电磁诱导农用喷雾机器人途径导航系统的设计与实现.docx

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1、电磁诱导农用喷雾机器人途径导航系统的设计与实现电磁诱导农用喷雾机器人途径导航系统的设计与实现hanjuan导语：针对温室内农药喷洒作业自动化的需求，设计了一种电磁诱导式农用喷雾机器人途径导航系统。利用信号发生器和传感器成功实现了喷雾机器人的导航控制。摘要：针对温室内农药喷洒作业自动化的需求，设计了一种电磁诱导式农用喷雾机器人途径导航系统采用数字波形合成技术设计实现了基于ARM7单片机的信号发生器系统研制了机器人位置检测传感器和以霍尔芯片为核心的磁标志检测传感器利用信号发生器和传感器成功实现了喷雾机器人的导航控制关键词：机器人；导航系统；喷雾Abstract：Inordertosatisfyth

2、eneedforautomaticallysprayingpesticideingreenhouse，apathnavigationsystemforelectromagneticguidedsprayingrobotsisdesignedAsignalgeneratorbasedonARM7MCUMicroControllerUnitisdevelopedwithdigitalwaveformsynthesistechnologyThepositiondetectionsensorandferromagneticdetectionsensorbasedonHallchiparedevelop

3、edRobotnavigationcontrolisimplementedwiththepresentedsignalgeneratorandsensorsKeywords：robot；navigationsystem；spraying1引言Introduction机器人的导航定位方式有多种，常见的有机器视觉导航、GPS导航、传感器导航和电磁导航等视觉导航主要是机器人通过CCD摄像头获得四周环境信息，并规划出所需途径，进而沿着该途径在没有人工干预的情况下，挪动到预定目的这种导航方式主要存在的问题是机器人转弯时CCD摄像头获取的信息不够，需要加额外的传感器辅助实现GPS导航是一种以空间卫星为根底

4、的导航与定位系统它适于无线用户，具有定位精度较高、能全天候工作的特点，但存在着抗干扰才能差等问题传感器导航包含有多种形式，如CCD视觉传感器、超声波传感器、红外线传感器和磁场传感器等等传感器导航中还采用了多传感器交融技术，使得这种导航方式应用广泛，但在一些特殊的环境中传感器的探测范围和精度并不是很理想电磁导航是2O世纪5O年代美国开发的，到20世纪7O年代这种导航方式迅速开展并广泛用于柔性制造系统中中科院沈阳自动化研究所已消费出基于电磁导航的多代挪动机器人产品日本BRAIN研究机构已将这种导航方式用于农业喷雾机械自动化中，并开发出相关产品笔者设计的基于电磁导航技术的农药喷雾机器人小巧灵敏、可靠

5、性高，可以知足温室植保作业的要求本文描绘了农药喷雾机器人的组成，对电磁导航系统设计进展了具体的阐述，着重讨论了信号发生器系统和传感器系统的设计和实现，最后给出机器人相关试验结果2机器人系统组成Compositionoftherobotsystem图1为试验中使用的机器人系统机器人由四轮驱动单元、控制单元、传感器调理单元和喷雾器组成前后轮轴与车身各用一个轴承连接，轴承限制了前后轮轴与车身的夹角在45。之内每个车轮通过一个直流电机单独驱动，并被封装在一个马达箱内机器人采用蓄电池供电机器人利用左右轮的差速实现转向控制8个电磁传感器被分别装在4个车轮的前后，用来获取机器人与诱导线的偏向信号两个度传感器

6、装在车轮轴与车身连接处的轴承上面，用来获取前后轮轴与车身的角度偏向信号两个磁标志传感器放在车的前方和前方，用来检测行进中的定点位置机器人控制系统原理框图如图2所示align=center/align3机器人导航系统Therobotnavigationsystem31导航工作原理根据图2及图3，机器人途径导航系统由机器人控制器、诱导信号发生器、诱导线、磁标志、传感器和遥控器组成它们之间的关系是，信号发生器提供了机器人行走使用的诱导线信号；根据实际温室环境，诱导线被预铺设在田间，做出作业规划；机器人用位置传感器检测诱导线信号，获得途径信息，实现跟踪；并用标志传感器检测相应位置处的磁标志铁磁物质，进

