智能農(nóng)業(yè)機器人定位導航新方法

紀素娟

(鄭州財經(jīng)學院，河南 鄭州 450001)

1 引言

隨著國家經(jīng)濟的不斷發(fā)展，作為國家民生的根本產(chǎn)業(yè)——農(nóng)業(yè)，從各方面都在開展著數(shù)字化、智能化建設，在廣大的平原地帶，采用無人設備耕種和遙控機器人耕種已成為農(nóng)業(yè)耕種的新氣象，而對應一些山區(qū)環(huán)境地帶數(shù)字化和智能化的進展較為緩慢，其主要原因一是由于山區(qū)環(huán)境多無法實現(xiàn)衛(wèi)星信號的全面覆蓋，導致農(nóng)業(yè)設備定位精度無法滿足作業(yè)需求；二是地形大多為梯田形式增加了自動化設備的作業(yè)難度；三是相應的作業(yè)設備自動化程度較低。為了更好的在山區(qū)等復雜環(huán)境實現(xiàn)智能化耕作設備使用，急需一種全新定位導航的方法來解決機器人的精準定位問題。針對上述情況，本文提出一種結合慣導的超寬帶定位方法，配合履帶傳動機制，完美實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機器人在多種復雜環(huán)境下作業(yè)，滿足了農(nóng)業(yè)智能化、數(shù)字化快速發(fā)展的需求。

2 超寬帶定位導航系統(tǒng)介紹

山區(qū)、丘陵等環(huán)境下衛(wèi)星信號一般較差或者無法獲得，無法通過衛(wèi)星信號定位，采用本文提出了智能農(nóng)業(yè)機器人新的定位方法——基于慣性導航的超寬帶定位導航系統(tǒng)，在機器人作業(yè)的區(qū)域提前架設基站，通過對定位標簽的高精度定位，定位精度達到10厘米，其精度能完全滿足機器人作業(yè)的精度需求。

超寬帶高精度實時定位技術是一種無載波、高精度、高可靠性的定位技術，利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。有人稱它為無線電領域的一次革命性進展，認為它將成為未來短距離無線通信的主流技術。超寬帶技術通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、功耗極小等諸多優(yōu)勢。采用UWB進行設備之間的通信，利用其亞納秒級的脈沖信號測量距離可以達到厘米級精度。

超寬帶定位導航系統(tǒng)組成包括：定位基站、定位標簽、定位引擎和中心服務器。在農(nóng)業(yè)機器人的頭部安裝超寬帶定位導航系統(tǒng)標簽，可以使機器人在制定作業(yè)區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)無盲區(qū)的精準作業(yè)。

超寬帶定位導航系統(tǒng)是一款基于脈沖超寬帶(IR-UWB)技術，為有效解決室內(nèi)、礦井、隧道等衛(wèi)星信號無法覆蓋區(qū)域的定位，而開發(fā)的高精度實時定位產(chǎn)品。超寬帶定位導航系統(tǒng)基于802.15.4a技術標準，兼容820.15.4.2011標準。系統(tǒng)發(fā)射的功率譜密度不大于-41.3dBm/MHz，選用帶寬為500MHz的信道，發(fā)射功率僅40μW，輻射極小。納秒級的窄脈沖具有較高的時間分辨率，能將直達信號和多徑信號分離，具有較強的抗多徑干擾能力，結合優(yōu)化的定位算法，保證在室內(nèi)等多徑效應顯著的應用場合的高精度定位。同時自組網(wǎng)的無線連接架構，使系統(tǒng)部署更簡單、穩(wěn)定可靠。

超寬帶定位導航系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層三部分。定位系統(tǒng)感知層包括定位基站(分為主Master和從Slaver兩種)、定位標簽(Tag)；網(wǎng)絡層為基站向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)的通道可以為有線網(wǎng)或無線網(wǎng)；應用層主要包括定位引擎和終端軟件，可在PC客戶端和手機APP上顯示。定位系統(tǒng)通過定位區(qū)域的擴展可以實現(xiàn)定位空間無限擴展，機器人安裝定位標簽后可以按照實現(xiàn)預定的作業(yè)路線在各個作業(yè)單元進行精準作業(yè)，并可通過定位平臺軟件，將機器人真實地以虛擬動態(tài)方式實時顯示出來，以供使用者監(jiān)督和查看。

3 超寬帶定位工作原理

超寬帶定位導航系統(tǒng)，是基于三基站的TDOA(信號到達時間差)定位算法，定位原理如圖1所示。設有N1、N2和N3共三個基站參與了定位行動，它們與移動臺N之間的距離分別為R1、R2、R3，那么移動臺到基站N1和N2的距離差為R12=R2-R1，由解析幾何中雙曲線的定義可知，移動臺M一定在以N1、N2為焦點，且兩焦點距離差恒為R12的雙曲線上。同理，由基站N2和N3，以及距離差R13=R3-R1，也可以確定一個雙曲線，移動臺N必定也位于這個雙曲線上。由此可知，滿足上述要求的點只可能是兩組雙曲線的交點，亦即移動臺N的位置。所以，TDOA定位法又稱為雙曲線定位法。ULocTM定位系統(tǒng)就是根據(jù)雙曲線定位法來確定Tag的位置的。

圖1 TDOA定位實現(xiàn)原理圖

4 具體實現(xiàn)

具體實現(xiàn)可以從四個方面進行。

4.1 地圖的構建

首先對需要進行作業(yè)的區(qū)域進行地圖構建，通過全站儀、激光測距儀等儀器進行地圖數(shù)據(jù)采集，并通過3DMax等軟件構建三維或二維地圖，并將構建好的地圖導入到中心服務器的地圖模塊中。

