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摘要｜針對小型田塊蔬菜種植過程中設(shè)備智能化程度低下，無法滿足新一代智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的問題，提出一種基于滑移轉(zhuǎn)向田園機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)主要由高精度定位模塊、路徑規(guī)劃模塊以及導(dǎo)航控制模塊組成，能夠控制機(jī)器人按預(yù)定義路徑進(jìn)行自主作業(yè)。針對傳統(tǒng)PID控制算法無法適應(yīng)復(fù)雜地形的問題，在控制系統(tǒng)的導(dǎo)航?jīng)Q策控制器中采用了模糊控制與模糊PID控制分段控制的策略。通過在田塊中進(jìn)行試驗，驗證控制系統(tǒng)的有效性和精確性，試驗結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)的路徑跟隨導(dǎo)航誤差和行距誤差均小于2.5cm，滿足小型田塊旋耕、播種等無人駕駛作業(yè)需求。

關(guān)鍵詞：滑移轉(zhuǎn)向；輪式機(jī)器人；無人駕駛；路徑跟隨；模糊控制

1引言

對于農(nóng)村合作社、城市周邊菜籃子工程以及高檔別墅后花園等小型田塊的蔬菜種植作業(yè)而言，目前大多采用傳統(tǒng)的人工種植方式，但隨著社會的發(fā)展以及城鎮(zhèn)化的浪潮，相關(guān)勞動力不斷減少，勞動力成本逐漸提高，同時其生產(chǎn)效率和智能化程度也受到制約。伴隨著新一代智慧農(nóng)業(yè)理念的發(fā)展，人們對于提升蔬菜種植過程中設(shè)備的智能化水平具有迫切需求。近年來，無人駕駛車輛技術(shù)[1]的快速發(fā)展，為提升農(nóng)機(jī)智能化程度開辟了一條新的道路。為了實現(xiàn)小型田塊蔬菜種植的智能化作業(yè)，本文提出了一種基于滑移轉(zhuǎn)向田園機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高精度定位、路徑規(guī)劃以及路徑跟隨等功能，能夠控制機(jī)器人按預(yù)定義路徑進(jìn)行自主作業(yè)，滿足了小型田塊旋耕、播種等無人駕駛作業(yè)需求，對提高蔬菜種植生產(chǎn)效率和智能化程度具有重要意義。

2田園機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)

2.1控制系統(tǒng)概述

對于小塊農(nóng)田、院落以及花園等小型田塊的旋耕、播種等蔬菜種植作業(yè)而言，地頭轉(zhuǎn)彎寬度對田塊的利用率有很大的影響。普通的農(nóng)業(yè)機(jī)械車輛通常存在最小轉(zhuǎn)彎半徑，因此地頭轉(zhuǎn)彎寬度難以減小。而使用滑移轉(zhuǎn)向方式的輪式車輛不僅轉(zhuǎn)向靈活性較高，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為0的原地轉(zhuǎn)向，同時具有機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠性高，驅(qū)動控制簡單等優(yōu)點，使用滑移轉(zhuǎn)向的輪式機(jī)器人能夠更好地滿足小型田塊的作業(yè)需求。因此，運(yùn)動控制系統(tǒng)基于四輪獨(dú)立驅(qū)動滑移轉(zhuǎn)向田園機(jī)器人平臺而開發(fā)。田園機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由高精度實時定位模塊、路徑規(guī)劃模塊以及導(dǎo)航?jīng)Q策控制模塊等三大部分組成。對于室外定位需求而言，RTK-GPS高精度定位技術(shù)[2]以載波相位差分技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠大幅提高GPS的定位精度，可實現(xiàn)厘米級的室外定位精度，因此該系統(tǒng)采用了RTK-GPS技術(shù)來獲取機(jī)器人的實時定位信息。同時對田塊進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過實時定位信息和預(yù)定義路徑得到機(jī)器人的跟隨誤差，使用跟隨誤差作為導(dǎo)航?jīng)Q策控制器的輸入，能夠控制機(jī)器人按照預(yù)定義的路線進(jìn)行自動旋耕、播種等作業(yè)，顯著提升小型田塊的作業(yè)效率和智能化程度。

