大棚蔬菜疾病檢測(cè)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3581大棚蔬菜疾病檢測(cè)小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成案例 1136551.1系統(tǒng)需求分析 1130151.1.1功能性需求 17321.1.2非功能性需求 240191.2系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3120711.2.1總體設(shè)計(jì) 322551.2.2通信模塊設(shè)計(jì) 4302071.2.3導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì) 665041.2.3用戶界面設(shè)計(jì) 886901.3系統(tǒng)集成與測(cè)試 9217491.3.1系統(tǒng)集成 9100391.3.2小車移動(dòng)導(dǎo)航性能測(cè)試 12151111.3.3小車通信性能測(cè)試 15149761.3.4界面測(cè)試 161.1系統(tǒng)需求分析1.1.1功能性需求功能性需求為軟件使用者對(duì)于軟件所應(yīng)具有的功能提出的要求。本小車的使用者為蔬菜大棚管理者，通過與他們進(jìn)行交談，并結(jié)合本人設(shè)計(jì)初衷，本系統(tǒng)應(yīng)具有如下幾種功能：（1）開始、暫停小車巡檢功能。本設(shè)計(jì)中小車可以按照預(yù)先設(shè)定的巡檢頻率自動(dòng)進(jìn)行巡檢，用戶也可以手動(dòng)對(duì)小車巡檢過程進(jìn)行控制。有時(shí)用戶需要小車立即進(jìn)行巡檢，有時(shí)需要小車暫停巡檢，如蔬菜大棚內(nèi)正有工人作業(yè)時(shí)。（2）小車狀態(tài)查看功能。用戶需要了解小車目前處于何種狀態(tài)。狀態(tài)有三種：未連接、待機(jī)、巡檢和故障。（3）手動(dòng)操作模式。小車具有自動(dòng)導(dǎo)航巡檢的功能，但有時(shí)用戶可能需要手動(dòng)操作小車進(jìn)行移動(dòng)拍照。本設(shè)計(jì)應(yīng)提供手動(dòng)操作功能，讓用戶可以手動(dòng)移動(dòng)小車并操作小車拍照。（4）實(shí)時(shí)圖片與識(shí)別結(jié)果顯示。在巡檢過程中小車會(huì)進(jìn)行采樣拍照并對(duì)圖片進(jìn)行疾病識(shí)別，用戶需要了解此識(shí)別結(jié)果。故需要在計(jì)算機(jī)端軟件提供一個(gè)實(shí)時(shí)顯示界面。（5）巡檢參數(shù)設(shè)定。用戶可以根據(jù)實(shí)際使用需求來設(shè)定小車的巡檢頻率以及巡檢時(shí)的拍照頻率，巡檢田壟數(shù)以及作物種類等巡檢信息。如使用場(chǎng)景發(fā)病率高則需提高巡檢頻率，如蔬菜種植較為密集則需提高拍照頻率。（6）警報(bào)功能。因?yàn)橛脩舨豢赡芤恢倍⒅娔X監(jiān)測(cè)識(shí)別結(jié)果，在檢測(cè)出疾病時(shí)需要及時(shí)通過一些方式通知用戶。（7）歷史數(shù)據(jù)查詢。小車的巡檢日志將保存到電腦某文件夾內(nèi)，包括巡檢時(shí)間、拍攝圖片以及識(shí)別結(jié)果等信息，以供用戶調(diào)閱。對(duì)于以上的功能需求，采用用例圖進(jìn)行分析，如下圖1.1所示。圖1.1小車功能需求分析用例圖Fig.1.1Trolleyfunctionalrequirementanalysisusecasediagram1.1.2非功能性需求本系統(tǒng)的非功能需求如下：（1）響應(yīng)時(shí)間。在用戶進(jìn)行手動(dòng)操作時(shí)，應(yīng)保證操作指令的下達(dá)以及圖片的上傳應(yīng)具有較小的延時(shí)，這樣才能保證手動(dòng)操作的有效性。一般應(yīng)小于100ms。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。