草籽噴播作業(yè)平臺導航控制系統(tǒng)仿真與試驗

仇　義，陳　智，莊新斌，宣傳忠，侯占峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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草籽噴播作業(yè)平臺導航控制系統(tǒng)仿真與試驗

仇義，陳智，莊新斌，宣傳忠，侯占峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：為提高草籽噴播效率，減少人為勞動強度，應實現(xiàn)噴播機自動噴播。為此,以車輛運動學模型作為理論依據(jù)，依靠Labview圖形化編程語言對GPS和電子羅盤進行數(shù)據(jù)采集，為草籽噴播作業(yè)平臺導航系統(tǒng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)，同時采用模糊控制策略為導航系統(tǒng)順利工作提供保障。仿真和初步試驗結(jié)果表明:該草籽噴播機作業(yè)平臺導航控制系統(tǒng)研究是可行的,具有廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：草籽噴播；作業(yè)平臺；自動導航；數(shù)據(jù)采集；模糊控制

0引言

農(nóng)業(yè)機械化給耕種帶來了極大的方便，而且隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)用機械也在逐步向智能化、高端化方向發(fā)展。人們希望提高工作效率的同時降低勞動強度，這對草籽噴播機控制系統(tǒng)研究提出了更深層次的要求。

氣候變化與不合理的土地利用方式導致草原植被嚴重退化，造成地表土壤養(yǎng)分、有機質(zhì)的大量流失，土地生產(chǎn)力下降，影響草原植被的正常生長，產(chǎn)生大范圍的沙塵暴災害和大氣環(huán)境污染，影響人類身體健康。因此，高效減緩草原植被退化速度和實現(xiàn)草原植被正向演替就顯得尤為重要。

為此，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對退化草原的地形地貌，開發(fā)草籽噴播作業(yè)平臺自動導航控制系統(tǒng)，為噴播技術(shù)快速修復退化草原植被提供可靠的技術(shù)保障。

1車輛運動學模型

采用四輪電動車作為試驗平臺,轉(zhuǎn)向控制機構(gòu)利用步進電機的轉(zhuǎn)動次數(shù)來控制。噴播機運動模型如圖1所示。當試驗平臺直線行走時，特定的導航基準線AB(簡稱導航線AB)進行導航跟蹤；導航線AB可由GPS接收儀采集的經(jīng)緯度坐標轉(zhuǎn)化為平面坐標確定，赤道和中央子午線117°的交點O作為坐標原點，X軸是高斯克呂格中的Y軸，Y軸是高斯克呂格中的X軸，建立直角坐標系。其模糊控制器采用二維控制器，即2個輸入、1個輸出。導航線AB與試驗區(qū)中央子午線的夾角為α1，α1可以由GPS接收儀采集A、B經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為平面坐標確定；車輛的行走方向線EF與試驗區(qū)的中央子午線的正北方向的夾角用α2來表示，其值可由三維電子羅盤來確定。α1與α2的差值作為航向角α。α作為第一個輸入量，有

α=α1-α2

(1)

在直角坐標系中，以車輛所在的位置點P(x,y)到航向線AB的距離λ作為第2個輸入量，則點P到直線AB的距離為

(2)

圖1　噴播機運動學模型

2數(shù)據(jù)采集

2.1　GPS數(shù)據(jù)采集程序

GPS遵循NMES-0183協(xié)議，是美國國家海洋電子協(xié)會為海用電子設(shè)備指定的標準格式，目前已經(jīng)成為GPS導航設(shè)備的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標準協(xié)議。該協(xié)議總共分7種命令，分別是$GPGGA(全球定位數(shù)據(jù))、$GPGSA(衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù))、$GPGSV*3(衛(wèi)星狀態(tài)信息)、 $GPRMC(運輸定位數(shù)據(jù))、$GPVTG(地面速度信息)、$GPGLL(大氣坐標信息)、$GPZDA(UTC時間和日期)[1]。通過圖形化編程語言Labview對GPS進行數(shù)據(jù)采集，得出GPS的3個主要參數(shù)經(jīng)度、緯度及高程。GPS的后面板程序如圖2所示。

