基于東風1204拖拉機自動導航轉向控制系統(tǒng)設計

劉雪珂，王 斐，蔣 林

(1.重慶理工大學，重慶 401320；2.常州東風無級變速器有限公司，江蘇 常州 213000)

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基于東風1204拖拉機自動導航轉向控制系統(tǒng)設計

劉雪珂1，王 斐2，蔣 林2

(1.重慶理工大學，重慶 401320；2.常州東風無級變速器有限公司，江蘇 常州 213000)

以東風1204拖拉機為原型，通過分析拖拉機自動導航與車道偏離預警系統(tǒng)(LDWS)的異同，以LDWS轉向控制模型為基礎，推導出拖拉機動力學模型。通過分析液壓轉向機構工作原理，制定了液壓自動轉向機構的改裝方案，并利用SimHydraulics工具箱搭建了液壓自動轉向系統(tǒng)模型，且基于此轉向模型設計了自動導航拖拉機液壓轉向系統(tǒng)模糊控制器，在MatLab/Simulink中進行仿真試驗。結果表明：所設計的轉向系統(tǒng)模糊控制器具有良好的轉向跟蹤精度，其最大跟蹤誤差小于1°，控制效果良好。

拖拉機；自動轉向；模糊控制；MatLab

0 引言

拖拉機自動導航技術是實現(xiàn)拖拉機無人駕駛的一個重要發(fā)展階段，也是我國精準農(nóng)業(yè)發(fā)展所需技術所在[1]。

國內陳文良等[2]人推導出一個雙方向的PID算法，實現(xiàn)了左右轉向相同的控制量，既保持了方向系統(tǒng)的控制精度，也保持了方向決策系統(tǒng)更快的跟蹤速率。羅錫文等[3]人設計了基于PID的直線跟蹤導航控制器，實現(xiàn)了拖拉機在前進速度為0.8m/s時最大跟蹤誤差小于0.15m，平均跟蹤誤差不超過0.03m。

但上述對自動導航轉向系統(tǒng)的研究大都在大量簡化轉向機構模型的基礎上進行試驗分析，導致試驗時控制難度增加；同時，對拖拉機模型的研究很多停留在運動學上，與高精度的田間作業(yè)要求不符，也不利于后期對智能農(nóng)機功能整合及拓展，如無人駕駛等功能。

本文首先參考車輛車道偏離預警系統(tǒng)動力學模型，結合拖拉機作業(yè)特點，建立了拖拉機動力學模型；然后根據(jù)1204拖拉機液壓轉向系統(tǒng)的特點建立了較為精確的液壓自動轉向模型，并設計了轉向控制算法；最后，對整個系統(tǒng)進行了仿真實驗。

1 拖拉機自動導航系統(tǒng)

1.1 自動導航系統(tǒng)組成與原理

拖拉機自動導航系統(tǒng)主要由4部分組成，包括導航定位裝置、導航控制器、轉向控制器及電控液壓轉向系統(tǒng)[4]。其中，導航定位裝置主要由衛(wèi)星接收天線及接收機組成，用于拖拉機的實時定位，并將定位信息分別傳輸?shù)杰囕d顯示器及導航控制器中；導航控制器根據(jù)拖拉機定位信息與預定義路徑比較，計算橫向偏差及航向角偏差，并通過內置的控制算法解算出期望的轉向輪轉角輸出到轉向控制器中；轉向控制器用于控制拖拉機轉向機構，并由角度傳感器實時反饋轉向輪轉角信息。

1.2 車道偏離預警系統(tǒng)

車道偏離預警系統(tǒng)LDWS(Lane departure warning system)是智能汽車發(fā)展的一個階段，屬于車輛導航系統(tǒng)的范疇，通過安裝在汽車上的視覺感知系統(tǒng)采集道路和車輛狀態(tài)信息，然后由車道偏離評價算法對車道偏離的可能性進行評價，必要時通過信號顯示界面或座椅震動等方式向駕駛員報警[5]。LDWS與拖拉機自動導航系統(tǒng)具有一定的相似性，對設計拖拉機自動導航系統(tǒng)時具有一定的參考性。

1.3 拖拉機動力學模型

考慮到拖拉機特別是拖拉機-農(nóng)具系統(tǒng)在田間作業(yè)時對作業(yè)高精度的要求及拖拉機和農(nóng)具本身非線性特征，本文參考Rajesh Rajamani汽車車道偏離預警轉向控制模型[6]，提出二自由度拖拉機動力學模型，如圖1所示。