在進(jìn)行巡檢日志存儲(chǔ)時(shí)，應(yīng)考慮計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)條件，不可占用太多存儲(chǔ)空間。因此只保存較短時(shí)間段內(nèi)的正常數(shù)據(jù)，以及較長時(shí)間段內(nèi)的患病的數(shù)據(jù)。（3）易用性。由于本軟件的用戶為沒有計(jì)算機(jī)專業(yè)知識(shí)的人員，因此本軟件應(yīng)界面簡單，文字通俗易懂，幫助文檔清晰。使得用戶可以無障礙使用本軟件。（4）健壯性。任何軟件都需具有健壯性。1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.2.1總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)首先分為運(yùn)行在小車端的軟件和運(yùn)行在計(jì)算機(jī)端的軟件，根據(jù)需求分析，進(jìn)一步的對(duì)于這些功能性需求進(jìn)行模塊劃分，如下圖1.2所示。圖1.2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)Fig.1.2Systemmoduledesign計(jì)算機(jī)端的各個(gè)模塊的功能如下：（1）故障檢測(cè)模塊。此模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)小車運(yùn)行是否發(fā)生故障。包括通信故障、移動(dòng)故障等。（2）參數(shù)設(shè)置模塊。負(fù)責(zé)小車巡檢頻率以及拍照頻率的設(shè)置，以及歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)長的設(shè)置。 （3）讀寫數(shù)據(jù)模塊。主要功能為小車巡檢日志的存儲(chǔ)以及歷史數(shù)據(jù)的調(diào)閱等功能。（4）手動(dòng)操作模塊。負(fù)責(zé)自動(dòng)與手動(dòng)模式的切換以及在手動(dòng)模式下的小車移動(dòng)以及控制的功能。（5）通信模塊。負(fù)責(zé)與小車進(jìn)行通信。接收來自小車的圖片，位置信息等信息；向小車傳輸巡檢頻率等參數(shù)，手動(dòng)操作指令等信息。（6）疾病識(shí)別模塊。此模塊負(fù)責(zé)疾病的識(shí)別，是4.3節(jié)疾病識(shí)別算法的整合實(shí)現(xiàn)。小車端的各個(gè)模塊的功能如下：（1）拍照模塊。負(fù)責(zé)小車巡檢過程中的圖片拍攝，此模塊將根據(jù)采用頻率進(jìn)行拍攝，并將所拍攝圖片交給通信模塊傳輸至計(jì)算機(jī)。（2）導(dǎo)航模塊。分為自動(dòng)導(dǎo)航和手動(dòng)導(dǎo)航，自動(dòng)導(dǎo)航負(fù)責(zé)小車自動(dòng)巡檢過程中的避障導(dǎo)航，使得小車能夠在不發(fā)生碰撞的情況下遍歷大棚內(nèi)每一條田壟。手動(dòng)導(dǎo)航接收用戶指令，控制小車移動(dòng)。（3）通信模塊。與計(jì)算機(jī)端通信模塊進(jìn)行通信，主要向計(jì)算機(jī)端傳輸圖片，位置信息等。1.2.2通信模塊設(shè)計(jì)小車在巡檢過程中，須頻繁地與計(jì)算機(jī)端進(jìn)行信息傳遞。在手動(dòng)模式下進(jìn)行一次移動(dòng)和拍照的時(shí)序圖如下，其中步驟1-5為控制小車移動(dòng)的步驟，步驟6-16為控制小車拍照的步驟。圖1.3手動(dòng)導(dǎo)航的時(shí)序圖Fig.1.3Timingdiagramformanualnavigation整個(gè)過程由用戶開始，各步驟描述如下：步驟1首先用戶在操作界面點(diǎn)擊小車移動(dòng)按鈕，小車移動(dòng)按鈕包括上下左右四個(gè)，分別控制小車前行、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。