多图详解，温室移动作业平台如何实现自主换轨！
| 摘要 | 文章针对连栋温室轨道式种植工况环境特点，设计了一种在温室内可实现自主行走 - 定位 - 转向 -上下轨 - 换轨作业的移动作业平台。该文阐述了自主移动平台整体结构和工作原理，提出融合视觉导航技术和射频识别定位技术实现移动平台在温室内的自主行驶作业，并设计了自动控制方案。样机优化后测试结果表明：①优化前后轨道轮设计直径差为 5 mm 差值，前后万向轮安装高度差（5 mm）后，上轨 - 下轨成功率分别为 96% 和 100%；②通过 RFID 定位和视觉导航位姿偏差修正，不同速度下的位姿纠正平均成功率达到 95% 以上，最佳的 RFID 检测和车体制动距离所对应的车体速度为 0.2m/s；③自主移动作业平台在连栋温室种植环境下能够实现自主导航行走 - 转向 - 上轨 - 下轨 - 换轨的功能设计要求。
结构组成
自主移动作业平台主要由机构主体部分、驱动部分、轮系部分、控制部分、防撞部分、二层搭载平台等组成。整机结构及零部件安装位置俯视图如图 1 所示。
图 1 自主移动作业平台整机结构及零部件安装位置俯视图
功能设计及设计参数
◆功能设计
图 2 连栋温室内种植环境
自主移动作业平台应用于连栋温室种植环境，如图 2 所示。
◆设计参数及要求
分析连栋温室种植工况结合移动平台设计功能要求，移动平台设计参数及要求如表 1 所示。
表 1 移动平台设计参数及要求
工作原理
图 移动平台工作原理流程图
上 - 下轨流程分析
移动作业平台能否实现自主上轨 - 下轨是移动作业平台设计功能实现的难点，下面对移动平台上轨 - 下轨流程进行分析。上轨 - 下轨流程示意图，如图 4 所示。
图 4 移动平台上 - 下轨示意图
影响上 - 下轨因素分析
连栋温室种植工况的特点制约着移动作业平台机构设计尺寸和运动空间。温室内光照度的不同会影响移动作业平台对导航线的提取。移动作业平台在连栋温室内行走分为种植区行走和非种植区行走，种植区内主要在轨道上行走，非种植区一般采用混凝土硬化路面，由于硬化路面平整度不均匀，会对平台行走稳定性带来影响。理想状态下轨道安装底端应该与硬化路面相切接触，由于轨道安装高度和硬化路面平整度均存在差异，因此会影响移动平台上轨道时对轨精度。另一方面，在移动平台转弯换向时由于地面平整度不均和平台转向产生的惯性使平台转向后的位姿发生改变，也会影响平台上轨精度。
视觉导航
自主移动作业平台采用视觉导航方法行驶。技术路线图，如图 5 所示：
图 5 视觉导航行驶技术路线图
RFID 定位
使用 RFID 定位作为转向点决策左右转弯，将移动平台的运动轨迹限制为若干条直线段的组合，线段和线段之间相互平行或垂直，移动平台在固定路径中，仅需要直角转弯和视觉直线导航两个动作即可到达温室中任意地点，能够根据温室空间合理规划移动作业平台行驶路径，RFID 的工作流程图，如图 6 所示。
图 6 RFID 工作流程图
移动平台自主换向
移动作业平台采用两轮独立差速驱动实现移动平台换向转弯，转弯示意图如图 7 所示。
图 7 两轮差速转弯示意图
当移动作业平台在进行差速运动时，假设vr>vl，是移动作业平台两个地轮在相邻足够短的时刻瞬间运动状态，则移动作业平台的行驶速度v=(vl+vr)/2。移动作业平台在做同轴圆周运动时，两轮和 G(x,y) 点所处位置在圆周运动中角速度是相 等 ωl=ωr=ωG, 即 θ 1=θ 2=θ 3， 有 l=vr/ωr-vl/ωl，则移动作业平台瞬时角速度 ωG 可以由公式（1）计算得出。移动作业平台的旋转半径可由公式（2）计算得出。
移动平台系统硬件结构图和自主行走控制流程图分别如图 8~9 所示。
图 8 移动作业平台系统硬件结构图
图 9 移动作业平台控制流程图
轮系尺寸和负载对上下轨影响测试
移动作业平台地轮设计半径为 100 mm，轨道轮半径是 40 mm，地轮半径和轨道轮半径差等于轨道末端底面和顶面之差 60 mm。理想情况下，当轨道安装离地高度等于 60 mm 时作业平台刚好顺利上轨。但由于地面平整度不均导致轨道末端安装高度存在差异，当轨道安装离地高度大于60 mm 时，如图 10a 所示，平台呈上仰姿态入轨，导向轮易被轨道阻挡，发生撞击。当轨道安装离地高度小于 60 mm 时，如图 10b 所示，入轨呈下俯姿态，能够顺利上轨，但是在出轨时万向轮容易被地面卡住。经过现场实际大量测试统计，轨道末端上沿离地高度在 55~66 mm 之间。据此对导向轮尺寸和万向轮安装高度进行优化，使前轨道导向轮直径尺寸减少到 95 mm，后万向轮安装高度减少 5 mm。
