摘要：針對(duì)溫室內(nèi)農(nóng)藥噴灑作業(yè)自動(dòng)化的需求，設(shè)計(jì)了一種電磁誘導(dǎo)式農(nóng)用噴霧機(jī)器人路徑導(dǎo)航系統(tǒng)．采用數(shù)字波形合成技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于ARM7單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)．研制了機(jī)器人位置檢測(cè)傳感器和以霍爾芯片為核心的磁標(biāo)志檢測(cè)傳感器．利用信號(hào)發(fā)生器和傳感器成功實(shí)現(xiàn)了噴霧機(jī)器人的導(dǎo)航控制． 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；導(dǎo)航系統(tǒng)；噴霧 Abstract：In order to satisfy the need for automatically spraying pesticide in greenhouse，a path navigation system for electromagnetic guided spraying robots is designed．A signal generator based on ARM7 MCU（Micro Controller Unit）is developed with digital waveform synthesis technology．The position detection sensor and ferromagnetic detection sensor based on Hall chip are developed．Robot navigation control is implemented with the presented signal generator and sensors． Keywords：robot；navigation system；spraying 1 引言（Introduction） 機(jī)器人的導(dǎo)航定位方式有多種，常見的有機(jī)器視覺導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航、傳感器導(dǎo)航和電磁導(dǎo)航等．視覺導(dǎo)航主要是機(jī)器人通過CCD攝像頭獲得周圍環(huán)境信息，并規(guī)劃出所需路徑，從而沿著該路徑在沒有人工干預(yù)的情況下，移動(dòng)到預(yù)定目標(biāo)．這種導(dǎo)航方式主要存在的問題是機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)CCD攝像頭獲取的信息不夠，需要加額外的傳感器輔助實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航是一種以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)的導(dǎo)航與定位系統(tǒng)．它適于無線用戶，具有定位精度較高、能全天候工作的特點(diǎn)，但存在著抗干擾能力差等問題．傳感器導(dǎo)航包含有多種形式，如CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器和磁場(chǎng)傳感器等等．傳感器導(dǎo)航中還采用了多傳感器融合技術(shù)，使得這種導(dǎo)航方式應(yīng)用廣泛，但在一些特殊的環(huán)境中傳感器的探測(cè)范圍和精度并不是很理想．電磁導(dǎo)航是2O世紀(jì)5O年代美國(guó)開發(fā)的，到20世紀(jì)7O年代這種導(dǎo)航方式迅速發(fā)展并廣泛用于柔性制造系統(tǒng)中．中科院沈陽自動(dòng)化研究所已生產(chǎn)出基于電磁導(dǎo)航的多代移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品．日本BRAIN研究機(jī)構(gòu)已將這種導(dǎo)航方式用于農(nóng)業(yè)噴霧機(jī)械自動(dòng)化中，并開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品 ．筆者設(shè)計(jì)的基于電磁導(dǎo)航技術(shù)的農(nóng)藥噴霧機(jī)器人小巧靈活、可靠性高，能夠滿足溫室植保作業(yè)的要求．本文描述了農(nóng)藥噴霧機(jī)器人的組成，對(duì)電磁導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，著重討論了信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最后給出機(jī)器人相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果． 