步驟2電腦端控制器將移動(dòng)指令提交給通信類。步驟3和4電腦端通信類傳輸移動(dòng)指令至小車端通信類，隨后小車端通信類將此指令交給小車端控制器。步驟5小車端控制器調(diào)用導(dǎo)航算法，導(dǎo)航算法根據(jù)移動(dòng)指令控制小車移動(dòng)。步驟6-9與移動(dòng)時(shí)相似，拍照指令一步步地傳輸至小車控制器。步驟10控制器調(diào)用拍照算法進(jìn)行圖片拍攝。步驟11-14將拍攝的圖片逐步返回給電腦端控制器。步驟15和16電腦端控制器將圖片交給疾病識(shí)別算法進(jìn)行疾病識(shí)別，識(shí)別完成后將結(jié)果返回。由上圖可以看出本文的通信模塊分為電腦端和小車端兩個(gè)算法，在一次手動(dòng)控制操作中需要三次信息傳遞，分別為第3步將移動(dòng)指令從計(jì)算機(jī)端傳輸至小車端，第8步將拍照指令從計(jì)算機(jī)端傳輸至小車端，第13步將拍攝圖片從小車端傳輸至計(jì)算機(jī)端?？傮w來說，小車向計(jì)算機(jī)端傳輸?shù)男畔⒂行≤嚺c計(jì)算機(jī)之間需要進(jìn)行通信，根據(jù)巡檢流程可以了解到，在巡檢過程中，小車需要向計(jì)算機(jī)傳輸?shù)男畔⒂校海?）拍攝的圖片，由于識(shí)別過程在電腦端進(jìn)行，所以小車需要將圖片實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X端。（2）自身位置信息，在巡檢過程中，在電腦端可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車位置是必要的。而且在發(fā)現(xiàn)疾病時(shí)，小車也需要將位置信息上傳，以便工作人員了解到疾病發(fā)生的位置。計(jì)算機(jī)需要向小車的信息有：（1）發(fā)送開始，結(jié)束指令：電腦端應(yīng)該可以控制小車是否進(jìn)行巡檢。（2）巡檢頻率：小車自動(dòng)巡檢的時(shí)間間隔。（3）移動(dòng)指令：雖然小車可以進(jìn)行自主移動(dòng)，但是也可以改為手動(dòng)模式進(jìn)行操作?；诖藢?duì)通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其類圖如下圖1.4所示。圖1.4通信類Fig.1.4CommunicationclassPCSocket類為計(jì)算機(jī)端用于通信的類，是socket通信中的客戶端，其包含兩個(gè)屬性，為小車通信程序運(yùn)行時(shí)的IP地址和端口號(hào)，通信時(shí)程序?qū)⑹紫仁褂么诵畔⑴c小車建立連接。此類還包含四個(gè)方法，dataRecv()是數(shù)據(jù)接收函數(shù)，負(fù)責(zé)監(jiān)聽從小車端傳輸過來的信息。ImgRecv()與localRecv()是具體的接收函數(shù)，分別用來接收?qǐng)D片和位置信息，運(yùn)行時(shí)被dataRecv()函數(shù)所調(diào)用。最后dataSend()是數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，計(jì)算機(jī)端向小車端發(fā)送的所有信息均通過此函數(shù)發(fā)出。RobotSocket是小車端通信類，是socket通信中的服務(wù)端。其包含三個(gè)常量，分別定義了不同信息的代號(hào)，為數(shù)據(jù)解析時(shí)用。另一個(gè)屬性port為此程序的監(jiān)聽端口。此類還包含了三個(gè)方法，其中dataRecv()與dataSend()用于數(shù)據(jù)收發(fā)，dataPraser()的功能為解析接收到的數(shù)據(jù)，判斷其為巡檢參數(shù)、手動(dòng)操作指令或是其他指令，以便將此數(shù)據(jù)分發(fā)給不同的模塊。