圖2　GPS數(shù)據(jù)采集后面板程序

2.2　三維電子羅盤數(shù)據(jù)采集程序

電子羅盤的協(xié)議中標示符固定為68H，數(shù)據(jù)長度指的是從標示符到校驗和的所有字符的長度，模塊的默認地址是00，數(shù)據(jù)域根據(jù)命令字不同內(nèi)容和長度相應的變化，校驗和指的是數(shù)據(jù)長度、地址碼、命令字和數(shù)據(jù)域的和(不考慮進位)。 電子羅盤LabVIEW后面板程序框圖如圖3所示。

圖3　電子羅盤的LabVIEW后面板程序

3模糊控制策略

3.1　模糊控制器設(shè)計

結(jié)合試驗平臺實際運行情況，確定其航向偏差α的基本論域為[-30°，+30°]，導航線左邊為負，右邊為正；設(shè)定橫向位置偏差λ的基本論域為[-5m，+5m]，導航線左邊為負，右邊為正。由于試驗平臺轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角范圍為(-15°，+15°)，所以設(shè)定轉(zhuǎn)向輪期望轉(zhuǎn)角的基本論域為[-15°，+15°]，左轉(zhuǎn)為負，右轉(zhuǎn)為正。

3.2　模糊控制規(guī)則

模糊控制是人類控制行為的一種語言描述，需要設(shè)計者去總結(jié)、歸納，并進行適當?shù)某橄笏季S，或者分析系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)，并不斷地修正。面對復雜的控制對象，設(shè)計者不能主觀臆斷[2]，要向通過實踐和試驗建立合乎實際的模糊控制規(guī)則。語言型的模糊規(guī)則為一系列的模糊條件語句組成，即有許多模糊蘊含關(guān)系“如果A則B”(if A then B)構(gòu)成。A、B分別為模糊規(guī)則的先件和后件[3]。常見的控制規(guī)則有“如果A則B” (if A then B)；“如果A且B則C”(if A and B then C)；“如果A則B否則C”(if A then B else C)等。本研究的控制器采用的是雙輸入單輸出的形式，那么采用第2種，將兩個輸入作為控制規(guī)則的先件，輸出作為控制規(guī)則的后件。根據(jù)經(jīng)驗，總結(jié)出如下的控制規(guī)則：

如果航向角偏差α是負大、橫向位置偏差λ為負大，則噴播機模型期望轉(zhuǎn)動次數(shù)n為正大(if α=NB and λ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是負中、橫向位置偏差λ為負大，則噴播機模型期望轉(zhuǎn)動次數(shù)n為正大(ifα=NM and λ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是負小、橫向位置偏差λ為負大，則噴播機模型期望轉(zhuǎn)動次數(shù)n為正大(ifα=NS andλ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是零、橫向位置偏差λ為負大，則噴播機模型期望轉(zhuǎn)動次數(shù)n為正大(ifα=ZO andλ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是正小、橫向位置偏差λ為負大，則噴播機模型期望轉(zhuǎn)動次數(shù)n為正小(ifα=PS andλ=NB then n=PS)。

如果航向角偏差α是正中、橫向位置偏差λ為負大，則噴播機模型期望轉(zhuǎn)動次數(shù)n為正小(ifα=PM andλ=NB then n=PS)。

如果航向角偏差α是正大、橫向位置偏差λ為負大，則噴播機模型期望轉(zhuǎn)動次數(shù)n為正小(ifα=PB andλ=NB then n=ZO)。

如此排列，共有49條這樣的控制規(guī)則，現(xiàn)將以上的控制規(guī)則整理成表，如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則

