碍物，简化了环境模型的表示，达到了减少移动机器人候选路径数量的目的，提高了后续的路径规划算法的效率[3]。统一采用GPS卫星定位模块进行定位，并进行SLAM建图，采用行车图路径规划的方法进行了地图的转换，如图2所示，并找出了所有的可通行路径。

图2 行车图路径规划

采用A*算法从所有路径中分析，找到最优路径自主导航，如图3所示。正是由于它本身的重要性，自主定位导航技术在机器人控制系统中有着重要的作用。除了机器人行业，自主导航也广泛应用在汽车的无人驾驶技术当中。

图3 A*搜索算法

移动机器人通过内部的传感器可以确定自己的位置，通过外置的传感器可以感知周边的环境，利用地图能够在环境中进行自主的移动。GPS定位通过卫星信号能够确定机器人的所在位置，内置的陀螺仪和编码器能够确定机器人的位置和姿态，能够为机器人导航提供最基本的数据要求。本系统涉及定位装置主要有超声波导航定位、GPS定位系统。

3.1 超声波

随着传感器技术的发展，各种测距传感器都被研究者用在移动机器人上。目前，常用的有电磁雷达、激光雷达、红外传感器、超声波传感器、视觉传感器等[4]。超声波是频率高于20 kHz一种声波，波长短于常见声波，有较好方向性，在所有照明条件下甚至是阳光直射条件下均能完美工作，能可靠探测任何颜色的物体，包括透明物体。超声波由单片机控制其发生端发出超声波，当超声波在传送过程中遇到障碍物时进行反射，接收端收到超声波信号。单片机在发出信号控制发送端工作时开始计时，接收到超声波时停止计时，该时间乘以超声波的传送速度就能计算出传播距离，S=Tv/2，其中T为超声波发射和接收的时间差；v为超声波在介质中传播的波速。

超声波传感器具有检测精度高的特点，可以达到毫米级别，并且检测范围广，价格低，使用场合要求较低，能够适应大部分的工作场合，被广泛地应用到移动机器人的导航避障、定位中。由于超声波检测时数据量较低，所以采集速度快，可以适用于高速移动的机器人当中。

超声波传感器中采用热敏电阻检测环境温度，由于超声波传递速度受温度的影响较大，通过检测的温度结果对超声波的检测距离进行数据补偿，具有温度补偿的超声波传感器能够适用于绝大部分的场合，而且适应能力较强。超声波定位原理如图4所示。超声波具有很强的方向性,有利于回波检测识别，使得超声波测距被广泛应用,尤其应用于汽车雷达、扫地机器人等各种电子产品，而这些产品逐渐成为人们的生活必需品，同时，人们对这些电子设备的高精度性能提出了更高的要求[5]。采用超声波传感器进行避障，采用势场图法处理超声波的数据，如图5所示，自动加权调整规划好的路径，达到自动避障的目的。