1.2.3導(dǎo)航模塊設(shè)計(jì)導(dǎo)航模塊負(fù)責(zé)小車所有移動(dòng)相關(guān)的功能，根據(jù)小車的移動(dòng)方式可分為手動(dòng)導(dǎo)航與自動(dòng)導(dǎo)航，上文4.1節(jié)對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，本節(jié)將詳細(xì)介紹導(dǎo)航模塊的組成與運(yùn)行流程。在小車開始導(dǎo)航時(shí)，算法首先判斷此次導(dǎo)航的模式為手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式，當(dāng)為手動(dòng)時(shí)，算法會(huì)循環(huán)接收手動(dòng)操作指令并操作小車移動(dòng)，直到接收到終止指令；當(dāng)導(dǎo)航模式為自動(dòng)模式時(shí)，算法將循環(huán)讀取超聲波傳感器的值，并依此判斷小車當(dāng)前位置，然后根據(jù)不同位置采取不同操作。本導(dǎo)航算法的流程圖如下。圖1.5導(dǎo)航算法流程圖Fig.1.5Navigationalgorithmflowchart下圖1.6為導(dǎo)航模塊的類圖。此類包含三個(gè)屬性和八個(gè)方法。其中navigationMode表示導(dǎo)航模式，分為自動(dòng)導(dǎo)航和手動(dòng)導(dǎo)航，moveInstruction是指移動(dòng)指令，為二元元組，包含移動(dòng)方向與移動(dòng)距離。移動(dòng)方向有向前直行，向后倒車，左轉(zhuǎn)及右轉(zhuǎn)。當(dāng)移動(dòng)方向?yàn)榍盎蚝笾毙袝r(shí)，移動(dòng)距離代表直行的距離，當(dāng)移動(dòng)方向?yàn)檗D(zhuǎn)向時(shí)移動(dòng)距離則代表轉(zhuǎn)向角度。carLocation為小車位置，小車巡檢過程中有四個(gè)位置：起始位置、田壟內(nèi)、田壟外和終止位置。圖1.6導(dǎo)航類Fig.1.6Navigationclass此類還包含八個(gè)方法，其中前兩個(gè)方法為開始和結(jié)束導(dǎo)航。manualPilot()為手動(dòng)導(dǎo)航算法，當(dāng)導(dǎo)航模式為手動(dòng)模式時(shí)類的內(nèi)部將調(diào)用此算法；而當(dāng)導(dǎo)航模式為自動(dòng)模式時(shí)將調(diào)用autoPilot()，這一自動(dòng)導(dǎo)航算法。linearFitting()為一元線性擬合函數(shù)，自動(dòng)導(dǎo)航時(shí)將用它來進(jìn)行擬合。motorControl()為電機(jī)控制算法，此方法負(fù)責(zé)將移動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從樹莓派相應(yīng)引腳發(fā)射出去，以控制電機(jī)移動(dòng)。其中移動(dòng)指令與PWM波的對(duì)應(yīng)關(guān)系在3.1節(jié)處已經(jīng)描述。collisionDetection()函數(shù)功能為碰撞檢測(cè)，在小車測(cè)距距離小于閾值則此函數(shù)會(huì)強(qiáng)制停止小車向這一方向移動(dòng)并發(fā)出碰撞警告。LocationJudge()為小車位置判斷函數(shù)，包括起始、田壟內(nèi)、田壟外和結(jié)束四個(gè)位置。1.2.3用戶界面設(shè)計(jì)本系統(tǒng)需包含一個(gè)運(yùn)行在計(jì)算機(jī)上的用戶界面軟件，軟件為用戶提供顯示與操作的平臺(tái)，用戶可以通過此軟件設(shè)置小車巡檢參數(shù)，查看疾病識(shí)別結(jié)果等。具體需要進(jìn)行顯示的信息包括：小車目前狀態(tài)、實(shí)時(shí)圖像與識(shí)別結(jié)果、歷史數(shù)據(jù)查詢等。需要操作的功能包括：設(shè)置IP地址與端口號(hào)并與小車連接、設(shè)置巡檢頻率和巡檢壟數(shù)、設(shè)置當(dāng)前作物種類、更改操作模式及手動(dòng)操作小車等。