农业机器折旧方法研究（精选4篇）
农业机器折旧方法研究 篇1
0 引言
随着电子技术和计算机技术的发展, 智能机器人在日常生活中的应用越来越多, 其优越性越发明显, 得到了大家的一致好评, 近年来, 智能机器人在自动化和智能化方面取得了巨大的进展。由于农业生产实际中存在生产对象复杂和多样, 为农业机械的大力应用提供了广阔的舞台, 所以农业机器人有着巨大的经济效益和市场。
1 国内农业机器人的发展背景
中国是一个农业大国, 农业在国民经济中占着特别重要的位置。随着改革开放以来, 新兴行业蓬勃发展, 直到现在国内的很多产业已经达到国际领先水平, 但作为农业大国的中国, 农业机械化总体水平还比较低。在新世纪尤其是在新农村建设当中, 怎么样才能加快农业机械化的发展是我们实现农业快速发展的第一任务。从古至今, 农业科技对农业生产起了巨大的推动作用, 为农业的长足发展提供了动力, 随着农业科技的越来越普及, 农业劳动力进一步下降, 进入新世纪以来, 这种局面更加迫切, 导致从事农业生产的劳动力不断减少, 农业劳动力不足的问题将日益凸现, 鉴于农业机器人巨大的优越性, 大量的使用农业机器人应用于生产, 彻底改变了传统的农业生产方式, 可以改善农民的生产生活状态, 减轻了劳动者的工作量。所以, 当前对农业机器人的研究非常重视, 投入了巨大的资金和人力来从事农业机器人的研发。我国的农业机器人研究, 近年来取得了长足的进步, 目前已研发和制造出来的农业机器人, 包括施肥机器人、除草机器人、耕耘机器人、喷药机器人、采摘机器人、收割机器人等。目前, 我国的农业机器人研究已经涉及到越来越广泛的农业生产, 实现了农业生产的自动化。
2 农业机器人的特点及应用现状
2.1 农业机器人的特点
农业机器人主要针对农业生产领域, 在经济和技术方面有着特殊性, 与其他在工业领域使用的机器人相比, 其有以下特点:
(1) 作业对象复杂。由于生物容易被外界所伤, 还有形状复杂, 生长发育程度不一, 个体由于生长随时间的变化大小也一直在变化, 所以必须轻柔细心的对待处理, 这样才能使机器人合理的躲避障碍, 降低机器对生物体的损伤。 (2) 作业所在的环境易变。由于农业生产中, 农作物不是固定不变的, 而是随时间不断生长, 不断变化的, 所以农业机器人的工作环境是不断变化, 是不确定的。 (3) 作业动作不是固定模式。农业机器人一般的工作范围是在整个田间, 其操作轨迹也是由时间的变化而调整的, 所以农业机器人在工作时的调整是改变的不定向的。 (4) 适用对象和价格的特殊性。机器人的使用和维护需要相当高的技术水平。实际操作机器人的是技术水平较低的农民而不是专业工程师, 这就要求农业机器人有较高的可靠性和简单的操作性。
2.2 农业机器人的应用现状
2.2.1 施肥机器人
施肥机器人, 可以实现自动驾驶, 能很好的完成施肥作业, 可以针对不同的作物环境, 根据不同的土壤类型, 结合不同的农作物, 可以实现自动分析作物生长环境, 自动根据作物生长阶段, 配置合适作当前需要的的营养液, 准确设置好作物所需的施肥量, 可以有效提高作物的生长需要, 最大程度的减少浪费, 实现精准施肥。
2.2.2 除杂草机器人
除杂草机器人, 可以利用事先存储在计算机中的杂草图像, 利用当前检测到的杂草信息, 通过杂草的图像识别, 可以确定杂草信息, 还可进行杂草定位, 可以把实际的草情况与预先存储的草图像进行对比, 可以实现自动辨识杂草, 准确定位杂草的位置, 实现自动除杂草。
2.2.3 管理与收获机器人
这种机器人可以实现农作物的自动化管理, 减轻人的作业工作量, 可以根据系统预先设置的管理流程, 利用机器人自带的控制模块、检测模块等, 实现农作物的现场自动化管理。
2.2.4 机械手机器人
