基于Seekur的农田机器人激光避障设计与仿真

序，实现不同的机器人操作功能。Seekur 平台还提供 了仿真软件 MobileSim 和 Mapper 二维地图绘制工具。
2 激光避障应用系统研究
1） AＲIA 机器 人 应 用 程 序 接 口 函 数 库。AＲIA 采 2． 1 系统组成
用面向对象程序设 计 风 格 ，把 机 器 人 底 层 控 制 实 现 封
在控制系统中常见的隶属度函数有： 三角函数和 高斯型 函 数。为 了 计 算 简 单、减 少 控 制 器 的 计 算 负 担、提 高 数 据 处 理 速 度，本 文 选 用 线 性 三 角 隶 属 度 函 数，如图 6 ～ 图 8 所示。
图 4 避障分区
模糊逻辑算法［9 － 10］原理如下： 1） 模糊量化处理。模糊量化处理的作用是将输 入的一组精确变量 转 化 成 模 糊 变 量 ，输 入 量 包 括 外 界 的参考输入、系统的输出或状态等。 2） 知识库。知识库包含应用领域的知识和控制 目标 ，由数据和模 糊 语 言 控 制 规 则 组 成 。 模 糊 规 则 仅 仅是从控制值到 隶 属 度 函 数 值 域［0 ，1］的 映 射，可 以 把它看成一个模糊 控 制 变 量 ，即 用 模 糊 变 量 代 表 控 制 值，所有规则的形式都为： IF…THEN… 3） 模糊推理。模糊推理是模糊控制的核心，它具 有模拟人的基于模 糊 概 念 的 推 理 能 力 ，推 理 过 程 是 基
由于模糊语言的变量语言值过多会使控制规则变 得复杂 ，过少则使 描 述 不 够 全 面 、准 确 。 因 此 ，根 据 农 田环境的具体情况，确定障碍物距离 d 的模糊语言为 ｛ N，M，F｝ =｛ “近”，“中”，“远”｝ ； 障碍物夹角 θ 的模 糊语言为｛ Ｒ，LＲ，AH，LL，L｝ =｛ “右”，“右前”，“前”， “左前”，“左”｝ ； 输出变量即转动角度 φ 的模糊语言 为｛ NB，NS，Z，PS，PB｝ =｛ “负大”，“负小”，“0”，“正 小”，“正大”｝ 。 2． 2． 3． 2 确定语言值的隶属度函数
基于 Seekur 的农田机器人避障系统如图 3 所示。
装成类，包括串口通信、命令包和状态包的处理，以及 其包括： Seekur 机器人平台、WＲAP wifi interface、激光
多线程、同步和异步机制以及各种附加的控制。C + 测距仪 Sick LMS － 200 及具有静态 IP 地址的 PC 机。
图 2 Seekur 机器人系统结构
1． 2 Seekur 平台的应用开发环境及工具
描述二维环境，供机器人读取。此外，还 可 以 对 激 光
Seekur 平台支持在 Microsoft Visual C + + 集成开 扫描的显示环境数据文件进行导入、处理，并转换为
发环境下，应用配套的接口函数库 AＲIA，开发应用程 地图格式文件。
索算 法，更 有 可 能 搜 索 到 全 局 最 优 解 ，但 运 算 速 度 不 快 ，占据较大的存 储 空 间 和 运 算 时 间பைடு நூலகம்8］。 基 于 实 时 传
感信息的模糊逻辑算法克服了势场法易产生的局部 最优 问 题，用 简 化 的 设 计 完 成 较 复 杂 的 任 务 ，适 用 于 环境未知或发生变 化 的 情 况 ，能 快 速 而 准 确 地 规 划 出
·151·
2015 年 7 月
农机化研究
第7 期
求。Seekur 平台通过底层 MPU（ Micro Processing Unit， 微处理单元） 扩展传感器和执行器，如码盘、陀螺仪、 bumper 及云台等，形成基于 CAN 总 线 的 底 层 控 制 系 统。
2） 运行 Windows 操作系统的车载计算机。Seekur
强的地图编辑功能，可用来绘制仿真地图，能绘制各 密集和测量精度高的优点。
种简单及比较复 杂 的 障 碍 物 ，如 利 用 点 、直 线 、方 形 区
Seekur 负责实时接收和处理激光测距仪的数据，
·152·
2015 年 7 月
农机化研究
第7 期
并控制机器人的运动。 WＲAP wifi interface 与 Seekur 机器人平台相连，配
置形成一个无线局域网络。具有静态 IP 地址的 PC 机 能够访问无线局域网，远程登录 Seekur 机器人平台， 通过无线网络传输应用程序和远程监控机器人。 2． 2 避障算法设计 2． 2． 1 农田环境避障需求分析
一般农田的地貌特征呈现规则的等间隔平行垄状 态 。 当农业机器人在 田 间 自 主 行 走 及 作 业 时 ，通 常 可 以进行路径规划或 采 用 机 器 视 觉 识 别 平 行 垄 ，但 是 仍 存在机井 、树木 、小 型 建 筑 物 等 静 态 障 碍 物 。 此 外 ，机 器人田间行走时由于地面凹凸不平导致平稳性不够、 易左右摇摆振动 ，以 上 这 些 问 题 都 使 农 田 机 器 人 自 主 避障变得相当复杂。 2． 2． 2 算法思想