界面設(shè)計(jì)規(guī)劃如下圖1.6所示。圖1.7用戶界面設(shè)計(jì)Fig.1.7Userinterfacedesign因本軟件功能并不復(fù)雜，為使用方便將功能全置于主界面之上，可以一目了然。為避免雜亂本文將功能歸類，按類別將界面分為五個(gè)區(qū)域，各個(gè)區(qū)域功能如下：1.連接區(qū)：此區(qū)域負(fù)責(zé)小車連接配置與小車狀態(tài)觀測(cè)，其中連接配置包括IP地址與端口號(hào)。2.參數(shù)配置區(qū)：此區(qū)域負(fù)責(zé)小車巡檢參數(shù)的配置。具體包括作物種類、巡檢壟數(shù)以及巡檢頻率等參數(shù)。在參數(shù)配置完成后，可在此區(qū)域手動(dòng)啟動(dòng)/停止小車巡檢。3.歷史數(shù)據(jù)區(qū)：此區(qū)域負(fù)責(zé)保存巡檢日志以及歷史數(shù)據(jù)查詢等操作。出于對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量以及數(shù)據(jù)有用性的考量，此軟件僅會(huì)緩存當(dāng)次巡檢日志，并只保存患病日志。但如果用戶想要保存全部日志，則需在此手動(dòng)保存。4.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)：此區(qū)域負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示巡檢過程中拍攝的圖片以及圖片的識(shí)別結(jié)果等信息。1.手動(dòng)操作區(qū)：此區(qū)域負(fù)責(zé)小車導(dǎo)航模式的更改以及手動(dòng)操作小車等操作。1.3系統(tǒng)集成與測(cè)試本節(jié)將機(jī)械、硬件、軟件三者集成，制造出最終的疾病檢測(cè)小車，并在真實(shí)環(huán)境下測(cè)試小車的移動(dòng)導(dǎo)航、拍照、通信等功能。1.3.1系統(tǒng)集成（1）小車組裝本小節(jié)將根據(jù)第3章的機(jī)械與硬件設(shè)計(jì)，購買器件組裝小車。其中機(jī)械部分因本人不具備相關(guān)技術(shù)與條件自行制作小車的車體骨架，故只能于市面上選用基本能滿足需求的小車型號(hào)，然市面上皆是些通用型小車，并無專為大棚場(chǎng)景所設(shè)計(jì)之，選擇起來難免捉襟見肘。不過，僅僅用于測(cè)試本文所提算法之有效性，還是足夠的了。最終，本文選用PIBOT公司出產(chǎn)的兩輪差分小車Apollo，此小車具有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬向輪，車身尺寸為：長25cm、寬18cm、高22cm，基本可以滿足需求。機(jī)械結(jié)構(gòu)組裝完成后為小車配置硬件器件，本文所選用器件名稱與類型如下表1.1所示。表1.1小車硬件清單Table1.1TrolleyHardwareList名稱類型控制器電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片攝像頭步進(jìn)電機(jī)RaspberryPi3bL298NRaspberrycamera42BYGH34超聲波傳感器Hc-sr04以上器件在硬件設(shè)計(jì)章節(jié)有所介紹，將器件安裝至小車車體上并固定好。組裝完成的小車如圖1.8所示。圖1.8小車實(shí)物圖Fig.1.8Physicaldrawingoftrolley（2）軟件實(shí)現(xiàn)本軟件系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境為：硬件配置：CPU型號(hào)：Intel?Core?i7-7700HQ，GPU型號(hào)：NVIDIAGeForceGTX1050。內(nèi)存16GB，顯存4GB，硬盤空間1TB；軟件配置：Windows10操作系統(tǒng)，編程語言采用python3.6，開發(fā)工具為Pycharm，界面開發(fā)包使用Tkinter。