机械手机器人, 可以最大程度代替人的手来从事农业生产, 可以帮助劳动者从事一系列的农业生产活动, 利用机器人自带的机械手, 实现与人类似的工作。
2.2.5 其他特殊机器人
除了常规的施肥、除杂草、机械手等农业机器人以外, 还有越来越多的特殊农业机器人已经研发, 并且已经生产制造, 投入农业生产中, 农业机器人的优越性越发突出。 (如图2)
3 国内外农业机器人的发展状况
3.1 日本
日本是世界机器人发展的强国, 是最早开展农业机器人研究的国家之一。早在20世纪70年代后期, 就开启了农业机器人的相关研究, 当前, 日本已研制出如施肥、除草、移栽、嫁接、育苗、扦插、农药喷洒等众多农业生产实际中使用的农业机器人, 基本涵盖了农业生产领域的全过程, 完全实现了农业生产的高度自动化, 日本机器人的研发、设计、制造都处于世界先进水平。
3.2 美国
美国也是世界机器人的强国, 在农业生产中也研发制造了大量的自动化机器人, 对美国农业的发展带起来极大的推动作用。
3.3 英国
英国的农业生产机器人发展也非常迅速, 针对不同的农业作物, 都有相应的机器人用于生产, 大大提高了农业生产的自动化水平。
4 存在的问题
目前, 农业机器人的发展虽然取得了巨大的进步, 其应用领域也越发广泛, 但是普及率还是有限, 未来要加大农业机器人的普及, 还有很多工作要做, 农业机器人有些方面还要继续完善和改进。目前, 有些农业机器人的智能化程度还不足, 因为农业生产有很强的特点, 环境千差万别, 如有些农业生产要求有很高的蔽障和辨识要求, 所以, 未来的农业机器人还得继续改进。还有当前农业机器人普及率低的最大问题, 还是农业机器人的成本太高, 投资太大, 再加上农业生产的季节性特点, 投入巨资购买的农业机器人, 存在利用率低的问题, 所以, 未来的农业机器人必须要想办法减少成本, 还要确保性能, 只有这样才能使农业机器人大量普及, 更好的服务于农业生产。
5 结束语
针对当前农业机器人的研究现状, 可知农业机器人的研究充分考虑其实用性, 随着现代农业科技的不断发展, 加上自动化技术、计算机技术、机械电子技术的有力实践, 农业生产的高度自动化日益突出, 为农业机器人的发展起到了促进作用, 农业机器人的应用将更加广泛, 在未来的发展中, 农业机器人的发展将追求更加紧密的工作模式, 体现更加优越性的工作能力, 将更加追求提高农产品的生产质量与数量。随着经济和科技的高速发展, 农业机器人作为新型的自动化农业机械必将得到越来越广泛的应用, 为农业生产提供巨大的技术支持, 更好的服务于农业生产。
参考文献
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农业机器折旧方法研究 篇2
1农业“机器换人”方法措施和主要成效
1.1方法措施
1.1.1加强组织领导富阳区各有关政府部门高度重视农业领域“机器换人”工作,把浙江省农机局颁布的三年行动计划作为主抓手,按照行动计划的主要要求,精心组织、周密安排、狠抓落实,同时健全责任机制,做到主要领导亲自抓、分管领导牵头抓、职能部门具体抓。另一方面,根据目标化管理、项目化推进的要求,通过调研研究制定具体推进计划,明确目标任务和时序进度,增强工作的计划性和有效性。
1.1.2开展宣传造势为在全区范围内形成推进农业领域“机器换人”的良好氛围,农业系统主动加强与富阳区的有关主要媒体沟通合作,采取多种有效形式,积极开展宣传报道,营造出全区各界广泛关注和支持农业领域“机器换人”的良好氛围。另一方面,及时总结提炼全区内某些乡镇和产业的农业“机器换人”的突出成效和典型做法,并加以报道宣传。