2 機(jī)器人系統(tǒng)組成（Composition of the robotsystem） 圖1為試驗(yàn)中使用的機(jī)器人系統(tǒng)．機(jī)器人由四輪驅(qū)動(dòng)單元、控制單元、傳感器調(diào)理單元和噴霧器組成．前后輪軸與車身各用一個(gè)軸承連接，軸承限制了前后輪軸與車身的夾角在±45。之內(nèi)．每個(gè)車輪通過一個(gè)直流電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并被封裝在一個(gè)馬達(dá)箱內(nèi)．機(jī)器人采用蓄電池供電．機(jī)器人利用左右輪的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制．8個(gè)電磁傳感器被分別裝在4個(gè)車輪的前后，用來獲取機(jī)器人與誘導(dǎo)線的偏差信號(hào)．兩個(gè)— 度傳感器裝在車輪軸與車身連接處的軸承上面，用來獲取前后輪軸與車身的角度偏差信號(hào)．兩個(gè)磁標(biāo)志傳感器放在車的前方和后方，用來檢測(cè)行進(jìn)中的定點(diǎn)位置．機(jī)器人控制系統(tǒng)原理框圖如圖2所示． [align=center] [/align] 3 機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)（The robot navigationsystem） 3．1 導(dǎo)航工作原理 根據(jù)圖2及圖3，機(jī)器人路徑導(dǎo)航系統(tǒng)由機(jī)器人控制器、誘導(dǎo)信號(hào)發(fā)生器、誘導(dǎo)線、磁標(biāo)志、傳感器和遙控器組成．它們之間的關(guān)系是，信號(hào)發(fā)生器提供了機(jī)器人行走使用的誘導(dǎo)線信號(hào)；根據(jù)實(shí)際溫室環(huán)境，誘導(dǎo)線被預(yù)鋪設(shè)在田間，做出作業(yè)規(guī)劃；機(jī)器人用位置傳感器檢測(cè)誘導(dǎo)線信號(hào)，獲得路徑信息，實(shí)現(xiàn)跟蹤；并用標(biāo)志傳感器檢測(cè)相應(yīng)位置處的磁標(biāo)志（鐵磁物質(zhì)），進(jìn)行噴霧作業(yè)；遙控器可對(duì)機(jī)器人的所有過程進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控和監(jiān)控． 誘導(dǎo)線（見圖3中5）中通，有一定頻率的交變電流，從信號(hào)發(fā)生器（見圖3中6）中引出，它提供了小車行走的路徑及方向信息．傳感器分兩種：一種是位置檢鋇4傳感器（見圖3中1、2、4、8），主要是拾取誘導(dǎo)線磁場(chǎng)信號(hào)，獲得機(jī)器人的位置信息；另一種是磁標(biāo)志檢測(cè)傳感器（見圖3中3），主要用于檢測(cè)預(yù)定位置處的磁鐵物質(zhì)（見圖3中9），執(zhí)行諸如噴霧等特定操作． 我們?cè)O(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)中用到了8個(gè)位置檢測(cè)傳感器，前進(jìn)時(shí)用機(jī)器人車輪前的4個(gè)傳感器（8組和2組），后退時(shí)用車輪后的4個(gè)傳感器（1組和4組）．機(jī)器人就是用這些傳感器獲取路徑信號(hào)，經(jīng)控制器處理后控制行走． 3．2 路徑誘導(dǎo)信號(hào)系統(tǒng) 3．2．1 誘導(dǎo)信號(hào)發(fā)生器 設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器是一個(gè)由ARM7系列單片機(jī)（LPC2106，Philips公司制造）為核心實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)，它具有信號(hào)產(chǎn)生、功率放大、16路通道切換、LED顯示和無線數(shù)傳等功能．信號(hào)發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù)，可以產(chǎn)生頻率可控的正弦波、三角波等波形．該系統(tǒng)信號(hào)發(fā)生單元的工作原理如圖4所示． 信號(hào)產(chǎn)生原理為，控制脈沖是由LPC2106控制器發(fā)出的可控脈沖序列，它由控制器中的定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生．控制脈沖輸入到兩片計(jì)數(shù)器（共8位）后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)脈沖，輸出端便依次輸出信號(hào)OxO0，OxO1，Ox02.... 這些信號(hào)又成為EPROM的地址信號(hào)，EPROM中存有正弦波或其他波形的離散化數(shù)據(jù)，于是便將這些數(shù)據(jù)輸出到D／A中轉(zhuǎn)換為正弦波形，再經(jīng)過二階濾波器濾波后便可得到平滑的正弦波．