軟件運(yùn)行環(huán)境為：小車端軟件運(yùn)行于樹莓派3b上，計(jì)算機(jī)端軟件運(yùn)行于開發(fā)所用筆記本上。本軟件因使用python語言開發(fā)，移植性好，對(duì)運(yùn)行環(huán)境要求不高，因軟件中包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，故在有獨(dú)立顯卡的環(huán)境下運(yùn)行速度較快。根據(jù)1.2節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在此使用python語言對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并使用Tkinter包進(jìn)行用戶界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的程序如下圖1.9所示。圖1.9軟件界面Fig.1.9Softwareinterface用戶界面提供了用戶所需的基本功能，包括巡檢參數(shù)配置、巡檢流程控制以及識(shí)別結(jié)果查看等。用戶使用本軟件可以方便的操作小車進(jìn)行巡檢，用戶操作小車進(jìn)行巡檢的流程如下圖1.10所示。首先，用戶需將小車開機(jī)并放置于巡檢開始位置，之后在軟件上設(shè)置IP地址與端口號(hào)并嘗試與小車進(jìn)行連接。如果連接成功，則小車狀態(tài)欄將會(huì)顯示“已連接”，如并未顯示，則說明連接失敗，需進(jìn)行故障排除。在連接成功后，用戶需設(shè)置巡檢參數(shù)，然后點(diǎn)擊開始巡檢按鈕啟動(dòng)巡檢流程。正常巡檢時(shí)小車會(huì)移動(dòng)并拍照，用戶可以在界面上實(shí)時(shí)查看所拍攝圖片以及識(shí)別結(jié)果。小車完成巡檢任務(wù)后會(huì)自動(dòng)停止，用戶也可以通過界面操作讓巡檢過程提前結(jié)束。圖1.10巡檢操作流程Fig.1.10Patrolinspectionoperationprocess1.3.2小車移動(dòng)導(dǎo)航性能測(cè)試本小節(jié)將對(duì)小車的移動(dòng)導(dǎo)航功能進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，實(shí)驗(yàn)所用場(chǎng)地為校園南側(cè)一菜地，如下圖1.11所示。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)此菜地尚未到種植季節(jié)，然經(jīng)測(cè)量，其田壟間距與高度等數(shù)據(jù)符合蔬菜大棚田壟結(jié)構(gòu)，故可用做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)展開分為手動(dòng)導(dǎo)航功能測(cè)試與自動(dòng)導(dǎo)航功能測(cè)試兩步，具體操作如下。圖1.11實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地Fig.1.11Theexperimentsite（1）手動(dòng)導(dǎo)航測(cè)試在手動(dòng)移動(dòng)測(cè)試中，首先通過用戶界面程序與小車建立連接，并將操作模型改為手動(dòng)模式。隨后將小車置于地面，通過按下移動(dòng)按鈕，測(cè)試小車的移動(dòng)能力，測(cè)試結(jié)果如下表1.2。表1.2手動(dòng)移動(dòng)測(cè)試結(jié)果Table1.2Manuallymovethetestresults移動(dòng)方向位置測(cè)試次數(shù)平均移動(dòng)速度(m/s)/轉(zhuǎn)向半徑(m)故障次數(shù)前進(jìn)田壟間100.181田壟外100.250后退田壟間100.171田壟外100.270轉(zhuǎn)向田壟間10/10田壟外1000由上表可知，此款小車基本可以在田壟結(jié)構(gòu)的場(chǎng)景下有效移動(dòng)，且故障率較低，僅田壟內(nèi)轉(zhuǎn)向操作無法完成，原因?yàn)槠溟L度大于田壟間距，故轉(zhuǎn)向時(shí)車身會(huì)與田壟相觸碰。