1.1.3强化部门协作农业“机器换人”是一项系统工程,涉及的领域和部门多。为此,农业系统外,应加强与发改、科技、财政、国土、质监及相关农口部门的联系,主动沟通协调,积极争取支持;农业系统内,加强农机与农艺等各部门的紧密配合,互相支持,通过建立健全农机农艺联动推进农业“机器换人”工作机制,为全区农业“机器换人”工作开展提供支撑。
1.1.4实施绩效管理为及时掌握全区农业领域“机器换人”各项工作推进、目标进展情况,并客观评价工作的实施成效,查找问题,分析原因,提出改进措施,富阳区农业主管部门研究制定考核评价办法,分年度开展绩效评估,并将绩效评价结果与政策资金和评优评先挂钩,由此进一步提升全区农业“机器换人”工作效果。
1.2主要成效
1.2.1农机保有量稳定增长且结构不断优化近年来,全区农机总动力和农机原值稳定增长,2015年底全区农机总动力43.98万kW,农机原值达到4.52亿元,分别较“十一五”末增长3.53%和2.50%;另一方面,半喂入联合收割机、高速插秧机、粮食烘干机、喷滴灌设备、茶叶生产加工机械、畜牧饲养机械等一大批先进适用的农业机械在粮油、蔬菜、茶叶和水果生产,以及畜禽与水产养殖中的引进和推广,使全区农机装备存量稳定增长且结构不断优化。2015年底全市拥有水稻插秧机151台,谷物联合收割机231台,粮食烘干机53台,茶叶生产加工机械25619台,畜禽养殖机械261台。
1.2.2机械作业水平进一步提高且作业领域不断扩大目前全区主要农作物生产的耕作、灌排和病虫害防治等环节已基本实现机械化,粮食生产综合机械化水平进一步提高。2015年全区粮食作物耕种收综合机械化水平74%,位居杭州地区前列,同时粮食烘干机械化取得了突破性进展,全区粮食机械烘干作业量由2010年的100t提高到2015年的15900t,增加了159倍。此外,农机化作业服务领域由粮食作物向经济作物,由大田农业向设施农业,由种植业向畜禽和水产养殖业、农产品产后处理与加工等全面发展。
1.2.3各类农机新型服务主体培育逐步加快自农业领域“机器换人”工作开展以来,富阳区农机管理部门加快农机新型服务主体培育,着力培育了一批具有一定规模、机制灵活且服务能力强的农机专业服务组织,2015年的全区的农机专业合作社达到14家,数量较2010年有了较大幅度增加;另一方面,积极培育农田作业市场,引导农机大户、农机作业服务组织在机耕、栽植、植保和收获等作业环节开展社会化服务,2015年全区农机服务组织作业经营总收入21180万元,社会经济效益显著。
1.2.4解决农业劳动力季节性短缺问题随着富阳区各乡镇城镇化进程加速,农村劳动力特别是青壮年劳动力大量外迁就业,导致了全区从事农业生产高素质劳动力缺乏,加之农民劳动观念的转变,使得农业生产劳动力季节性不足问题凸显,对农业生产的稳定产生了严重影响。富阳区农业领域“机器换人”工作的开展,加快了现代农业机械对农业劳动力的替代,在很大程度上解决了全区农业劳动力季节性短缺问题,在稳定农业生产的同时,也为从事非农产业工作的农户解决农业生产问题。
虽然近几年来富阳区农业领域“机器换人”工作取得了良好成效,为推进全区农业机械化发展和稳定农业生产发挥了重要作用。然而,从富阳区农业机械化和农业生产实际情况来看,农业领域“机器换人”工作开展与实际需求还存在一定差距,具体表现在:农机化新机具新技术推广工作水平不高、农机农艺融合程度不够、新型农机社会化服务主体数量不多、农机化人才队伍素质不强等等,上述各方面已成为制约农业领域“机器换人”工作进一步推进的主要因素,必须积极采取有效措施加以解决。
2加快农业“机器换人”的对策建议
2.1工作思路