7、展喷雾作业；遥控器可对机器人的所有经过进展远程遥控和监控诱导线见图3中5中通，有一定频率的交变电流，从信号发生器见图3中6中引出，它提供了小车行走的途径及方向信息传感器分两种：一种是位置检钡4传感器见图3中1、2、4、8，主要是拾取诱导线磁场信号，获得机器人的位置信息；另一种是磁标志检测传感器见图3中3，主要用于检测预定位置处的磁铁物质见图3中9，执行诸如喷雾等特定操纵我们设计的导航系统中用到了8个位置检测传感器，前进时用机器人车轮前的4个传感器8组和2组，后退时用车轮后的4个传感器1组和4组机器人就是用这些传感器获取途径信号，经控制器处理后控制行走32途径诱导信号系统321诱导信号发生器设计

8、的信号发生器是一个由ARM7系列单片机LPC2106，Philips公司制造为核心实现的系统，它具有信号产生、功率放大、16路通道切换、LED显示和无线数传等功能信号发生器采用数字波形合成技术，可以产生频率可控的正弦波、三角波等波形该系统信号发生单元的工作原理如图4所示信号产生原理为，控制脉冲是由LPC2106控制器发出的可控脉冲序列，它由控制器中的定时计数器产生控制脉冲输入到两片计数器共8位后，计数器开场计数脉冲，输出端便依次输出信号OxO0，OxO1，Ox02.这些信号又成为EPROM的地址信号，EPROM中存有正弦波或者其他波形的离散化数据，于是便将这些数据输出到DA中转换为正弦波形，再

9、经过二阶滤波器滤波后便可得到平滑的正弦波试验中发现这样的正弦波驱动才能不够，诱导线较长时信号存在衰减，我们又增加了功率放大电路，这样信号发生器便能稳定工作此外，遥控器可以对信号发生器进展频率设置、信号定时、通道切换和状态监控等，对机器人也有行走控制、喷雾控制、状态监控等功能322诱导信号传感器位置传感器把一个截面积为S的N匝线圈置于无线长的通有交变电流J的导线旁，那么线圈回路的两端产生的感应电动势s为：其中,为线圈截面的法线与磁场方向夹角；subo/sub为真空磁导率，为常数;r为传感器到诱导线之间的间隔；为电流变化率可见，在通有交变电流的导线四周放一个线圈L，那么L两端感应电动势的大小与电流

10、的变化率、线圈的匝数N、线圈的截面积S、线圈与导线的夹角以及线圈与导线的间隔r有关。位置检测传感器的构造原理图如图5a，它由电感和电容C组成，它们的组合体可以检测通有交变电流的导线四周的磁场，感应出交变的电压信号u，再经过信号调理电路将其转变为直流电压信号图5b是磁标志检测传感器的工作原理图如下图，机器人途径的识别就是检测传感器与诱导线之间的间隔偏向两个传感器分别置于机器人的两侧，诱导线处在它们的下方理想情况是诱导线位于两个传感器中间时，传感器输出电压一样，它们的差值为零；反之，诱导线偏向于任何一方都使离得近的传感器输出电压较大，使得两传感器差值不为零，或者正或者负，形成偏向利用这一信息，调节

11、左右车轮速度就可以使机器人趋向于回到理想情况下的位置，进而实现了机器人沿诱导线行走的途径导航图6为我们设计的位置检测传感器实际的特性曲线，它讲明了检测间隔与输出电压之间的关考虑到有效电压信号输出大小等因素，我们最终选择了L=11.3mH，C=1F的传感器，传感器设计还涉及到了电感铁芯材料选择等图6中的数据是在导线中交变电流为0.18A时测得的在实际应用中，传感器有效检测间隔必须在15cm以上曲田问作业环境决定，这样才能知足作业环境的需要在15cm处设计的传感器检测到的电压信号大约在12mV左右，必须经过放大后才能使用输出电压u经电压放大器放大到3V后，再经AD转换输入到机器人控制器4磁标志检测

