高 欣, 高艾平, 陳鑫凱, 孫 帥, 吳 珂, 張士強(qiáng)
(河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)及過(guò)程仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 唐山學(xué)院, 河北 唐山 063000)
新冠肺炎疫情形勢(shì)嚴(yán)峻且備受全社會(huì)關(guān)注。 校園、 企業(yè)、 居民小區(qū)、 市場(chǎng)等封閉園區(qū)類區(qū)域人員相對(duì)聚集, 藥物噴灑是目前一種常規(guī)的環(huán)境消殺方式, 但消殺作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大, 對(duì)消毒人員安全構(gòu)成威脅, 且作業(yè)難度增加, 作業(yè)時(shí)間段受限。
本次研發(fā)的自動(dòng)噴灑防疫藥物的智能作業(yè)車(chē)能按照系統(tǒng)設(shè)定的時(shí)間段、 行走軌跡自動(dòng)進(jìn)行指定區(qū)域的藥物噴灑作業(yè)。 操作人員只需按照提示裝備作業(yè)藥物、 設(shè)定作業(yè)行駛路徑, 作業(yè)車(chē)即可智能自動(dòng)作業(yè), 同時(shí)作業(yè)車(chē)能監(jiān)測(cè)藥物量等狀態(tài)信息, 對(duì)噴灑環(huán)境條件進(jìn)行判斷, 自動(dòng)避障。
如圖1所示, 作業(yè)車(chē)采用輪式驅(qū)動(dòng)底盤(pán), 選擇4輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)為動(dòng)力源, 左右電子差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向, 底盤(pán)的主要控制包括前進(jìn)、 后退、 制動(dòng)、 轉(zhuǎn)彎等基本功能。
圖1上裝部分主要包括藥物供給系統(tǒng)、 藥物噴灑控制系統(tǒng)、 GPS衛(wèi)星慣導(dǎo)定位系統(tǒng)、 超聲波傳感器、 激光雷達(dá)傳感器等; 電控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)環(huán)境感知和藥物噴灑作業(yè)控制。
圖1 作業(yè)車(chē)結(jié)構(gòu)形式示意圖
電控系統(tǒng)采用電子線控方式, 功能上包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、 感知系統(tǒng)、 執(zhí)行系統(tǒng)等。 整個(gè)電子電氣控制系統(tǒng)包括VCU、 感知、 執(zhí)行等, 系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。
圖2 電子電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D
單片機(jī)控制核心選擇Pixhawk作為整車(chē)控制單元VCU,Pixhawk 是一款透明且可以二次開(kāi)發(fā)的硬件, 其內(nèi)置2 個(gè)STM32 系列芯片, 其中STM32F427 芯片是主控制器,STM32F103芯片作為協(xié)處理器在主控制器發(fā)生故障時(shí)可以繼續(xù)運(yùn)行程序, 板載加速度計(jì)、 陀螺儀和氣壓計(jì)等傳感器。
GPS全稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng), 通過(guò)感知作業(yè)車(chē)地理坐標(biāo)位置信息, 實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃功能。 本設(shè)計(jì)選擇的GPS為M8N 電 子 羅 盤(pán), 如 圖3~圖5 所 示, 它 的 定 位 精 度 誤 差 在50cm左右, 工作電壓為5V, 更新速率為1kHz。 GPS模塊的4個(gè)引腳分別與Pixhawk中的VCC、 TX、 RX、 GND相連, 另2個(gè)引腳分別與CAN中的CAN_H和CAN_L相連。
圖3 Pixhawk實(shí)物圖
圖4 GPS連線示意圖
圖5 GPS實(shí)物圖
本設(shè)計(jì)將4個(gè)傳感器布置于車(chē)頭和車(chē)尾, 為避免由于超聲波安裝過(guò)近導(dǎo)致一個(gè)超聲波接收到另一個(gè)超聲波回波的情況, 不適宜安裝較多的超聲波傳感器。 超聲波傳感器安裝與電氣原理如圖6所示。 由于Pixhawk接口有限, 因此我們將IC接入一個(gè)集線模塊ATmega2560, 使一個(gè)IC接口可以插入4個(gè)超聲波傳感器。
圖6 超聲波傳感器安裝與電氣原理圖
驅(qū)動(dòng)電氣原理如圖7所示, 系統(tǒng)通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)控制直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速, 本設(shè)計(jì)對(duì)4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分組為左、 右兩組, 智能車(chē)左或右2個(gè)電機(jī)為同一電調(diào)控制, 因此只配置2個(gè)電調(diào)控制, 電機(jī)轉(zhuǎn)速通過(guò)電調(diào)控制, 電調(diào)受控于Pixhawk控制器。 控制原理為Pixhawk輸出某占空比的PWM信號(hào)用來(lái)控制電調(diào)引腳的開(kāi)關(guān)信號(hào)。 控制電調(diào)引腳開(kāi)關(guān)信號(hào)再發(fā)送給電機(jī), 控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速。 