基于超聲波測距的農(nóng)業(yè)小車自動導(dǎo)航算法設(shè)計案例自動導(dǎo)航功能是疾病檢測小車的核心功能，它是小車能否完成自主巡檢的關(guān)鍵因素。本文根據(jù)小車巡檢環(huán)境，設(shè)計了一個基于超聲波測距的自動導(dǎo)航算法。小車運行于田壟式種植結(jié)構(gòu)的大棚內(nèi)，需要穿梭于每一條田壟之間以便對作物的健康狀況進(jìn)行全面監(jiān)控。大棚的田壟結(jié)構(gòu)的抽象模型如下圖1.1所示。圖1.1蔬菜大棚種植結(jié)構(gòu)模型Fig.1.1Vegetablegreenhouseplantingstructuremodel圖1.1中深綠色矩形為田壟。小車需要在壟間行走。圖中標(biāo)出的四個位置是小車巡檢過程中所經(jīng)歷的四個位置狀態(tài)。1是位于初始位置，2是位于壟間，3是出壟，4是位于結(jié)束位置。算法應(yīng)能夠判斷小車目前的位置狀態(tài)，并根據(jù)不同狀態(tài)設(shè)定相應(yīng)的小車的下一步行為。當(dāng)啟動巡檢程序時，小車將由初始位置前行進(jìn)入田壟。到達(dá)2位置之后，小車將使用超聲波傳感器測量兩邊田壟與小車之間的距離，然后根據(jù)距離差值來判斷小車目前是否位于壟間中心線。但由于在實際環(huán)境中田壟的邊緣是起伏變化的折線，就算小車在中心線上直行，傳感器每次測量的值也會有所不同。本文取一個時間段內(nèi)多次測量值的最小二乘擬合線作為小車的導(dǎo)航路線，這樣就減少了鋸齒狀對于導(dǎo)航的影響，使得小車移動更加流暢。由于大棚內(nèi)每條田壟在局部范圍內(nèi)近乎直線，所以小車的運行路線也為直線。所以選擇一元線性回歸模型來擬合出小車運行路徑。此模型可以對散點擬合出直線，其公式為：(1.1)(1.2)(1.3)(1.4)本算法將對兩側(cè)傳感器距離之和進(jìn)行擬合，效果如下圖1.2所示，其中紅色點為傳感器測量值，藍(lán)線為擬合直線。設(shè)定小車左側(cè)傳感器測量值為正，右側(cè)測量值為負(fù)。小車每時刻縱坐標(biāo)為零，橫坐標(biāo)為前進(jìn)距離。圖1.2一元線性擬合Fig.1.2Unarylinearfitting當(dāng)小車在田壟內(nèi)行駛時，要想確保小車位于壟間中心線，應(yīng)確保其左側(cè)傳感器一定時間段內(nèi)所測量距離的平均值與右側(cè)的距離平均值相等，則此時擬合曲線應(yīng)無限接近y=0的線。如果擬和路線與小車位置之間存在差異，如下圖1.3所示。小車此時在A處，此時小車坐標(biāo)位置與導(dǎo)航位置相差d距離，小車朝向差θ角度。此時小車應(yīng)朝藍(lán)線方向轉(zhuǎn)向略大于θ角，并行駛單位距離，則小車將逐步向壟間中心線靠攏。當(dāng)小車已處于中心線，則只需進(jìn)行角度調(diào)整。圖1.3小車轉(zhuǎn)向示意圖Fig.1.3DiagramofCarSteering在到達(dá)第3個位置時，小車需要轉(zhuǎn)向并進(jìn)入下一條壟溝，要完成此操作小車需要三個位置判斷：（1）出田壟判斷：當(dāng)小車的兩測傳感器所測量的距離突然變得極大或是測不到距離值，則標(biāo)志著小車已經(jīng)走車一條田壟。此時小車應(yīng)進(jìn)行90度轉(zhuǎn)向。（2）跨過一條壟判斷：小車轉(zhuǎn)向之后繼續(xù)直行，其一側(cè)傳感器將會測量到較小距離值，此時標(biāo)志著小車正在橫過一條田壟。而當(dāng)此傳感器的測量值突然變得極大時，標(biāo)志著小車已經(jīng)到達(dá)下一條壟溝的位置。此時小車應(yīng)轉(zhuǎn)向并直行。（3）入田壟判斷：當(dāng)小車兩側(cè)傳感器變?yōu)槎加休^小的測量值時，標(biāo)志小車已經(jīng)進(jìn)入一條壟溝。此與1位置的判斷相同。小車在巡檢過程中會記錄所經(jīng)過的田壟數(shù)，當(dāng)所巡檢的田壟數(shù)已經(jīng)達(dá)到用戶設(shè)定的所需巡檢壟數(shù)，則小車在走出最后一條田壟時也就是圖1.1中4的位置，將不再繼續(xù)巡檢，而是停止待機(jī)。此時，小車完成一次自動巡檢流程。從上文可以看出，小車的位置判定完全基于兩側(cè)超聲波傳感器的測量數(shù)值，傳感器的數(shù)值狀態(tài)發(fā)生變化往往標(biāo)志著小車位置狀態(tài)的改變，傳感器測量值狀態(tài)與小車位置狀態(tài)之間的關(guān)系如下1.4所示。圖中傳感器包含三種狀態(tài)，S1為兩側(cè)傳感器皆有較小測量值，S2為傳感器只有一側(cè)有較小測量值，S3為兩側(cè)傳感器都沒有較小測量值。S1標(biāo)志著車兩側(cè)都是田壟，則可判斷小車此時處于田壟中。S2標(biāo)志著小車一側(cè)有田壟，另一側(cè)沒有，S3標(biāo)志著小車兩側(cè)都沒有田壟。這三種狀態(tài)之間存在