試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這樣的正弦波驅(qū)動(dòng)能力不夠，誘導(dǎo)線較長(zhǎng)時(shí)信號(hào)存在衰減，我們又增加了功率放大電路，這樣信號(hào)發(fā)生器便能穩(wěn)定工作．此外，遙控器可以對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行頻率設(shè)置、信號(hào)定時(shí)、通道切換和狀態(tài)監(jiān)控等，對(duì)機(jī)器人也有行走控制、噴霧控制、狀態(tài)監(jiān)控等功能． 3．2．2 誘導(dǎo)信號(hào)傳感器（位置傳感器） 把一個(gè)截面積為S的N匝線圈置于無線長(zhǎng)的通有交變電流J『的導(dǎo)線旁，則線圈回路的兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)s為： 其中,θ為線圈截面的法線與磁場(chǎng)方向夾角； μ[sub]o[/sub]為真空磁導(dǎo)率，為常數(shù);r為傳感器到誘導(dǎo)線之間的距離；為電流變化率． 可見，在通有交變電流的導(dǎo)線周圍放一個(gè)線圈L，則L兩端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與電流的變化率、線圈的匝數(shù)N、線圈的截面積S、線圈與導(dǎo)線的夾角θ以及線圈與導(dǎo)線的距離r有關(guān)。 位置檢測(cè)傳感器的構(gòu)造原理圖如圖5（a），它由電感 和電容C組成，它們的組合體可以檢測(cè)通有交變電流的導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)，感應(yīng)出交變的電壓信號(hào)u，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷盒盘?hào)． 圖5（b）是磁標(biāo)志檢測(cè)傳感器的工作原理圖．如圖所示，機(jī)器人路徑的識(shí)別就是檢測(cè)傳感器與誘導(dǎo)線之間的距離偏差．兩個(gè)傳感器分別置于機(jī)器人的兩側(cè)，誘導(dǎo)線處在它們的下方．理想情況是誘導(dǎo)線位于兩個(gè)傳感器中間時(shí)，傳感器輸出電壓相同，它們的差值為零；反之，誘導(dǎo)線偏向于任何一方都使離得近的傳感器輸出電壓較大，使得兩傳感器差值不為零，或正或負(fù)，形成偏差．利用這一信息，調(diào)節(jié)左右車輪速度就可以使機(jī)器人趨向于回到理想情況下的位置，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人沿誘導(dǎo)線行走的路徑導(dǎo)航． 圖6為我們?cè)O(shè)計(jì)的位置檢測(cè)傳感器實(shí)際的特性曲線，它說明了檢測(cè)距離與輸出電壓之間的關(guān) 考慮到有效電壓信號(hào)輸出大小等因素，我們最終選擇了L=11.3mH，C=1μF的傳感器，傳感器設(shè)計(jì)還涉及到了電感鐵芯材料選擇等．圖6中的數(shù)據(jù)是在導(dǎo)線中交變電流為0.18 A時(shí)測(cè)得的．在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器有效檢測(cè)距離必須在15cm以上（曲田問作業(yè)環(huán)境決定），這樣才能滿足作業(yè)環(huán)境的需要．在15cm處設(shè)計(jì)的傳感器檢測(cè)到的電壓信號(hào)大約在12mV左右，必須經(jīng)過放大后才能使用．輸出電壓u經(jīng)電壓放大器放大到3V后，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入到機(jī)器人控制器． 4 磁標(biāo)志檢測(cè)傳感器（Ferromagnetic deteclionsensor） 在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器人行走時(shí)需要在一些位置處執(zhí)行特定的操作．用一些鐵磁體放置在相應(yīng)的位置，再用機(jī)器人上的磁標(biāo)志檢測(cè)傳感器檢測(cè)這些鐵磁體，機(jī)器人就可以根據(jù)檢測(cè)到的鐵磁體信息來執(zhí)行相關(guān)的操作．磁標(biāo)志檢測(cè)傳感器的工作原理是，當(dāng)噴霧機(jī)器人經(jīng)過有鐵磁體的位置時(shí)，傳感器將會(huì)輸出一個(gè)由1→0或由0 →1變化的電壓脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)被傳輸給機(jī)器人控制器．控制器將記錄該脈沖信號(hào)，經(jīng)過n個(gè)鐵磁體就記錄n次，最后根據(jù)脈沖數(shù)n做出相應(yīng)動(dòng)作． 