坚持科学发展观,按照浙江省人民政府办公厅《关于加快推进农业领域“机器换人”意见》(浙政办发〔2016〕19号)的总体要求,围绕绿色农业强省建设、现代生态循环农业试点省建设目标,坚持“立足大农业、发展大农机”,深入贯彻实施《农业机械化促进法》、《浙江省农业机械化促进条例》,以富阳区“两区”建设为平台,以农业生产对农业机械装备需求为导向,以深化改革创新为动力,加快推广普及多功能、高性能、生态友好型农业机械装备,推动富阳区农业领域“机器换人”向更高层次更高水平迈进,为全区农业机械化更好更快发展提供保障。
2.2措施与建议
2.2.1创新农机化技术示范推广工作目前富阳区农机化技术推广工作总体水平不高,为满足农业领域“机器换人”工作和农业机械化发展的要求,可从以下几个方面开展农机化技术推广工作的探索与创新:一是创新农机化技术推广机构制度。根据修订后《农业技术推广法》的总体要求,从人员聘用制度、岗位责任制度、考核考聘制度、考录制度、职称评定制度等几个方面进行机构管理制度的创新,调动农机推广人员的积极性,促进工作能力和水平的提升。二是创新农机化技术推广方法。从农机化技术推广工作效果来看,示范推广方法最好,不仅有操作过程,而且有实际应用效果,可将示范推广方法作为农机技术推广方法的核心,其他技术推广方法的创新发展都应根据这一核心方法。三是创新农机化技术推广机制。目前技术推广机制创新的重点是构建以农机推广机构为主体,农机科研教学单位、农机专业合作社、农机企业等广泛参与、分工协作的新型多元化农机推广体系,同时要积极探索实现上述多元化推广体系的有效途径。另一方面,在发挥农机推广机构主力军作用的同时,充分依托农机合作社示范推广农机化技术,以解决技术推广“最后一公里”问题为契机,提高农机化技术普及率。
2.2.2培育壮大各类新型农机社会化服务主体推进农业领域“机器换人”需要提高农业机械的利用率。发展农机专业合作社、农机作业服务公司是目前提高农机具利用率的有效措施。为满足农业领域“机器换人”对农机社会化服务需求,应从以下两方面进行农机社会化服务组织建设。一是加快新型农机专业化服务主体培育。立足农业发展实际需求,以合理经济半径为前提,以农机大户、农机合作社为骨干,探索适应农业全程机械化生产要求的专业化作业新型服务主体的服务内容和运作机制,使之成为新型农机专业化作业服务主体,不断提高组织化程度和社会化服务能力。二是大力扶持农机维修主体发展。目前农机装备维修尤其是各类大中型且科技含量高、技术性能好的农机具维修服务,已成为当今农业机械化发展的一个重要制约因素。为适应农业“机器换人”对农机维修服务需要,应以富阳区内现有的具有一定规模和维修能力的农机维修企业或网点为重点,积极采取有效扶持政策措施,引导农机维修企业改善维修基础设施,提升和拓展维修服务的能力与范围,为农业“机器换人”提供支撑保障。
2.2.3进一步加强农机与农艺的融合目前农机农艺二者融合程度不高已成为制约富阳区农业领域“机器换人”的一个重要因素,因此加强农机农艺融合将有助于农业领域“机器换人”和农业机械化发展。当今推进农机农艺融合的主要工作有以下两个方面:一是建立农机农艺融合协调工作机制。农机农艺部门要加强相互间的了解支持配合,建立定期联系、沟通和会商制度等内容的长期稳定工作机制,对影响农机农艺融合的一些具体关键问题经常进行会商,提出解决制约农机农艺融合的具体措施和方法。二是加强农机农艺融合技术研究。把水稻、油菜、马铃薯等主要作物机械化生产技术模式作为农机农艺融合的研究工作重点,以项目为载体,加强全区农机农艺人员配合,并从上述作物品种、农艺和种植模式等方面入手,共同研究制定完善适应当地上述作物生产农机农艺融合需要的技术体系和装备,制定科学合理的机械化作业标准和农艺标准,实现作物品种、栽培技术和机械装备的集成配套。另外,农机农艺部门要联合组织开展技术培训、试验示范等活动,推进上述农机农艺融合技术的应用普及。
