摘要：針對溫室內農藥噴灑作業自動化的需求，設計了一種電磁誘導式農用噴霧機器人路徑導航系統．采用數字波形合成技術設計實現了基于ARM7單片機的信號發生器系統．研制了機器人位置檢測傳感器和以霍爾芯片為核心的磁標志檢測傳感器．利用信號發生器和傳感器成功實現了噴霧機器人的導航控制． 關鍵詞：機器人；導航系統；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） 機器人的導航定位方式有多種，常見的有機器視覺導航、GPS導航、傳感器導航和電磁導航等．視覺導航主要是機器人通過CCD攝像頭獲得周圍環境信息，并規劃出所需路徑，從而沿著該路徑在沒有人工干預的情況下，移動到預定目標．這種導航方式主要存在的問題是機器人轉彎時CCD攝像頭獲取的信息不夠，需要加額外的傳感器輔助實現GPS導航是一種以空間衛星為基礎的導航與定位系統．它適于無線用戶，具有定位精度較高、能全天候工作的特點，但存在著抗干擾能力差等問題．傳感器導航包含有多種形式，如CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器和磁場傳感器等等．傳感器導航中還采用了多傳感器融合技術，使得這種導航方式應用廣泛，但在一些特殊的環境中傳感器的探測范圍和精度并不是很理想．電磁導航是2O世紀5O年代美國開發的，到20世紀7O年代這種導航方式迅速發展并廣泛用于柔性制造系統中．中科院沈陽自動化研究所已生產出基于電磁導航的多代移動機器人產品．日本BRAIN研究機構已將這種導航方式用于農業噴霧機械自動化中，并開發出相關產品 ．筆者設計的基于電磁導航技術的農藥噴霧機器人小巧靈活、可靠性高，能夠滿足溫室植保作業的要求．本文描述了農藥噴霧機器人的組成，對電磁導航系統設計進行了詳細的闡述，著重討論了信號發生器系統和傳感器系統的設計和實現，最后給出機器人相關試驗結果． 2 機器人系統組成（Composition of the robotsystem） 圖1為試驗中使用的機器人系統．機器人由四輪驅動單元、控制單元、傳感器調理單元和噴霧器組成．前后輪軸與車身各用一個軸承連接，軸承限制了前后輪軸與車身的夾角在±45。之內．每個車輪通過一個直流電機單獨驅動，并被封裝在一個馬達箱內．機器人采用蓄電池供電．機器人利用左右輪的差速實現轉向控制．8個電磁傳感器被分別裝在4個車輪的前后，用來獲取機器人與誘導線的偏差信號．兩個— 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．兩個磁標志傳感器放在車的前方和后方，用來檢測行進中的定點位置．機器人控制系統原理框圖如圖2所示． [align=center] [/align] 3 機器人導航系統（The robot navigationsystem） 3．1 導航工作原理 根據圖2及圖3，機器人路徑導航系統由機器人控制器、誘導信號發生器、誘導線、磁標志、傳感器和遙控器組成．它們之間的關系是，信號發生器提供了機器人行走使用的誘導線信號；根據實際溫室環境，誘導線被預鋪設在田間，做出作業規劃；機器人用位置傳感器檢測誘導線信號，獲得路徑信息，實現跟蹤；并用標志傳感器檢測相應位置處的磁標志（鐵磁物質），進行噴霧作業；遙控器可對機器人的所有過程進行遠程遙控和監控． 誘導線（見圖3中5）中通，有一定頻率的交變電流，從信號發生器（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），主要是拾取誘導線磁場信號，獲得機器人的位置信息；另一種是磁標志檢測傳感器（見圖3中3），主要用于檢測預定位置處的磁鐵物質（見圖3中9），執行諸如噴霧等特定操作． 我們設計的導航系統中用到了8個位置檢測傳感器，前進時用機器人車輪前的4個傳感器（8組和2組），后退時用車輪后的4個傳感器（1組和4組）．機器人就是用這些傳感器獲取路徑信號，經控制器處理后控制行走． 3．2 路徑誘導信號系統 3．2．1 誘導信號發生器 設計的信號發生器是一個由ARM7系列單片機（LPC2106，Philips公司制造）為核心實現的系統，它具有信號產生、功率放大、16路通道切換、LED顯示和無線數傳等功能．信號發生器采用數字波形合成技術，可以產生頻率可控的正弦波、三角波等波形．該系統信號發生單元的工作原理如圖4所示． 信號產生原理為，控制脈沖是由LPC2106控制器發出的可控脈沖序列，它由控制器中的定時計數器產生．控制脈沖輸入到兩片計數器（共8位）后，計數器開始計數脈沖，輸出端便依次輸出信號OxO0，OxO1，Ox02.... 這些信號又成為EPROM的地址信號，EPROM中存有正弦波或其他波形的離散化數據，于是便將這些數據輸出到D／A中轉換為正弦波形，再經過二階濾波器濾波后便可得到平滑的正弦波．試驗中發現這樣的正弦波驅動能力不夠，誘導線較長時信號存在衰減，我們又增加了功率放大電路，這樣信號發生器便能穩定工作．此外，遙控器可以對信號發生器進行頻率設置、信號定時、通道切換和狀態監控等，對機器人也有行走控制、噴霧控制、狀態監控等功能． 3．2．2 誘導信號傳感器（位置傳感器） 把一個截面積為S的N匝線圈置于無線長的通有交變電流J『的導線旁，則線圈回路的兩端產生的感應電動勢s為： 其中,θ為線圈截面的法線與磁場方向夾角； μ[sub]o[/sub]為真空磁導率，為常數;r為傳感器到誘導線之間的距離；為電流變化率． 可見，在通有交變電流的導線周圍放一個線圈L，則L兩端感應電動勢的大小與電流的變化率、線圈的匝數N、線圈的截面積S、線圈與導線的夾角θ以及線圈與導線的距離r有關。 