設(shè)計(jì)的傳感器是由兩片霍爾芯片、儀用放大器和一個(gè)觸發(fā)器組成．原理框圖見圖7，UGN3503是A1．1egro MicroSystems公司制造的一種線性霍爾傳感器．該傳感器沒有磁場(chǎng)時(shí)輸出為供電電壓的一半；有磁場(chǎng)存在時(shí)，正向面對(duì)磁場(chǎng)輸出電壓大于1／2供電電壓，反之小于1／2供電電壓． 在設(shè)計(jì)時(shí)如果采用由一片UGN3503制成的磁標(biāo)志檢測(cè)傳感器，那么傳感器電路將較為復(fù)雜，且存在著溫度漂移等不穩(wěn)定問題．若我們用兩片UGN3503分別正反向面對(duì)磁場(chǎng)，將它們的輸出端連在儀用放大器的差分輸入端上，便可獲得2倍于一片UGN3503的輸出信號(hào)，增強(qiáng)了檢測(cè)磁場(chǎng)和抗漂移的 能力． 圖8中的特性曲線反映了傳感器參考電壓同檢測(cè)距離之間的關(guān)系．先前的研究設(shè)計(jì)中，傳感器主要存在的問題是：檢測(cè)距離較短，傳感器需要每?jī)芍軜?biāo)定一次 ．分析主要原因是無磁場(chǎng)時(shí)儀用放大器輸出端電壓∞ 被標(biāo)定在0V（調(diào)節(jié)電位器VR獲得），參考電壓（見圖7）為2V，隨時(shí)間溫度變化，∞ 會(huì)漂移到參考電壓之上+3V左右，或遠(yuǎn)低于參考電壓，如一3V（已超出儀用放大器放大范圍），從而傳感器失效．改進(jìn)后的設(shè)計(jì)對(duì)參考電壓進(jìn)行了優(yōu)化，直接將其接地，即0V；并調(diào)節(jié)靜態(tài)下儀用放大器輸出電壓啪為一2V左右．改進(jìn)后的傳感器有效檢測(cè)距離在20cm以上，能夠滿足使用要求，改進(jìn)后的傳感器特性曲線見圖8中U0=一2．0V時(shí)的曲線． 5 室內(nèi)試驗(yàn)（Indoor experiment） 我們?cè)谑覂?nèi)進(jìn)行了噴霧機(jī)器人的行走試驗(yàn)．使用如圖1所示的噴霧機(jī)器人，誘導(dǎo)線中電流工作頻率為1．5kHz，位置傳感器距離地面高度為15cm，磁標(biāo)志傳感器距離地面20cm，進(jìn)行了走直線和轉(zhuǎn)彎兩組試驗(yàn)． 機(jī)器人行走時(shí)的最小轉(zhuǎn)彎半徑為600cm，這是由機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定的；機(jī)器人的行走速度在0．15—0．52m／s的范圍內(nèi)，可以跟蹤誘導(dǎo)線行走；在機(jī)器人以0．45m／s的速度走直線時(shí)，其前輪中點(diǎn)偏移誘導(dǎo)線最大距離h。為2cm左右；走45。角時(shí)，前輪中點(diǎn)偏移誘導(dǎo)線最大距離h：為30cm左右；同時(shí)，磁標(biāo)志傳感器可以在預(yù)定高度內(nèi)檢測(cè)到鐵磁體，并能輔助機(jī)器人進(jìn)行預(yù)定操作． 6 結(jié)束語（Conclusion） 本文設(shè)計(jì)的路徑導(dǎo)航系統(tǒng)，使電磁導(dǎo)航方式在農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化中得以應(yīng)用、發(fā)展．試驗(yàn)表明，該導(dǎo)航方式能夠輔助噴霧機(jī)器人完成行走的全部功能，同時(shí)這種導(dǎo)航方式也為其他農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化研究提供了借鑒． 參考文獻(xiàn)（References） [1] Cho S I，Lee J H。Chung S 0．Autonomous speed sprayer using DGPS and fuzzy control（I）[C]．Journal of the Korean Society for Agricultural Machinery，1997，22（4）：487—496． [2] 歐陽正柱，何克忠．GPS在智能移動(dòng)機(jī)器人中的應(yīng)用[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2001，15（11）：56—58． [3] 王志文，郭戈．移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]．機(jī)器人，2003，25（5）：470—474， [4] Iida M．Field Automation in Japanese Orchard[EB／OL]．http：／／pars。ifas．un．edu／Tedmieal％ 20Session／O1．1017．Miehi& JP／BRAIN％ 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