2.2.4加强各类农机人才培养与队伍建设农业领域“机器换人”工作开展需要农机使用、维修,以及农机管理、技术推广等多方面的专业技术人才。为满足富阳区农业“机器换人”对各类人才的需求,应重点做好:一是加强农机化培训师资队伍建设。农机化快速发展对培训教师提出了更高的要求,为此要加强师资队伍建设,鼓励教师深造学习、更新知识,促进专业理论知识和实际操作技能水平提高,进而提升农机手和技术人员培训效果和质量。二是加强农机管理和服务专业队伍建设。积极开展农机管理人员和专业技术人员教育培训,加快知识更新,不断提高专业技术水平、业务素质和服务意识。三是加强农机化实用人才队伍建设。根据国家培养新型职业农民的要求,充分利用阳光工程等各类农民培训项目和农机职业技能开发工作,加强对全区内的农机驾驶、维修保养、经营服务等人员的技术培训。四是结合支持大学毕业生从事现代农业工作的行动,鼓励引导富阳区乃至外地的高学历、高素质青年人才投身到本区的农业机械化工作,确保事业发展后继有人。
参考文献
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农业机器折旧方法研究 篇3
对于农业机器人的研究,我国起步比较晚,20世纪90年代初才开始对农业机器人展开全面系统的研究。在市场和科技的双重激励下,我国农业机器人研究发展迅速,在农业自动化和精确农业技术方面取得了很大成绩。其中,包括中国农业大学的张铁中研制开发出的自动插接法、自动旋切贴合法等嫁接技术属于国内首创; 孙元义、张绍磊研究导航路径识别在喷药农业机器人中的应用; 李伟主持的国家“863”项目成果“黄瓜采摘机器人关键技术研究”通过教育部的成果鉴定。
综上所述,在以往的设计中受软件的限制,机器人自动化系统和力学分析等往往不能同时进行,不仅降低了农作物机器人的设计效率,也大大影响了设计的连续性和设计精度。为此,本文采用多软件联合仿真的方法,搭建了农作物机器人作业距离和作业速度联合仿真平台。该平台集成在ISIGHT软件中,使用Mat Lab进行联合控制,达到了很好的设计效果。
1 联合仿真概述
工业机器人一般为串联臂式结构,如图1所示。如果作业空间过大,末端承载能力就会不足,因此对于农业机器人作业距离和速度的控制是非常重要的。对于机器人的仿真模拟是机器人自动控制系统设计的主要参考依据。
图1为机器人的作业示意图。由于机器人控制系统的复杂性,采用单一软件形式无法完成机器人的全方位设计,只有通过机电一体化模拟仿真才能有效地设计机器人控制系统,缩短计算时间,提高系统设计效率。
本文?用i SIGHT - FD集成优化软件建立机电液一体化系统集成优化平台,如图2所示。该平台利用集成接口集成了CATIA的参数化建模、AMESim液压控制系统和Mat Lab联合编程控制功能,其优化流程如图3所示。
图3中,CATIA软件负责尺寸参数化建模; ADAMS负责动力学分析,包括位移和速度的仿真模拟;AMESim负责液压等控制系统的设计; Mat Lab负责控制性能和误差的分析。通过联合仿真,可以大大提高模拟的效率,提高设计计算的精度。
2 模糊控制模型和算法设计
模糊控制是智能控制系统中最常用的方法之一,而Kriging可以有效地评估空间作业距离,为调整作业速度提供参考。因此,本文将这两种方法有效地结合,实现了机器人作业控制系统的优化设计。
2. 1 模糊控制算法设计
农作物机器人作业距离和速度受多种因素的影响,其作业的速度和效率受作业偏差的影响较大。本文利用模糊PID控制的方式提高系统的稳定性和精度。首先,定义农作物机器人的速度和位移偏差为
农作物机器人智能模糊控制的基本算法中选择的速度基本论域是 [- 50,50],位移基本论域取[- 20,20]。首先,利用代数式将智能控制系统的模糊控制算法进行离散化,则
其中,x∈[a,b],n为离散度。通过离散化,共得到30个子矩阵关系。利用模糊控制算法对机器人智能模糊控制算法设计为