4.2 感知層的搭建

在所需機器人工作區(qū)域架設基站，可以按離地面的相對高度3.5米左右進行架設，無論是平地還是梯田，為了能保證信號的全面覆蓋，可將檢測區(qū)域劃分為若干網(wǎng)格，保證待作業(yè)機器人在每個區(qū)域，至少有3個接收機接收到UWB標簽的發(fā)射信號，以完成精確定位。定位基準站布設如圖2所示：紅色為定位基站的架設位置。

4.3 結合慣導實現(xiàn)無盲區(qū)作業(yè)

標簽安裝在機器人頭部，便于發(fā)射超寬帶信號，為了能使機器人實現(xiàn)無盲區(qū)全區(qū)域進行作業(yè)，加入慣導方式，其方法如下：若在t時刻和t+T1時刻定位標簽均在區(qū)域內(nèi)且信號正常，則從t+T1時刻開始記錄每個T3時間內(nèi)采集到的加速度的方差和每段時間的位移，并計算出每一個短暫時刻T1的平均速度記為v，若連續(xù)m個T3時間內(nèi)加速度的方差都小于預設的方差闊值，則以最近n次采集到的加速度值的平均值作為機器人自身的平均加速度a，一旦機器人突然失去信號或超出定位區(qū)域，則采用機器人上一時刻的平均速度v，加上最近測出的平均加速度a作為機器人下一階段保持的運動狀態(tài)，直到信號恢復或定位導航結束。通過以上策略可以實現(xiàn)機器人在所有待定位導航區(qū)域的無盲區(qū)平滑定位導航。如圖3為機器人定位實現(xiàn)系統(tǒng)結構圖。

圖3 農(nóng)業(yè)智能機器人定位實現(xiàn)系統(tǒng)結構圖

4.4 機器人硬件改良

機器人從以前的輪式改為履帶式，梯形車身前高后低，采用折疊車身，尺寸為76cm×53cm×30cm，全面展開高度可達2m；兩側為履帶驅動，包括光滑履帶、多用途履帶、冰雪用履帶三種；采用柴油大動力發(fā)動機，并配有多種前置配套結構，包括挖土、切草、噴藥、采摘等不同前置配件，全面滿足多種農(nóng)業(yè)耕作的需求。

4.5 靈活多樣的客戶端

通過WiFi、GPRS、3G或4G等方式將定位數(shù)據(jù)發(fā)送至終端服務器，進行數(shù)據(jù)解算，得到機器人實時位置信息，再加入到地圖當中，使其形象的在多種媒體中顯示出來，通過APP軟件，使用者可以遠距離進行查看和功能操作。

通過上述步驟實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機器人在山區(qū)，梯田等環(huán)境下自主作業(yè)，大幅度提高了山區(qū)農(nóng)業(yè)自動化的程度。

5 功能描述

智能農(nóng)業(yè)機器人內(nèi)設專家指導系統(tǒng)，根據(jù)外部多種傳感器(溫度、濕度等)，并通過網(wǎng)絡結合實時天氣對多種農(nóng)業(yè)作物進行有針對性作業(yè)，確保快速、高效的、準確的實時自動化作業(yè)，其主要功能如下四點。

5.1 工作區(qū)域和路線的快速指定

在地圖導入后，在需要工作區(qū)域進行指定路線，機器人進入工作區(qū)域后，根據(jù)指定的路線、帶作業(yè)的項目以及農(nóng)作物的種類進行快速自主工作。

5.2 定時、定量作業(yè)

機器人可以在人工設定時間的情況下，在規(guī)定時間進行針對性農(nóng)業(yè)工作，還可以根據(jù)預先設定好的工作量進行定量工作。

5.3 自主充電

機器人背部裝有接觸式充電裝置，在提前將充電位置坐標輸入，配合專用充電器，較為方便的在農(nóng)用拖拉機或者農(nóng)用充電站上進行自主接觸式充電，還可以進行人工遙控對接充電。

5.4 避障機制

在機器人的前面、后背以及下部都采用多種避障機制，下部主要采用紅外避障，前面和后背主要采用超聲波避障，并結合多種混合算法設定，使其更加容易的探測到石塊，大坑等，并及時通過改變方向、線路避免機器人損壞。

6 總結

在農(nóng)業(yè)智能機器人上采用結合慣導的超寬帶定位導航系統(tǒng)，改變了以往山區(qū)中農(nóng)業(yè)智能設備無法作業(yè)的局面，配合三種履帶式的傳動機制，再使用多種作業(yè)輔助配套裝置，可以使農(nóng)業(yè)智能機器人在山區(qū)、梯田等復雜環(huán)境進行多種作業(yè)，例如播種、施肥、噴藥、采摘等，大幅度提高了復雜農(nóng)地作業(yè)的工作效率，節(jié)省了大量人力、物力。實踐證明，采用慣導加超寬帶定位的新型農(nóng)業(yè)智能機器人在多種復雜環(huán)境下進行農(nóng)業(yè)工作科學有效，是一種可以大力推廣的新型機器人定位導航方法。

[1] 童凱翔.超寬帶在無線定位技術中的應用綜述[J].導航定位學報，2015，01(01)：10-14.

[2] 楊英杰，王曉峰，楊帆.基于UWB的多徑接收算法改進與研究[J].東北電力大學學報，2015，(02)：83-88.