好在小車正常巡檢時(shí)只需在出田壟之后進(jìn)行轉(zhuǎn)向，并無在田壟內(nèi)轉(zhuǎn)向之要求。（2）自動(dòng)導(dǎo)航測(cè)試小車自動(dòng)導(dǎo)航過程中的位置包括四個(gè)狀態(tài)：起始位置、田壟內(nèi)、出田壟與結(jié)束位置，其中需重點(diǎn)測(cè)試的為小車在田壟內(nèi)的自動(dòng)導(dǎo)航效果。首先對(duì)不同窗口值，也就是每次擬合使用歷史數(shù)據(jù)量的多少對(duì)最小二乘擬合效果的影響進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)展開如下：首先通過測(cè)量設(shè)備測(cè)量并標(biāo)記出壟間中心線，然后將小車至于中心線上，手動(dòng)操作小車前進(jìn)并記錄超聲波傳感器的測(cè)量值。最后將壟間中心線以及測(cè)距數(shù)據(jù)輸入到擬合算法之中，并通過改變窗口大小完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)。擬合效果如下圖1.12。圖(a)，(b)，(c)，(d)分別為將窗口大小設(shè)置為5、10、15和20的擬合效果。紅點(diǎn)為距離值，黑線為壟間中心線，藍(lán)線為每一步的擬合線。由圖可見，在田壟為直線的部分，窗口越大，擬合路徑越接近于田壟中心線；而在田壟轉(zhuǎn)彎處，(d)圖中擬合路徑?jīng)]能跟立刻做出響應(yīng)隨田壟轉(zhuǎn)彎，而是直到田壟已經(jīng)轉(zhuǎn)彎一段距離，擬合路徑才逐步跟隨田壟轉(zhuǎn)彎，表現(xiàn)出延時(shí)效應(yīng)。分析可知，窗口過小，擬合路徑受瞬時(shí)測(cè)量值影響較大，從而田壟不齊的邊緣會(huì)嚴(yán)重影響擬合路徑；窗口過大則擬合路徑受歷史測(cè)量值影響較大，當(dāng)田壟不直時(shí)擬合路徑會(huì)存在所謂延遲。綜上，本文選取窗口大小為15，能兼顧瞬時(shí)值和歷史值，使得小車可以有效在田壟中移動(dòng)。圖1.12不同窗口大小擬合效果對(duì)比Fig.1.12Comparisonoffittingeffectsofdifferentwindowsizes接下來將實(shí)地測(cè)試不同窗口的導(dǎo)航效果。讓小車在壟內(nèi)移動(dòng)兩米距離，觀測(cè)是否發(fā)生碰撞，并記錄所消耗時(shí)間以及小車遠(yuǎn)離田壟中心線的最大偏移角與最大偏移距離，數(shù)據(jù)如下表1.3所示。其中窗口大小為5與20時(shí)發(fā)生碰撞，碰撞即小車車體與兩側(cè)田壟發(fā)生接觸。窗口為10與15沒有發(fā)生碰撞，最大偏離角與最大偏移距離也不分伯仲，但由于窗口15的小車移動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向操作較少，故完成時(shí)間要短一些，由此驗(yàn)證了15為較合適的窗口大小。表1.3自動(dòng)導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1.3Experimentalresultsofautomaticnavigation窗口大小移動(dòng)距離(m)消耗時(shí)間(s)是否碰撞最大偏離角最大偏離距離(cm)52/是54°4.810212.1否32°2.415210.1否26°2.5202/是47°51.3.3小車通信性能測(cè)試本小節(jié)將對(duì)小車的通信功能進(jìn)行測(cè)試，其中需要測(cè)試的指標(biāo)為小車與計(jì)算機(jī)之間通信的延時(shí)。小車的自動(dòng)導(dǎo)航過程對(duì)通信延時(shí)的要求不高，但在手動(dòng)導(dǎo)航時(shí)，由于操作人員需要根據(jù)屏幕上小車拍攝的圖片判斷小車位置，從而下達(dá)移動(dòng)指令，如延時(shí)較高則