由R可得到仿真量输出为
将仿真输出量进行加权平均,得到了机器人作业的模糊控制方程为
该模糊控制变量可以利用Kriging模型进行优化,从而提高机器人空间自动分析能力。
2. 2 Kriging 空间距离分析模型
农作物作业机器人的速度控制是基于空间距离分析上的,只有确定作业距离和作业空间,才能更好地进行速度设计。普通Kriging模型为
其中,z表示空间点; λ表示空间关系。因此,Kriging模型不仅考虑待估点位置与已知数据位置的相互关系,还考虑变量的空间相关性。速度控制过程可以由估计模拟的离散变量来实现,其表达式为
其中,F表示整体分布函数; Z( u) 表示空间变量方程; u表示模糊控制方程。由此实现了在模糊控制中使用Kriging模型优化的效果。考虑邻近点,推断待估点为
根据该估计方程,可以利用编程的方式来实现农业机器人位移和速度的预测,从而达到自动化控制的目的。
2. 3 Mat Lab 编程设计
为了实现农业机器人位移和速度的精确控制,需要结合ADMAS动力学分析、Kriging模型的位移速度模糊控制。其中,比较精确的行进控制量为u,其PID控制方程可以写成
其中,kp、ki、kd分别表示ADMAS分析的力学影响因子及Kriging位移预测因子,主要控制编程如下:
3 农业机器人联合仿真模拟计算研究
为了验证第2节中设计的控制模型的有效性和可靠性,搭建了集成化联合仿真平台,利用Catia软件建立参数化模型。Catia是专业的建模和仿真分析软件,利用其强大的参数设计功能,可以设计专业和通用机械类的模型,将设计好的模型结合AMESim自动化系统,对机器人整体进行仿真计算,如图4所示。
在建立好参数化模型后,可以在AMESim软件中建立液压系统模型。液压系统由定位液压缸、位移控制传感器和伺服阀组成,如图5所示。
AMESim软件中建立液压系统模型可以导入ADAMS软件中,结合Catia模型可以与液压系统建立联合模型,再用Mat Lab /Simulink模块建立系统的PID控制模型,并与ADMAS中的液压耦合系统模型连接,如图6所示。
在联合仿真过程中,从CAITA软件中导出的cmd文件可以导入到ADAMS中,而ADMAS软件的输出文件主要包括中心轨迹文件、液压缸受力文件、伸出杆质心位移文件和伸出杆质心速度文件。其对应关系如表1所示。
依据表1,最后利用Mat Lab设置模糊控制参数,并且可以对控制精度进行仿真计算,在Mat Lab命令中输入fuzzy,便可以弹出仿真参数设计对话框,如图7所示。
图7为本文使用Mat Lab软件的窗口设置图,表示对Mat Lab相关参数进行设置。根据机器人作业智能控制系统性能,利用作业具体参数数据来设置模糊控制函数,考察联合控制的误差等数据。
利用非联合和联合仿真模拟方法,对农作物机器人作业距离和速度控制精度进行仿真模拟,得到的对比结果如图8所示。由图8可以看出: 采用联合仿真模拟,不仅能够提高仿真计算的速度和效率,而且能够得到较好的计算精度,使数值仿真模拟结果和实际设计的机器人效果更加接近,可为农作物机器人作业距离和速度的控制提供技术参考。
4 结论
1) 本文在机器人作业自动控制设计过程中引入了Kriging模型和PID模糊控制理论,并建立了机器人作业距离和速度的自动模糊控制方程,利用Mat Lab软件对该算法进行了编程。
2) 提出了一种基于软件之间联合控制的仿真模拟方法,该方法通过ISIGHT软件集成了CATIA、ADAMS、AMESim及Mat Lab软件,并搭建了集成化仿真平台。
农业机器折旧方法研究 篇4