設定e1為橫向偏差, e2=ψ-ψdes,則模型的表達式為

式中 m—拖拉機質量；

Vx—為拖拉機質心縱向行駛速度；

Iz—橫擺慣性力矩；

lf—前軸軸距；

lr—后軸軸距；

ψdes—車輛坐標系下的航向航角為前輪轉角；

ψ—道路坐標系下的期望航向角；

Cα—輪胎側偏剛度。

當拖拉機預定義路徑為直線時，e2=ψ-ψdes=0，則系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為

圖1 拖拉機動力學模型

2 拖拉機自動轉向系統(tǒng)

2.1 自動轉向系統(tǒng)方案設計

目前，對拖拉機自動導航轉向機構的控制主要有兩種：①通過方向盤控制器直接卡扣在拖拉機方向盤上[7]，由于不需要改裝原有拖拉機的工作部件，故通用性較好；②通過改裝原液壓轉向系統(tǒng)[8]，并聯(lián)液壓閥實現(xiàn)轉向控制，這種方式相對于前者具有精度高、反應快等優(yōu)點，是比較理想的方式。

根據(jù)現(xiàn)有自動導航產(chǎn)品田間試驗發(fā)現(xiàn)，僅在原有轉向油路的基礎上并聯(lián)一個三位四通閥，會出現(xiàn)方向盤抖動的問題，故本文同時增加一個溢流閥，從而實現(xiàn)對拖拉機液壓轉向機構的控制。

2.2 自動轉向系統(tǒng)控制算法設計

模糊控制是基于語言變量的非線性控制，出發(fā)點是現(xiàn)場操作人員，在設計中并不需要建立被控對象的精確的數(shù)學模型，因而使得控制機理和策略易于接受和理解，且模糊控制系統(tǒng)魯棒性強，干擾和參數(shù)變化對控制效果的影響不大。從某種角度講，模糊控制只是將PID控制中的微分控制替換為模糊規(guī)則，將人的經(jīng)驗綜合其中，相當于非線性化的PD調節(jié)器，對于液壓系統(tǒng)等非線性系統(tǒng)，理論上模糊控制比PID控制更為適用。本文提出液壓轉向系策略，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 液壓轉向系統(tǒng)模糊控制原理框圖

其中，輸入信號為期望前輪轉角δdes，輸出信號為前輪實際轉角δ?？刂破鞯妮斎胄盘枮槠谕c實際前輪轉角偏差值E及偏差值變化率EC，通過模糊規(guī)則將轉角偏差及偏差變化率轉化為液壓閥的開度變化，并將其作為拖拉機液壓轉向機構的信號輸入。

3 建模與仿真

3.1 自動轉向系統(tǒng)模糊控制器設計

選用雙輸入單輸出模糊控制器，其輸入變量分別為轉向角偏差E及轉向角偏差變化率EC，輸出為比例伺服閥開度。其中，轉向角偏差論域取為[-10 10]，詞集為[NB NS O PS PB]；轉向角偏差變化率EC的論域取為[-1.54 1.54]，詞集為[NB NS O PS PB]；輸出比例伺服閥閥的調節(jié)范圍為[-0.1-0.1]，隸屬函數(shù)選用高斯型。模糊控制規(guī)則[9]如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

續(xù)表1

3.2 自動轉向系統(tǒng)SimHydraulics建模

MatLab產(chǎn)品SimHydraulics主要用于液壓機構及及其控制系統(tǒng)的建模和仿真，由于是圖形化語言，使得在建立液壓模型時更加直觀及簡單。

本文利用SimHydraulics工具箱建立的液壓自動轉向系統(tǒng)模型如圖3所示。其主要由兩部分組成：一是模糊控制器部分，主要包括語言變量的確定及論域設計、語言值及規(guī)則庫的設計等；二是液壓轉向機構模型的搭建，主要包括油源模型、液壓元件及其驅動元件模型和轉向輪模型等。

只考慮當拖拉機轉向處于自動控制狀態(tài)時液壓轉向系統(tǒng)的動作狀態(tài)，并對其進行建模仿真分析。在不影響液壓自動轉向系統(tǒng)性能的情況下，忽略濾清器及電磁開關閥等元件，保留油箱、油泵、溢流閥、三位四通電磁比例換向閥及液壓缸等主要元件，并添加平動彈簧、平動阻尼等模擬液壓缸在理想狀態(tài)下受到的阻力[10]。在MatLab/Simulink中建立了模型，如圖3所示。