2.2路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃[3]是田園機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的一個重要組成部分，路徑規(guī)劃研究的問題是如何根據(jù)作業(yè)對象規(guī)劃出合適的作業(yè)路徑，該路徑是田園機(jī)器人導(dǎo)航瞄準(zhǔn)的路徑，規(guī)劃的好壞直接影響導(dǎo)航的效果。本項目研究的小型田塊全覆蓋路徑規(guī)劃主要分為兩部分：直線作業(yè)路徑和轉(zhuǎn)彎作業(yè)路徑。路徑規(guī)劃的目的是規(guī)劃出合理路徑，達(dá)到最優(yōu)工作效率，并且要符合農(nóng)作物種植規(guī)律。以小型田塊為工作場景，根據(jù)田間路徑規(guī)劃的主要要求按照路徑規(guī)劃的技術(shù)路線進(jìn)行田間作業(yè)路徑規(guī)劃，得到如圖2所示的作業(yè)路徑。路徑特征點主要包括：直線作業(yè)起始點、終止點，轉(zhuǎn)彎的起始點、終止點；同時還需確定轉(zhuǎn)彎圓弧的圓心、半徑，圓弧起始角度、終止角度等參數(shù)。

2.3導(dǎo)航?jīng)Q策控制模塊

2.3.1導(dǎo)航控制原理

田園機(jī)器人導(dǎo)航控制的目的是使田園機(jī)器人能按照規(guī)定的預(yù)定義路徑實現(xiàn)自動行駛。其基本過程為：通過RTK-GPS設(shè)備來獲取田園機(jī)器人的實時位置信息和航向信息，并將田園機(jī)器人的實時位置信息和航向信息與預(yù)定義路徑相比較，當(dāng)檢測到田園機(jī)器人的行駛路徑與期望路徑有偏差時，將這些偏差信息輸入到導(dǎo)航?jīng)Q策控制器中，并解算出期望的質(zhì)心角速度，然后按照滑移轉(zhuǎn)向運(yùn)動學(xué)模型對各個車輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行分配，滑移轉(zhuǎn)向運(yùn)動學(xué)模型如式（1）所示。速度分解后發(fā)送給車身控制器，由車身控制器對各個車輪轉(zhuǎn)速做出相應(yīng)的調(diào)整來控制田園機(jī)器人的運(yùn)動，以達(dá)到減小偏差的目的，從而實現(xiàn)田園機(jī)器人的路徑跟隨。導(dǎo)航?jīng)Q策控制模塊的核心為導(dǎo)航控制算法，對于導(dǎo)航控制而言，傳統(tǒng)的PID控制算法具有簡單、可靠性高的特點，但往往需要建立精確的數(shù)學(xué)模型[4]。由于田塊地形環(huán)境復(fù)雜，無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此傳統(tǒng)的PID算法存在無法適應(yīng)復(fù)雜地形的問題。針對此問題，提出了模糊控制與模糊PID控制[5]分段控制的控制策略。當(dāng)偏差較大時，采用模糊控制算法進(jìn)行導(dǎo)航控制，不僅能夠克服PID控制無法適應(yīng)復(fù)雜多變的田塊地形的缺陷，同時還能實現(xiàn)快速糾偏；當(dāng)偏差較小時采用模糊PID控制算法進(jìn)行導(dǎo)航控制，能夠解決模糊控制算法小偏差情況下無法精確控制的問題，同時克服了傳統(tǒng)PID算法無法實時調(diào)整參數(shù)的缺點。

2.3.2模糊控制器的設(shè)計

模糊控制算法[6]是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能控制方法，能夠克服傳統(tǒng)PID控制無法精確建立模型的問題。本文以橫向偏差和航向偏差作為模糊控制器的兩個輸入，以田園機(jī)器人的質(zhì)心角速度作為模糊控制器的輸出，通過模糊控制可得到期望的質(zhì)心角速度，進(jìn)而控制各個車輪轉(zhuǎn)速實現(xiàn)田園機(jī)器人的路徑跟隨。2.3.3模糊PID控制器的設(shè)計PID控制算法具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性較強(qiáng)等優(yōu)點，其在各種控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。但是其參數(shù)整定異常繁瑣，同時針對本控制系統(tǒng)而言，當(dāng)機(jī)器人行駛速度改變時，需要選用不同的PID參數(shù)，因而傳統(tǒng)的PID控制器適用范圍有限，難以得到較好的控制效果。而模糊PID控制算法能夠按照一定的模糊規(guī)則對PID參數(shù)進(jìn)行實時優(yōu)化，克服了傳統(tǒng)PID算法無法實時調(diào)整參數(shù)的缺點，提高了控制算法的適用范圍，因而該系統(tǒng)在模糊控制的基礎(chǔ)上引入了模糊PID控制算法。