位置檢測傳感器的構造原理圖如圖5（a），它由電感 和電容C組成，它們的組合體可以檢測通有交變電流的導線周圍的磁場，感應出交變的電壓信號u，再經過信號調理電路將其轉變為直流電壓信號． 圖5（b）是磁標志檢測傳感器的工作原理圖．如圖所示，機器人路徑的識別就是檢測傳感器與誘導線之間的距離偏差．兩個傳感器分別置于機器人的兩側，誘導線處在它們的下方．理想情況是誘導線位于兩個傳感器中間時，傳感器輸出電壓相同，它們的差值為零；反之，誘導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，形成偏差．利用這一信息，調節左右車輪速度就可以使機器人趨向于回到理想情況下的位置，從而實現了機器人沿誘導線行走的路徑導航． 圖6為我們設計的位置檢測傳感器實際的特性曲線，它說明了檢測距離與輸出電壓之間的關 考慮到有效電壓信號輸出大小等因素，我們最終選擇了L=11.3mH，C=1μF的傳感器，傳感器設計還涉及到了電感鐵芯材料選擇等．圖6中的數據是在導線中交變電流為0.18 A時測得的．在實際應用中，傳感器有效檢測距離必須在15cm以上（曲田問作業環境決定），這樣才能滿足作業環境的需要．在15cm處設計的傳感器檢測到的電壓信號大約在12mV左右，必須經過放大后才能使用．輸出電壓u經電壓放大器放大到3V后，再經AD轉換輸入到機器人控制器． 4 磁標志檢測傳感器（Ferromagnetic deteclionsensor） 在實際應用中，機器人行走時需要在一些位置處執行特定的操作．用一些鐵磁體放置在相應的位置，再用機器人上的磁標志檢測傳感器檢測這些鐵磁體，機器人就可以根據檢測到的鐵磁體信息來執行相關的操作．磁標志檢測傳感器的工作原理是，當噴霧機器人經過有鐵磁體的位置時，傳感器將會輸出一個由1→0或由0 →1變化的電壓脈沖信號，這個信號被傳輸給機器人控制器．控制器將記錄該脈沖信號，經過n個鐵磁體就記錄n次，最后根據脈沖數n做出相應動作． 設計的傳感器是由兩片霍爾芯片、儀用放大器和一個觸發器組成．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．該傳感器沒有磁場時輸出為供電電壓的一半；有磁場存在時，正向面對磁場輸出電壓大于1／2供電電壓，反之小于1／2供電電壓． 在設計時如果采用由一片UGN3503制成的磁標志檢測傳感器，那么傳感器電路將較為復雜，且存在著溫度漂移等不穩定問題．若我們用兩片UGN3503分別正反向面對磁場，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，增強了檢測磁場和抗漂移的 能力． 圖8中的特性曲線反映了傳感器參考電壓同檢測距離之間的關系．先前的研究設計中，傳感器主要存在的問題是：檢測距離較短，傳感器需要每兩周標定一次 ．分析主要原因是無磁場時儀用放大器輸出端電壓∞ 被標定在0V（調節電位器VR獲得），參考電壓（見圖7）為2V，隨時間溫度變化，∞ 會漂移到參考電壓之上+3V左右，或遠低于參考電壓，如一3V（已超出儀用放大器放大范圍），從而傳感器失效．改進后的設計對參考電壓進行了優化，直接將其接地，即0V；并調節靜態下儀用放大器輸出電壓啪為一2V左右．改進后的傳感器有效檢測距離在20cm以上，能夠滿足使用要求，改進后的傳感器特性曲線見圖8中U0=一2．0V時的曲線． 5 室內試驗（Indoor experiment） 我們在室內進行了噴霧機器人的行走試驗．使用如圖1所示的噴霧機器人，誘導線中電流工作頻率為1．5kHz，位置傳感器距離地面高度為15cm，磁標志傳感器距離地面20cm，進行了走直線和轉彎兩組試驗． 機器人行走時的最小轉彎半徑為600cm，這是由機器人的機械結構決定的；機器人的行走速度在0．15—0．52m／s的范圍內，可以跟蹤誘導線行走；在機器人以0．45m／s的速度走直線時，其前輪中點偏移誘導線最大距離h。為2cm左右；走45。角時，前輪中點偏移誘導線最大距離h：為30cm左右；同時，磁標志傳感器可以在預定高度內檢測到鐵磁體，并能輔助機器人進行預定操作． 6 結束語（Conclusion） 本文設計的路徑導航系統，使電磁導航方式在農業機械智能化中得以應用、發展．試驗表明，該導航方式能夠輔助噴霧機器人完成行走的全部功能，同時這種導航方式也為其他農業機械的智能化研究提供了借鑒． 參考文獻（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在智能移動機器人中的應用[J]．微計算機信息，2001，15（11）：56—58． [3] 王志文，郭戈．移動機器人導航技術現狀與展望[J]．機器人，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％ 20by％20Miehi．pdf，2001． [5] 毛振瓏．磁場測量[M]．北京：原子能出版社，1985，45—55． [6] Zhang B，Chen z Q．The development of a new type of magnetic field sensor used for detecting magnetic marks[A]．Proceedings of the World Engenders‘Convention[C]，Beijing，China：China Science Technology Press，2004．180—183． 作者簡介： 楊世勝（1980-）男，碩士生．研究領域：機電控制技術． 張賓（1964-）男，教授，博士生導師．研究領域：機電控制技術．機器人技術． 于婿風（1978-）男，碩士生．研究領域：機電控制技術．