圖3 液壓轉向系統(tǒng)模糊控制原理框圖

其中，輸入信號為前文得出的拖拉機運動學模型的輸出(即期望前輪轉角)，經(jīng)控制器解算為比例伺服閥的開度，然后控制前輪液壓缸活塞桿移動的位移，最終輸出換算為前輪實際轉角，并作為反饋到輸入端。

由試驗得出轉向液壓缸活塞位移與轉向輪偏角的關系，如圖4所示。

圖4 液壓缸柱塞位移與前輪轉角關系

由圖4可知：轉向液壓桿位移s與轉向角δ成正比，基本滿足δ=kδs。

3.3 自動轉向系統(tǒng)仿真結果與分析

利用Signal Builder創(chuàng)建了期望前輪轉角的波形信號?？紤]到拖拉機田間作業(yè)時大部分時間為直線行走，轉向角一般較小，故本文設置的最大期望轉角為12.5°，如圖5所示。

圖5 期望前輪轉角δdes波形

仿真實驗結果如圖6和圖7所示。其中，在調整量化因子ke、kec及比例因子ku時發(fā)現(xiàn)：當ke取值較大時，系統(tǒng)的超調量及過渡時間增長。這是因為ke增大，相當于縮短了誤差的基本論域，增大了誤差變量的控制作用，使得調節(jié)時間變短；同時由于超調過大，導致系統(tǒng)過度時間變長；而kec減小，則會增加調節(jié)時間，但系統(tǒng)超調量會減小[11]。最終，量化因子ke比較理想的取值為44，kec為23，相對應的期望轉角δdes與實際轉角δ跟蹤曲線如圖6所示，跟蹤誤差如圖7所示。由圖6可以看出：最大跟蹤誤差小于1°，且跟蹤誤差與期望轉角正相關，在拖拉機田間作業(yè)類型為直線型時可以達到良好的控制效果。

圖6 δdes與δ波形對比

3.4 拖拉機自動導航液壓轉向系統(tǒng)仿真

將前文提到的拖拉機運動學模型與自動轉向模型結合，并利用MatLab/Simulink仿真。拖拉機參數(shù)如下：m為4 400kg，Vx=4m/s，Iz=4972kg·m2，lf=1.725m，lr=0.94m，Cαf=80 000N/rad，Cαr=120 kN/rad。圖8為當輸入航向角為幅值為12時期望轉角與實際轉角跟蹤曲線，圖9為相應的跟蹤誤差。仿真結果表明：適當調整控制器參數(shù)后，在隨機航向角偏差的輸入下，期望期望轉角與實際轉角曲線緊密跟隨，其跟蹤誤差均小于1°，控制效果良好。

圖7 跟蹤誤差的輸出波形

圖8 δdes與δ信號對比

圖9 跟蹤誤差信號

4 結論

1) 設計了基于模糊控制的自動導航拖拉機自動轉向控制系統(tǒng)，結合拖拉機運動學模型與液壓轉向機構模型各自的特點，建立了拖拉機自動轉向控制模型。仿真測試結果表明：轉向輪能按照轉向控制系統(tǒng)發(fā)出的指令達到期望的轉角，穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差不超過1°。

2) 參考汽車LDWS轉向控制系統(tǒng)模型推導拖拉機動力學方程，在MatLab/Simulink中搭建動力學模型，并預留縱向行駛速度作為單獨輸入，為以后自動導航拖拉機設計奠定基礎。

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Design of Automatic Navigation Steering Control System for DONGFENG 1204 Tractor

Liu Xueke1， Wang Fei2， Jiang Lin2

(1.Chongqing University of Teechnology, Chongqing 401320, China; 2.Changzhou DFCVT Co.Ltd, Changzhou 213000, China)

A dynamic model for lateral tractor motion was developed on DONGFENG 1204 tractor in reference to sreering control for Lane Departure Warning System. Under the scheme of refitting an automatic hydraulic steering system, a simulation model was established by SimHydraulics.then provide a fuzzy controller for such model. The Matlab/Simulink tests prove the validity and efficiency of these models with the tracking accuracy could be contolled within 1°.

tractor; automatic steering; fuzzy control; MatLab

2016-08-24

國家發(fā)展和改革委員會創(chuàng)新項目([2015]174號)

劉雪珂(1991-),女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，(E-mail) xueke.liu@dfcvt.com。

S219.032.3

A

1003-188X(2017)10-0246-05