面向大型机场草坪的割草机器人路径规划及轨迹跟踪控制研究

面向大型机场草坪的割草机器人路径规划及轨迹跟踪控制研究周结华;代冀阳;周继强;张孝勇

【摘要】为了提高割草机器人的工作效率及环境适应能力,基于移动机器人平台设计了一种既受遥控操作又能自主运行的适用于大型机场草坪作业的割草机器人.首先,运用高精度差分GPS(global positioning system,全球定位系统)采集机场草坪边界和障碍物的位置信息,根据采集的信息将机场草坪分为最少数目的凸多边形工作区域;考虑到割草机器人无法原地无半径转弯,在传统迂回式路径规划算法的基础上提出一种往返直线型路径规划算法,并在凸多边形路径规划区内推导出遍历路径的显示方程表达式.其次,运用高精度差分GPS测得割草机器人实际轨迹并与规划轨迹对比,设计了一种区间判断型轨迹纠偏算法;以执行电机的PID(proportion integration differentiation,比例积分微分)控制和区间判断型轨迹纠偏算法构造割草机器人双闭环轨迹跟踪控制器,对按传统迂回式路径和往返直线型路径行进的割草机器人进行轨迹跟踪仿真分析.最后,以自制的割草机器人为例,按往返直线型路径运行方式进行样机实验.仿真结果发现:当割草机器人跟踪当前路径到达终点后会自动调头跟踪下一条路径,验证了轨迹跟踪算法的稳定性;传统迂回式路径运行方式下割草机器人的漏割率较高,达到46.42％,而往返直线型路径运行方式下其漏割率为7.15％,明显优于传统迂回式路径仿真结果.样机实验测得的漏割率为8.89％,与仿真实验结果一致,表明所设计的轨迹跟踪算法对大型机场草坪作业割草机器人是适用的.研究结果可为大型机场草坪割草机器人的开发提供理论指导.

【期刊名称】《工程设计学报》

【年(卷),期】2019(026)002

【总页数】7页(P146-152)

【关键词】割草机器人;路径规划;差分GPS;纠偏算法;轨迹跟踪

【作者】周结华;代冀阳;周继强;张孝勇

【作者单位】南昌航空大学信息工程学院,江西南昌330063;南昌航空大学信息工

程学院,江西南昌330063;航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司,江西南昌330024;航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司,江西南昌330024

【正文语种】中文

【中图分类】TP273

草坪不仅能美化生活环境，还能减少太阳辐射、调节气候、净化大气和保持水土等。据不完全统计，我国约有70万hm2的绿地，约1/7为绿茵草坪。我国机场总数

约198个，每个机场都有数百万平方米的草坪，在每年的春夏季节都需要连续不

断地割草，各机场每年用于机场草坪维护的费用为数十万到数百万元不等，因此无人高效的割草设备有广阔的市场前景［1-2］。我国每年的草坪面积以30%以上的速率增加，带动了草坪机械需求的快速提高，其中需求最大的为割草机械［2-3］。虽然草坪机械已有100多年的发展史，但是目前用于修整草坪的割草机械大部分

还是由人工操控且以家庭用的小型割草机器人为主，这类割草机器人存在作业效率低、适应环境能力差和成本高等弊端［4-5］。

路径规划和轨迹跟踪控制是割草机器人实现高效率工作的关键因素。对于移动机器人而言，传统的路径规划是寻求一条从起始点到终点的无碰撞最优路径［6-10］。传统割草机器人路径规划的种类主要有：随机式、螺旋式及迂回式［11-12］。采用不同的行走路径，割草机器人消耗的能量及时间是不同的，行走路径越长，转弯的次数越多，则割草机器人消耗的能量及时间越多。首先，考虑到割草机器人的工

作任务及其刀片中心与运动中心不重复，不宜采用随机式和螺旋式路径规划算法。迂回式路径规划算法虽然简单，但转弯次数多会导致割草机器人工作效率较低。其次，本文所研究的割草机器人主要应用于大型机场草坪，相对其他开放式草坪环境属于静态结构环境，基本没有大型障碍物且不允许随意改造。因此，在设计本文大型机场草坪割草机器人路径规划算法时应重点考虑其执行效率，笔者拟在传统迂回式路径规划算法的基础上提出一种新的路径规划算法，使它不但具备传统迂回式路径规划算法的简单特性，而且能克服割草机器人转弯次数过多的缺点。

在完成路径规划后，需设计相应的轨迹跟踪控制算法，使割草机器人按照规划路径运行。轨迹跟踪控制算法主要有2种［13-16］：一种是将期望跟踪轨迹转换成割草机器人运行的状态量，通过对运行状态量的跟踪控制实现对轨迹的跟踪控制［17］；另一种是基于割草机器人实际位置与期望跟踪轨迹之间的偏差信息进行轨迹跟踪控制［18］。本文选择第2种方法，应用车载GPS（global positioning system，全球定位系统）检测割草机器人的实时路径，根据实时路径与规划路径的偏差信息，设计轨迹纠偏算法。

综上所述，本文针对传统路径规划算法的不足和大型机场草坪割草机器人的特点，设计一种新的往返直线型路径规划算法。结合执行电机的PID（proportion integration differentiation，比例积分微分）控制和区间判断型轨迹纠偏算法，设计大型机场草坪割草机器人的轨迹跟踪控制算法，并通过仿真和样机实验验证算法的有效性。

1 大型机场草坪割草机器人系统

本文研究的大型机场草坪割草机器人系统总体框图如图1所示，主要包括割草机器人本体、控制器、地面监控站和地面遥控器等。割草机器人本体是一种四轮移动机器人结构，采取前轮转向、后轮驱动方式，采用油电混合驱动模式，车体无法原地无半径转弯，割台悬挂于车体中央下方，割台高度可以通过调节电机在割草高度

范围内自由调整。控制器主要负责传感器的信息采集、故障检测与处理、与外部硬件的通信以及控制指令的解算，并将解算得到的指令下传给电机驱动板。大型机场草坪割草机器人有2种控制方式：地面遥控模式和自主运行模式，这2种模式可以自由切换。其中：地面遥控模式用于实现割草机器人进出库，快速到达割草区域等；自主运行模式用于完成无人化割草作业，割草人员可在地面监控站监控割草机器人的运行状况。

图1 大型机场草坪割草机器人系统总体框图Fig.1 System block diagram of mowing robot for large airport lawn

2 大型机场草坪割草机器人路径规划及轨迹跟踪控制算法设计

2.1 割草机器人路径规划算法设计

大型机场草坪割草机器人路径规划采取划定多边形工作区域方式，自主行走主要采用直线方式（除转向）。割草机器人通过GPS采集工作区域边界位置坐标，得到多边形区域的边界顶点以及边界直线方程（所设定的多边形工作区域内角不大于180°，否则将它切分为2个多边形）。为简化后续算法，以多边形的第1个点为该工作区域的坐标原点，第1个点和第2个点的连线为y'轴，它与平面地球坐标系的变换关系如图2所示，坐标变换公式如下：

式中：xi和yi为第i个点在平面地球坐标系o-xy中的坐标值，x′i和y′i为第i个点在区域坐标系o'-x'y'中的坐标值，x1和y1为第1个点在平面地球坐标系中的坐标值，γ为y轴与y′轴的夹角，顺时针为正。

图2 平面地球坐标系与工作区域坐标系变换示意图Fig.2 Schematic diagram of transformation between plane earth coordinate system and working area coordinate

迂回式规划路径形式统一且简单，可使割草机器人的运动易于控制，并且机器人能