基于模糊控制的割草机器人避障系统研究

摘要

我国是世界上水果生产及消费大国，水果需求的不断增长促使我国果园种植面积逐年增加。据资料显示，2015年我国果园种植面积同比增长6.1%，在面积增长的同时，果园中除草作业强度也在不断增大，而目前果园主要通过人工进行除草，不仅效率低，而且劳动强度大。针对目前果园除草过程中存在的问题，本文以现有平台为基础，通过设计一款前伸式机械避障机构实现在割草的同时对障碍物进行检测，并通过模糊控制系统控制车体位姿绕开障碍物回到原割草路径，从而实现对局部区域的自动避障割草。本文所做的主要研究工作如下：　　1）论文首先以现有平台为基础，从结构合理性、传感器排布以及实际加工可行性三方面对割草机器人前伸式机械避障机构进行设计，最终设计的割草机器人主要由车体、支架座、固定架和检测机构组成。检测机构由弧形臂固定装置及弧形臂组成，弧形臂上均匀分布九组接触装置，用来探测前方不同方位的障碍物，弧形臂长度为1000mm，前伸400mm，水平中心距离地面200mm。　　2）对割草机器人前行过程中的运动进行数学建模与分析，验证前伸式机械避障机构在使用过程中的合理性，对车体、弧形臂及与障碍物的碰撞进行运动学分析，得出在实际使用过程中可行性结论。设计了控制系统性能试验，验证自建控制系统的可行性及车体运行时的最佳行驶速度范围，以平均净生产率及割茬高度作为割草质量和效果的评价指标，得出在两者最佳时的平均行驶速度为0.25~0.30m/s，此时，平均净生产率约为0.17~0.22m2/s，割茬高度约为16.98~19.85cm，通过对电机PWM值、平均行驶速度及平均净生产率三者关系进行拟合得出控制系统性能良好。　　3）设计了模糊控制系统并进行仿真验证。因本文研究默认车体在作业过程中采用匀速前进的方式，因此本文以角度偏差及角度偏差变化率作为输入，以车体转向角为输出，通过检测前方100°范围内的障碍物，实现对障碍物位姿关系的确定，通过光滑、平缓的仿真输出曲面验证了本文设计的模糊控制系统性能良好，同时，由关系曲线图得出，在0~20°偏差范围内，车体输出转向角度很小，随着角度偏差的增大，车体输出转向角度也在不断增大，当角度偏差及其变化率接近最大时，车体基本保持50°最大转向角。　　4）设计了弧形臂效果验证及回位准确性试验，得出弧形臂回位偏差在2.0~4.1°左右；根据不同的避障策略进行了安全距离试验及航向保持试验，通过试验表明，在接触到障碍物后车体后退安全距离为100cm、转向50°后进行航向恢复5s时最佳，此时能在横向距离最小、割草效率最大且不与障碍物发生机械干涉的前提下实现避障。

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