图 10 平台上下轨道示意图
对优化后移动平台分别在空载和负载 300 kg条件下上轨、下轨试验测试，如图 11 所示。上下轨试验测试结果如表 2 所示。
图 11 优化后有无负载测试图
表 2 上下轨试验测试结果
试验结果表明，移动平台在负载情况下，前轨道导向轮和后轨道导向轮直径分别设计为95 mm 和 100 mm，存在 5 mm 的高度差且后万向轮安装高度与前万向轮安装高度存在 5 mm 的高度差时，移动平台上、出轨道成功率分别为 96% 和 100%，满足平台动能设计要求。
直角转向对位姿影响测试
当移动平台通过 RFID 定位转弯时，由于地表局部存在起伏、摩擦系数不一，车轮存在打滑的现象，导致移动平台在定位转弯后的位姿处于倾斜状态，如果不将移动平台位姿修正，会影响上下轨和行走精度。为解决此问题，首先对移动平台采取视觉位姿修正，当识别第一个地面标签后，移动平台转向 90°，但实际存在左偏、或右偏情况，通过地面色带进行视觉位姿修正。其次检测到第二个地面标签后再对移动平台进行上轨定位，修正前后效果分别如图 12 所示。
图 12 位姿修正前后对比图
位姿修正成功率测试：在摄像头视野范围内，人为设置移动作业平台位姿左和右偏，行驶速度分别设置 0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 m/s，左右分别测20 次。测量结果如表 3 所示。
表 3 位姿修正成功率测试
由测试结果可知，对移动作业平台在转向时采用视觉位姿修正后，当最大速度达到 0.6 m/s时，成功率在 95% 以上，当最大速度在 0.3 m/s 时，成功率为 100%，满足对作业平台的纠偏需求。
导航偏差对导航线提取影响测试
图 13 视觉修正示意图
采用机器视觉方法处理导航图像得到的拟合线与车体本身的中心线会产生偏差。为保证车体沿导航中心线行走，需对车体的行走偏差进行及时纠正。当车体偏离导航线时会产生距离偏差 λ和角度偏差 θ，如图 13 所示，它们之间的数学关系式如下。
通过差速运动模型可将偏差转换成半径 r 和差速 Δv：
式中：L 是导航图像视场长度；
l 是车体左右轮间距；
vr 和 vl 是左右轮速度；
x 是导航线与视场下边缘交点横坐标。
表 4 仿真实验结果
视觉位姿修正示意图，如图 13 所示。经过120 次不同偏差角矫正仿真试验得到偏差矫正数据，如表 4 所示。试验表明随着偏差角度的增加，纠偏成功率呈现下降的趋势，但是整体处于相对稳定的状态，平均纠偏率为 93.3%，符合工作需求。
行驶速度对 RFID 定位精度影响
表 5 RFID 触发测试数据
为确定行驶速度对 RFID 定位识别精度的影响，本文对移动平台的行驶速度分别设置为 0.2、0.4、0.6 m/s，采用前进和后退两种方式，测量平台检测到 RFID 标签信号后，触发立即停车指令，车体中心与 RFID 标签之间的距离。测试结果如表 5 所示，其中负为滞后，正为超前。测试结果表明，当移动平台的行驶速度设置为0.2 m/s 时 RFID 的定位精度最高。在采用前进和后退两种不同运动方式时，都需要对 RFID 定位进行位置补偿。
该试验针对连栋温室种植工况环境特殊性，设计了一种融合视觉导航和 RFID 射频识别的导航定位技术，用于移动作业平台的自主导航行走。具体包括移动平台的尺寸优化确定、控制系统的设计、工作原理和运动流程进行分析，对移动平台上轨 - 下轨、位姿修正、RFID 定位精度进行试验分析并得到相关设计参数。
同时还试制了移动平台的样机，通过对优化后样机测试结果表明：①优化前后轨道轮设计直径差为 5 mm 差值，前后万向轮安装高度差 5 mm 后，上轨 - 下轨成功率分别为 96% 和100%；②通过 RFID 定位和视觉导航位姿偏差修正，不同速度下的位姿纠正平均成功率达到 95% 以上，最佳的 RFID 检测和车体制动距离所对应的车体速度为 0.2 m/s。最终 自主移动作业平台在连栋温室种植环境下能够实现自主导航行走 - 转 向 - 上 轨 - 下 轨 - 换轨的功能设计要求。
引用信息
王蓬勃 , 黄锋 , 祁百生 , 等 . 温室移动作业平台自主换轨方法设计与试验 [J].农业工程技术 ,2021,41(04):27-32.