自适应移动转向多功能园林修剪机械设计

倪江楠，朱西方

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

0 引言

自主导航技术研究的一个重要方向是避障功能，要想使农机作业有效地自主避开障碍物，首先是要对障碍物的距离、尺寸类型等进行检测[1-3]。虽然，这项技术进行了大量的研究，从不同环境模型到不同类型的传感器，但是完全实用性的产品还没有出现，其技术也有待于进一步提高[4]。在农机自主导航方面，要想实现路径规划和避障功能，必须使农机本身携带的传感器具有障碍物信息识别功能[5-7]。近年来，随着激光雷达技术的不断发展，激光传感器可以为导航提供精度更高的信息；并且信息精度较高，由此在移动自主导航机械中使用的也越来越多，将其使用在园林修剪机械的自主导航系统中，可以有效地提高系统的性能[8-12]。

1 园林修剪机械激光传感器定位系统设计

采用激光导航具有测量范围大、光束直径小、测量精度高等优点，且激光雷达作业时不受环境的影响，在光线不好的环境中依然能保持较高的测量精度，因此在农业中也开始被越来越广泛的应用由于园林枝叶修剪属于精细作业，作业速度慢，劳动强度大，其自动化作业需求较大。人工园林的枝叶修剪作业如图1所示。

图1 人工园林修剪作业场景图Fig.1 The scene graph of pruning operation of artificial garden

采用人工作业，修剪过程较慢、作业强度较高，但园林修剪作业又往往是行列较为整齐的树木，如果采用自动转向换行的修剪机械，可以大大地降低人工作业的劳动强度[15-19]。本文设计了一种基于激光传感器的自适应移动和转向修剪机械，其作业流程如图2所示。

根据激光测距自适应移动转向修剪机械的作业流程，设计了该机械作业装置的整体框架，主要包括PC处理器、激光发射和接收装置，以及CPLD时间间隔计时器等，如图3所示。

激光测距自适应转向系统采用脉冲开关实现PC机的自动复位，实现自适应功能，通过CPLD计时部分完成装置的自动化控制，最后将控制结果通过显示器实时显示[20-23]。

图2 自适应移动转向流程图Fig.2 The flow chart of adaptive moving steering

图3 激光测距自适应转向系统框架Fig.3 The adaptive steering system framework of laser ranging

2 激光测距和自适应移动转向原理

园林修剪机械的自适应移动转向主要依据激光测距和扫描原理，激光测距的原理比较简单[24-29]。假设激光发射器发出的激光在空气中的传播速度是V，其传播过程如图4所示。

当激光达到障碍物时会被反射回来，并被光电探测器接收，发射和接收共使用的时间为T，则测量距离为

S=VT/2

(1)

激光光强按高斯均匀分布，假设激光发射器的峰值功率为TtPt，发射的激光束的立体角为Ωt，激光的传送距离为R，由此可以得到激光在辐射被测物体上的照度为

(2)

其中，Ta是表示激光在传输过程中每传送距离为R时的大气透过率，则

(3)

其中，σ(λSRv)为大气消光系数。假定被测得的障碍物时理想的满反射体，则其可以作为二次辐射源，辐射亮度与出射照度之间的关系为

(4)

若被测障碍物的漫反射率为ρ，则目标的辐射出射度为Mm=ρEt，于是被测障碍物的辐射亮度为

(5)

在实际测量障碍物时，可以利用激光扫描得到的辐射亮度，判断障碍物的具体尺寸，然后结合距离信息，调整园林修剪机械的位姿和状态，为了提高测量精度，还需要使用激光放大器。

图4 激光测距原理图Fig.4 The schematic diagram of laser ranging

如图5所示：激光信号能量主要集中在一定的频带范围内，在实际使用时，可以根据障碍物可能的尺寸，选用合适的信号放大器。

图5 激光信号功率谱密度Fig.5 The power spectral density of laster signal

图6为园林修剪机械激光自适应移动转向原理的框架结构图。园林修剪机械的移动和避障主要依据激光雷达的测距和扫描获取障碍物的信息，然后通过地图坐标和自身位置坐标的测试，预测自身距离。通过获取的障碍物距离和特征尺寸信息，园林修剪机械通过调整转向和移动距离，躲避障碍物，并实现自主转向和换行功能。

图6 园林修剪机械激光自适应移动转向原理Fig.6 The principle of laser adaptive moving steering in garden pruning machine

3 修剪机械自适应移动转向性能测试

为了验证激光传感器在自适应移动转向性能上使用的可行性，首先对基于激光传感器的自适应移动转向装置进行了实验测试，测试仪器主要分为PC机和激光发射与接收装置，如图7所示。当前方出现障碍物时，通过激光扫描，PC机对障碍物的距离和尺寸信息进行自动识别，从而判断出需要移动的距离和转向的角度。通过激光扫描得到的环境数据如图8所示。

图7 激光测距移动转向测试Fig.7 The mobile steering test of laser ranging

图8 激光扫描得到的数据Fig.8 The data obtained by laser scanning

利用PC机可以对数据进行最小二乘法拟合，利用拟合特征曲线可以得到障碍物的特征信息。由扫描数据可知，该设备可以有效地对环境进行扫描，得到障碍物的相关尺寸数据，其使用在园林修剪机械设备上进行自适应移动和转向导航是可行的。

将自主移动转向导航设备安装在园林修剪机上作进一步的测试(见图9)，为了验证激光传感器自动作业机成功避障转向率与传统园林修剪机相比较的优势，进行了多次实验对比，得到了如表1所示的结果。

图9 园林修剪机自动作业测试Fig.9 The automatic work testing of garden pruning machine表1 园林修剪机自适应移动转向作业性能测试 Table 1 The performance test of adaptive shift steering for garden pruning machine

测试次数激光传感器自动作业机(成功避障转向次数)非激光传感器自动作业机(成功避障转向次数)500498487600595582700692679

续表1

由表1对比结果可以发现：采用激光传感器自适应移动转向的修剪作业机，其成功避障的次数要明显高于非激光传感器，且随着测试次数的增加，其稳定性好，满足园林修剪机械自主导航的设计需要。

4 结论

将激光传感器引入到了园林修剪机械定位导航系统中，并设计了自适应移动和转向方案，通过激光测距和障碍物特征扫描，实现了修剪机械的自动化定位、避障和换行等作业能力。根据激光测距和扫描原理，设计了激光传感器自适应移动和转向装置，并通过试验验证了作业环境的激光扫描功能。最后，对激光传感器自适应移动和转向的精度进行了测试，并将其与传统的导航定位装置进行了对比。测试结果表明：采用激光传感器自主移动和转向系统，成功避障的准确性和稳定性都有所提高，可以满足园林修剪机械的作业需求。

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