农业机器人是一种以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备,能极大地减轻人类劳动强度,解决劳动力不足问题,提高劳动生产率和作业质量,防止农药、化肥等对人体的伤害。农业机器人是21世纪农业机械的发展趋势之一[1]。自动避障行走是现场作业农业机器人的必备功能,而自动避障的前提就是准确定位障碍物的方位及距离。超声波传感器以非接触式、价格低廉及硬件容易实现等特点被广泛应用于现代农业机器人的测距装置[2]。超声波传感器存在探测波束角大、方向性差、镜面反射、散射和串扰等问题,导致实际应用中获得的测距信息具有较大的不确定性[3]。本文在以栅格描述超声波探测环境的基础上,引入概率方法和D-S证据理论来分析处理超声波传感器测距过程中存在的不确定信息,并从不确定信息的解释和复杂度分析等方面对这两种方法进行比较研究。
1 超声波测距不确定信息的分析
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(time of flight)[4]。在比较理想的条件下,超声波的测量精度是令人满意的,但在真实的外部作业环境中,测距结果存在很大的不确定性[5]。 导致测距信息存在不确定性的原因主要有以下几个方面。
1.1 超声波的反射
超声波在物体表面的反射包括镜面反射和多次反射。其中,镜面反射指在特定的角度发出的声波被光滑的物体镜面反射出去,因此无法产生回波,这时超声波传感器就会忽视此物体的存在;而多次反射在探测不规则物体时比较常见,声波经过多次反射才被传感器接收到,因此实际探测值并不是真实距离值。
1.2 探测波束角大
超声波发射的声波有一个散射角。超声波可以感知障碍物在扇形区域内,但不能够确定障碍物的确切位置。
1.3 声波之间的相互干扰
农业机器人上通常装有多个超声波传感器,有时可能会发生串扰(Crosstalk),即一个传感器发出的探测波束被另外一个传感器当作自己的探测波束接收到,尤其在较为拥挤的环境中常常会发生这种情况。
1.4 衰减导致的误差
由于超声波在传播过程中受空气热对流扰动或尘埃吸收的影响, 回波幅值随传播距离成指数规律衰减, 使得远距离回波很难检测。
2 基于概率方法的不确定测距模型
概率方法是一种得到广泛应用的不确定信息的处理方法。Elfes 和Moravec最早提出了用概率来表示障碍物所处位置的可能性。Thrun,Fox和urgard,Olson,Romero 和Morales等也分别基于概率理论提出了各自的方法。本文综合以上方法,提出了一种基于概率的超声波不确定信息的处理模型。
在真实环境探测中,将超声波所探测的范围离散化为m×n 个相同大小的矩形栅格集合。每个栅格以Cxy表示, 这样声纳所探测的范围可写为
U={Cxy| x∈[1,m], y ∈[1, n]} (1)
为了避免大量的计算,必须假设所有的栅格状态是独立的。对于Cxy表示该栅格为空,而S(Cxy)=0表示该栅格为障碍物,且对于这两个事件的概率存在约束P[S(Cxy)=E]+P[S(Cxy)=0]=1。为了根据声纳数据确定概率,首先引入两个用于表现声纳测量不确定性的函数,即
式中 θ—被测点(x, y)相对于声纳中轴的夹角;
ρv—一个预定值,表示声纳信息从确定到不确定间的平滑转换点。
函数Γθ(θ)表示声纳中轴间的夹角越小,超声波测距的可靠性越高。函数Γρ(ρ)反映距声纳越远可靠性越低;而距离声纳较近的地方,测量正确的可能性越高。
根据两个不确定函数,创建超声波测距模型,即
P[S(Cxy)=0|r]=P[S(ρ,θ)=0|r]
式中 ρ—Cxy和声纳间的距离;
θ—Cxy与声纳中轴间的夹角;
r—声纳测量值;
δr, 2δr—表现了对r 准确度的一种估计,λ=
Γθ(θ)Γρ(ρ)。