而本設(shè)計(jì)中, 底盤(pán)需要實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)、 右轉(zhuǎn)、 前進(jìn)和后退4個(gè)功能, 前進(jìn)和后退依靠占空比改變直流無(wú)刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn), 左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)通過(guò)改變左右2個(gè)電機(jī)的占空比, 左邊電機(jī)的占空比低于智能車(chē)右邊電機(jī)的占空比時(shí), 左輪的轉(zhuǎn)速低于右輪的轉(zhuǎn)速, 智能車(chē)實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。 反之, 底盤(pán)實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)。
圖7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電調(diào)電氣原理圖
數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是為了完成作業(yè)車(chē)與Mission Planner地面站通信任務(wù), 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)車(chē)輛數(shù)據(jù)信息的監(jiān)測(cè), 確保Mission Planner 地面站發(fā)布的命令作業(yè)車(chē)可以接收。 系統(tǒng)采用的是3DR 無(wú)線數(shù)傳,如圖8所示, 其具有傳輸距離遠(yuǎn)、 體積小巧、 方便等優(yōu)點(diǎn),3DR數(shù)傳的一端與PC端相連, 另一端與Pixhawk板相連, 既可以向PC端發(fā)送位置信息, 又可以接收PC端指令完成指定功能。
圖8 數(shù)傳模塊工作示意圖
系統(tǒng)采用Mission Planner地面站軟件與Pixhawk相配合,選擇高德地圖進(jìn)行路徑規(guī)劃、 下載固件、 傳感器初始化、參數(shù)標(biāo)定和行駛狀態(tài)檢測(cè)等功能。 軟件界面如圖9所示。
圖9 Mission Planner地面站
如圖10所示, 系統(tǒng)采用GPS單元和IMU單元感知車(chē)輛位姿作為PID的反饋信息。 如圖11所示, 進(jìn)行PID調(diào)參, 首先將I和D的值歸0, 然后對(duì)P值進(jìn)行設(shè)置, 設(shè)置原則根據(jù)先小后大, 且不能太大, 如果P值過(guò)大, 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn), 智能車(chē)行駛路線會(huì)與規(guī)劃路徑相差較多, 智能車(chē)會(huì)因?yàn)閼T性在路線左右多次往返運(yùn)動(dòng); 如果P值過(guò)小, 智能車(chē)的反應(yīng)會(huì)變慢; P值適中, 智能車(chē)也會(huì)因?yàn)閼T性在路線左右往返運(yùn)動(dòng),但誤差會(huì)逐漸減小, 經(jīng)過(guò)多次往返運(yùn)動(dòng)后, 小車(chē)會(huì)在路線上行駛。 然后, 為了控制比例環(huán)節(jié)的過(guò)調(diào), 設(shè)置微分參數(shù)D, 合適的D值會(huì)讓智能車(chē)更容易到達(dá)規(guī)劃路線上。 合適的P值和D值, 可以在平坦路面上行駛, 但如果路面崎嶇,智能車(chē)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn), 比例和微分控制環(huán)節(jié)會(huì)讓智能車(chē)在一段時(shí)間回到正常航線, 為縮短此時(shí)間, 配置積分控制參數(shù)I。 合適的I值, 會(huì)對(duì)誤差和誤差經(jīng)歷的時(shí)間做積分運(yùn)算,輸出更合適的PWM信號(hào), 讓智能車(chē)回歸軌跡。
圖10 PID參數(shù)調(diào)整圖
圖11 PID調(diào)參界面
圖12為調(diào)完P(guān)ID的值后智能車(chē)的規(guī)劃路徑和行駛路徑。經(jīng)過(guò)PID調(diào)參, 智能車(chē)的行駛路徑已經(jīng)可以和規(guī)劃路徑基本重合, 驗(yàn)證了智能車(chē)已經(jīng)可以在校園環(huán)境下自動(dòng)行駛。 智能作業(yè)車(chē)可以有效減輕人工投入, 提高作業(yè)速度, 便于實(shí)現(xiàn)多頻次、 定時(shí)消殺, 尤其是疫情嚴(yán)重地區(qū), 進(jìn)行有效的藥物噴灑工作, 能夠有效地避免人員與有害環(huán)境的接觸。
圖12 路徑規(guī)劃試驗(yàn)
本次研究的智能防疫無(wú)人駕駛作業(yè)車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)由通用電動(dòng)線控底盤(pán)加上裝作業(yè)部分組成, 電控系統(tǒng)采用Pixhawk飛控作為控制核心, GPS和陀螺儀位姿信息作為軌跡控制的反饋, 超聲波傳感器負(fù)責(zé)障礙物檢測(cè), 車(chē)輛轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)為電子差速轉(zhuǎn)向, 經(jīng)過(guò)PID調(diào)參調(diào)試, 能實(shí)現(xiàn)封閉園區(qū)的規(guī)劃路線的自動(dòng)行走和消殺防疫作業(yè), 未來(lái)會(huì)進(jìn)行環(huán)境感知的進(jìn)一步研究, 以適應(yīng)更復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。