12、传感器Ferromagneticdeteclionsensor在实际应用中，机器人行走时需要在一些位置处执行特定的操纵用一些铁磁体放置在相应的位置，再用机器人上的磁标志检测传感器检测这些铁磁体，机器人就可以根据检测到的铁磁体信息来执行相关的操纵磁标志检测传感器的工作原理是，当喷雾机器人经过有铁磁体的位置时，传感器将会输出一个由10或者由01变化的电压脉冲信号，这个信号被传输给机器人控制器控制器将记录该脉冲信号，经过n个铁磁体就记录n次，最后根据脉冲数n做出相应动作设计的传感器是由两片霍尔芯片、仪用放大器和一个触发器组成原理框图见图7，UGN3503是A11egroMicroSystems公司制

13、造的一种线性霍尔传感器该传感器没有磁场时输出为供电电压的一半；有磁场存在时，正向面对磁场输出电压大于12供电电压，反之小于12供电电压在设计时假如采用由一片UGN3503制成的磁标志检测传感器，那么传感器电路将较为复杂，且存在着温度漂移等不稳定问题假设我们用两片UGN3503分别正反向面对磁场，将它们的输出端连在仪用放大器的差分输入端上，便可获得2倍于一片UGN3503的输出信号，增强了检测磁场和抗漂移的图8中的特性曲线反映了传感器参考电压同检测间隔之间的关系先前的研究设计中，传感器主要存在的问题是：检测间隔较短，传感器需要每两周标定一次分析主要原因是无磁场时仪用放大器输出端电压被标定在0V调

14、节电位器VR获得，参考电压见图7为2V，随时间温度变化，会漂移到参考电压之上+3V左右，或者远低于参考电压，如一3V已超出仪用放大器放大范围，进而传感器失效改良后的设计对参考电压进展了优化，直接将其接地，即0V；并调节静态下仪用放大器输出电压啪为一2V左右改良后的传感器有效检测间隔在20cm以上，可以知足使用要求，改良后的传感器特性曲线见图8中U0=一20V时的曲线5室内试验Indoorexperiment我们在室内进展了喷雾机器人的行走试验使用如图1所示的喷雾机器人，诱导线中电流工作频率为15kHz，位置传感器间隔地面高度为15cm，磁标志传感器间隔地面20cm，进展了走直线和转弯两组试验机

15、器人行走时的最小转弯半径为600cm，这是由机器人的机械构造决定的；机器人的行走速度在015052ms的范围内，可以跟踪诱导线行走；在机器人以045ms的速度走直线时，其前轮中点偏移诱导线最大间隔h。为2cm左右；走45。角时，前轮中点偏移诱导线最大间隔h：为30cm左右；同时，磁标志传感器可以在预定高度内检测到铁磁体，并能辅助机器人进展预定操纵6完毕语Conclusion本文设计的途径导航系统，使电磁导航方式在农业机械智能化中得以应用、开展试验说明，该导航方式可以辅助喷雾机器人完成行走的全部功能，同时这种导航方式也为其他农业机械的智能化研究提供了借鉴参考文献References1ChoSI，

16、LeeJH。ChungS0AutonomousspeedsprayerusingDGPSandfuzzycontrolICJournaloftheKoreanSocietyforAgriculturalMachinery，1997，224：4874962欧阳正柱，何克忠GPS在智能挪动机器人中的应用J微计算机信息，2001，1511：56583王志文，郭戈挪动机器人导航技术现状与展望J机器人，2003，255：470474，4IidaMFieldAutomationinJapaneseOrchardEBOL：pars。ifasuneduTedmieal20SessionO11017Miehi&

17、JPBRAIN20by20Miehipdf，20015毛振珑磁场测量M北京：原子能出版社，1985，45556ZhangB，ChenzQThedevelopmentofanewtypeofmagneticfieldsensorusedfordetectingmagneticmarksAProceedingsoftheWorldEngendersConventionC，Beijing，China：ChinaScienceTechnologyPress，2004180183作者简介：杨世胜1980-男，硕士生研究领域：机电控制技术张宾1964-男，教授，博士生导师研究领域：机电控制技术机器人技术于婿风1978-男，硕士生研究领域：机电控制技术