以上声纳模型的三维轮廓图见图1所示。其中,r=0.5m。从该模型公式和图形可以看到,声纳测量数据与概率值描述的栅格地图间的映射关系符合声纳的物理特性。对于超出声纳测量范围的区域,取概率值为0.5,不确定性最大;在声纳测量区域内且与声纳间距离小于测量值,则越靠近声纳,为障碍物的可能性越小;而与声纳间距离正在测量值附近的地方,为障碍物的可能性较大。
3 基于D_S证据理论的不确定测距模型
D_S证据理论是Demp ster于20世纪60年代首次提出的, 试图用概率上下限来表示实际问题中的不确定性。Shafer对它做了进一步的发展, 并使之系统化和理论化, 形成了一种不确定推理理论, 即D_S证据理论。
定义一个空间Ω,称为辨识框架(Frame of Discernment),Ω={E,O}。它的子集的全体即Λ=2Ω={∅,E,O,{E,O}}。每个栅格Cij由mij函数决定(假设mij(∅)=0),其限制条件为
∀A∈2Ω, m(A)≥0 (4)
m(A )称为Ω上A的基本概率值(BPA )。当A ≠Ω时, 表示对命题A 的精确信任程度;当A =Ω 时,m (Ω ) 表示m 不知怎么分配;当A为Ω的子集且m(A) ≠ 0 时, 称A为m的焦元(Focal Function)。
∀Cij∈U, mij(E)+mij(O)+mij({E,O})=1 (6)
在这种方法中,为了在一定范围内解释其不确定性,包括两个不同的传感器:一个是为命题E,另一个则为命题O。其中的函数定义为
mijS(r)(E)=Γ(θ)△(ρ)fE(ρ,r) (7)
mijS(r)(O)=Γ(θ)△(ρ)fO(ρ,r) (8)
式中 kE,kO—最大值,其中kE+kO≤1,分别由函数fE和fO取得;
r—声纳测量值;
δr—表现了对r 准确度的一种估计;
ρ—Cxy和声纳间的距离;
θ—Cxy与声纳中轴间的夹角。
以上创建的基于不确定信息处理的D_S证据理论的声纳模型如图2所示。其中,(a)图、(b)图分别为栅格为空和有障碍物的仿真图。
图2中,r=0.5m。从该模型公式和图形可以看到,声纳测量数据与D_S证据理论模型射关系。
4 两种方法的比较与分析
前面介绍的两种方法都通过对声纳测量特性的分析建立了从超声的测距模型,就本质而言是相似的。概率模型对每个栅格给出一个概率值,说明该栅格状态的可能性。在创建地图开始时,P[S(Cxy)=E]=P[S(Cxy)=O]=0.5;且存在约束为P[S(Cxy)=E]+P[S(Cxy)=O]=1。 概率模型不能确切地描述栅格状态的不确定性是由于信息的缺乏(对栅格没有相关的测量),还是由于信息的矛盾(多次测量结果的不一致)。另外,它假设P[S(Cxy)=O]是独立的,也就是说即使相邻的栅格之间其中某一栅格有无障碍物,对另一栅格毫无影响。即使事实与这种假设稍有偏差,也就是说在栅格间存在较小的相关性,该假设可能就会产生较大的误差,然而通过分析声纳测量特性,认为相关性是存在的。 D_S理论系统可以依靠证据的积累,不断缩小假设集,能在不同层次上组合证据。D_S理论具有比较强的理论基础,它能将“不知道”和“不确定”区分开来。证据理论需要建立合适的识别框架, 关键是进行合理的基本可信度分配, 然后就能够很好地处理由数据多源产生的不精确性和不确定性。但它也存在明显的不足,当证据冲突度较高时,经过其组合规则得到的结论常常有悖常理。
5 结语
超声波传感器以其高性价比等因素被广泛应用于现代农业机器人的测距装置,但是实际应用中需要对测距信息的不确定性进行处理。测距信息的不确定性处理涉及多个方面的任务。本文引入概率方法和D_S证据理论,来分析和处理超声波传感器测距过程中存在的不确定信息,并对两种方法进行了比较研究。
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