3田塊實地測試試驗與分析

為了驗證田園機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的有效性和精確性，搭建了四輪獨(dú)立驅(qū)動滑移轉(zhuǎn)向田園機(jī)器人樣機(jī)平臺，在其基礎(chǔ)上對運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行空載試驗，測試時選擇小型田塊作為工作場景。

3.1不同控制策略的對比試驗

為了驗證本系統(tǒng)提出的模糊控制與模糊PID控制分段控制策略的有效性和先進(jìn)性，與文獻(xiàn)[4]中提出的模糊控制加PID控制分段控制策略進(jìn)行了對比試驗。首先設(shè)置機(jī)器人行駛速度為0.4m/s，將兩種控制策略的各個參數(shù)整定至最優(yōu)，然后保持參數(shù)不變，將行駛速度提升至0.8m/s進(jìn)行測試試驗，得到如圖5所示的試驗結(jié)果。由圖5可知，使用模糊控制加PID控制的分段控制策略，當(dāng)速度變化較大時控制效果較差，而本系統(tǒng)提出的控制策略中的PID參數(shù)能夠進(jìn)行實時優(yōu)化，因而在行駛速度變化較大時仍能實現(xiàn)較好地控制。

3.2完整路徑跟隨試驗

為驗證田園機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的有效性和精確性，使用本系統(tǒng)提出的控制策略進(jìn)行完整路徑跟隨試驗，田塊長取55m，寬取8m。先對田塊進(jìn)行路徑規(guī)劃得到預(yù)定義的路徑信息，預(yù)定義的路徑包括4段直線作業(yè)路徑以及3段地頭轉(zhuǎn)彎路徑，直線作業(yè)路徑和地頭轉(zhuǎn)彎路徑行駛速度均取0.4m/s，然后進(jìn)行路徑跟隨試驗，得到如圖6所示的路徑跟隨結(jié)果。本文設(shè)計的運(yùn)動控制系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)路徑跟隨功能，其中直線跟隨效果優(yōu)于轉(zhuǎn)彎跟隨效果。由于轉(zhuǎn)彎路徑并不進(jìn)行作業(yè)，因此對導(dǎo)航精度的研究主要集中于直線路徑。在測試結(jié)果中剔除掉轉(zhuǎn)彎路徑等數(shù)據(jù)。采用模糊控制加模糊PID控制分段控制策略的導(dǎo)航?jīng)Q策控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的路徑跟隨。跟隨過程中的橫向偏差大部分在±2.5cm范圍內(nèi)，只有在由地頭轉(zhuǎn)彎路徑進(jìn)入直線作業(yè)路徑時，會出現(xiàn)部分偏差較大的點，但控制系統(tǒng)能夠快速進(jìn)行糾偏。為了定量地分析該運(yùn)動控制系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，對相關(guān)領(lǐng)域的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究。根據(jù)自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7]可知：路徑跟隨精度評價指標(biāo)主要有導(dǎo)航誤差和行距誤差。導(dǎo)航誤差為偏航距離誤差（橫向偏差）的平均值（取正值）與標(biāo)準(zhǔn)差之和，如式（5）所示。行距誤差為實際測試作業(yè)銜接行間距與期望行間距之間的誤差，計算方法同導(dǎo)航誤差一致。

4結(jié)論

本文提出了一種基于滑移轉(zhuǎn)向田園機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)，能夠提升蔬菜種植農(nóng)機(jī)設(shè)備的智能化水平。該系統(tǒng)主要包括RTK-GPS高精度實時定位模塊、路徑規(guī)劃模塊以及導(dǎo)航?jīng)Q策控制模塊等三大部分。通過路徑跟隨試驗，驗證了系統(tǒng)的有效性和精確性，導(dǎo)航誤差和行距誤差均小于2.5cm，能夠?qū)崿F(xiàn)小型田塊中旋耕、播種等無人駕駛作業(yè)。雖然本文的運(yùn)動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精度較高的路徑跟隨，但其中的導(dǎo)航控制算法在魯棒性和泛化性等方面仍有待進(jìn)一步的提高，這將會是未來的研究方向。

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作者：劉家亮  單位：天津工程機(jī)械研究院有限公司