成损坏。
区域为 180°，扫描方向为逆时针方向，其最大测距范
3） Mapper 二维地图绘制工具。Mapper3 是能够显 围为 50 ～ 150m，距离分辨率为 10 ～ 50cm，角度分辨
示和编辑 MobileＲobots 地图文件的应用程序，具有较 率为 1，并具有扫描快速（ 扫描周期 13． 3ms ） 、数据点
农 田 环 境 下 机 器 人 作 业 时 自 主 避 障 问 题 ，设 计 了 基 于 Seekur 机 器 人 平 台 的 自 主 避 障 系 统 ，由 激 光 传 感 器 、WＲAP
wifi interface 和 远 程 监 控 PC 组 成 ； 通 过 分 析 农 田 环 境 中 避 障 应 用 需 求 ，设 计 了 模 糊 逻 辑 算 法 避 障 策 略 。 通 过 在
giejiangdan@ 126． com。 通讯作者： 刘 卉（ 1978 － ） ，女，吉 林四 平人，讲 师，博 士，（ E － mail）
liuhui@ cnu． edu． cn。
嵌入式控制系统，上位机为运行 Windows 操作系统的 车载计算机。
1） 嵌入式控制系统： 负责处理执行机构和传感器 的信息，并通过 ＲS － 232 串口发给上位机； 通过 ＲS － 232 串口处理上位机发出的控制指令和其它操作请
平台的车载计算机 Phytec MPC － 565 运行 Windows 操 作系统 ，通过车载计 算 机 扩 展 通 用 接 口 直 接 接 入 相 应 的传感器，如激光测距仪、摄像机及 GPS 等，可更好地 完 成 实 时 性 要 求 较 高、数 据 量 和 运 算 量 较 大 的 任 务， 如避障、图像处理和目标识别等。
为简化机器 人 的 运 动，在 设 计 避 障 策 略 时，规 定 机器人只有前进、旋转和后退 3 个动作。
根据传感器探测 到 障 碍 物 的 远 近 程 度 ，对 机 器 人 前方区域进行划分 ，并 在 每 个 区 域 采 取 不 同 的 控 制 策 略。划分的区域为： 紧急区、避障区和安全区，如图 4 所示。在紧急区，机器人后退 2 个 机 器 人 的 长 度； 在 安全 区，由 于 距 离 过 远，暂 不 做 出 任 何 处 理； 在 避 障 区，机器人根据模糊逻辑算法进行避障。
MatLab 中 的 模 糊 逻 辑 仿 真 和 MobileSim 中 的 避 障 过 程 仿 真 ，验 证 了 模 糊 逻 辑 避 障 算 法 具 有 较 好 的 避 障 效 果 。
关键词： 农田机器人； S e e k u r 平台； 避障； 模糊逻辑
中图分类号： TP24； S11 + 6
文献标识码： A
的识别与自主避障是关键技术之一。避障是 指 在 局 温、雨、雪天气的户外作业要求，并且具有较大的拖动
部环境中基于传感器的信息对障碍物实现规避，其实 力和载重能力； 内部可装备 5 台工控机，有效实现了
时性要求更高。
数据的统一规划和分散处理，具有很强的运算能力。
当机器人的运动 速 度 较 低 时 ，实 时 响 应 方 法 具 有
于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 4） 精确化。精确化的作用是将模糊推理得到的
控制量（ 模糊量） 变换为实际用于控制的清晰量。 采用模糊逻辑算法的机器人避障流程如图 5 所
示。
图 5 避障流程
2． 2． 3 算法设计 2． 2． 3． 1 确定语言变量
将输入变量模糊化为 d 和 θ，分别表示机器人与 障碍物之间的距离和障碍物相对于目标方向之间的 夹角； 输出变量为 φ 表示探测到障碍物的机器人下一 步需要转动的角度。
息 等，仿 真 环 境 中 的 线 数 据 代 表 墙 壁 和 其 他 障 碍 物 。
基于 AＲIA 开发的用户程序通过 TCP / IP 接口与 Mo-
图 3 避障系统组成
bileSim 实现连接，通过仿真环境，可以避免因为对实
激光测距仪 Sick LMS － 200，通过从发送激光束到
体机器人的不熟悉或者程序编写失误而对机器人造 接受反射光的时间间隔来计算障碍物的距离。扫描
文章编号： 1003 － 188X（ 2015） 07 － 0151 － 05
DOI:10.13427/ki.njyi.2015.07.035
0 引言
机器人路径。 本文介绍了一种面向农田作业环境的机器人避障
以农业机器人为代表的新型智能农业机械装备的 研究，基于 Seekur 机器人平台，通过扩展传感器构建
例 如，自 主 完 成 采 摘、喷 洒 及 除 草 等 作 业 的 农 业 机 器 人［2 － 5］。
Seekur 是 MobileＲobots ActivMedia 公 司 推 出 的 一 款全新的、智能的、通用型机器人移动平台，如图 1 所
对应用于农田作业环境下的农业机器人，障碍物 示。其应用四轮独 立 转 向 技 术 （ 4 － WIS） ，能 满 足 低