4系統(tǒng)試驗結(jié)果

4.1　系統(tǒng)基本功能測試結(jié)果

用LabVIEW軟件進行界面設(shè)計，對GPS、電子羅盤進行設(shè)置，測試試驗點選擇內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學西區(qū)工科大樓西側(cè)馬路上的A、B兩點，把直線AB作為試驗平臺模擬跟蹤路徑。電子羅盤North端指向電動四輪車的行進方向。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

把A、B兩點的經(jīng)緯度坐標輸入導航系統(tǒng)，經(jīng)過系統(tǒng)程序的坐標轉(zhuǎn)換和控制算法的計算，得到試驗平臺在直線AB的右側(cè)，到直線AB的距離為1.577 6m，電子羅盤偏離直線AB右側(cè)的角度為13.4°；此時，試驗平臺的轉(zhuǎn)動次數(shù)為-2，即試驗平臺需向左轉(zhuǎn)動2次轉(zhuǎn)向輪來跟蹤直線AB。

圖4　左轉(zhuǎn)測試仿真結(jié)果

圖5　右轉(zhuǎn)測試仿真結(jié)果

試驗平臺右轉(zhuǎn)測試仿真結(jié)果如圖5所示。試驗平臺偏離直線AB左側(cè)的角度為11.1°，在直線AB的左側(cè)，距離直線3.061 4m；此時，試驗平臺需要向右轉(zhuǎn)動2次轉(zhuǎn)向輪來跟蹤直線AB。

4.2　試驗驗證

按照測試仿真結(jié)果進行了初步試驗，選取內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學西區(qū)體育場為試驗區(qū)域，試驗路線如圖6所示。

圖6　試驗區(qū)域

用GPS在體育場東側(cè)跑道定位點A和點B，從而得到A點經(jīng)度坐標為111°42.02180′，緯度坐標為40°48.13524′；B點經(jīng)度坐標為111°42.03480′，緯度坐標為40°48.11776′。 把A、B兩點的經(jīng)緯度輸入到測試系統(tǒng)相應位置，A、B兩點的距離為100m，試驗平臺以3.6km/h的速度從A點自動運行到B點，每隔3s在試驗平臺的運行路徑處做標記，進行4次重復性試驗，結(jié)果如圖7所示。

圖7　噴播機模型軌跡散點圖

4次跟蹤試驗中，最大偏移量的WGS84坐標分別為：M點的經(jīng)度111°42.023 70，緯度40°48.127 59；N點的經(jīng)度111°42.033 85，緯度40°48.117 51；P點的經(jīng)度111°42.022 73，緯度40°48.130 47；Q點的經(jīng)度111°42.025 99，緯度40°48.129 46。根據(jù)試驗平臺的運行軌跡的散點圖，運用最小二乘擬合法擬合該散點圖的擬合直線A′B′。GPS接收儀的精度在3～5m，擬合的直線A′B′(圖1中虛線)和既定直線AB存在一定的差異。 通過試驗研究得出：當試驗平臺以3.6km/h的速度運行時，相對于直線AB的最大偏移量為3.51m，與GPS的精度(3～5m)基本相符，基本實現(xiàn)了試驗平臺自動導航功能的設(shè)計要求。

5結(jié)論

針對草原荒漠化及植被覆蓋度低等問題，提出了草籽噴播機自動導航系統(tǒng)的控制方法，從幾何角度建立了車輛的運動學模型。在此基礎(chǔ)上，采用模糊控制策略對航向角和橫向位置偏差進行實時的調(diào)整。試驗表明：當車速在3.6km/h的速度運行時，試驗平臺相對于直線AB的最大偏移量約為3.51m，與GPS的精度(3～5m)相比基本符合要求。因此，作業(yè)平臺自動導航系統(tǒng)的實現(xiàn)是完全可行的。

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Seed-spraying Work Platform Navigation Control System Simulation and Test

QiuYi, Chen Zhi, Zhuang Xinbin, Xuan Chuanzhong, Hou Zhanfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering ，Inner Mongolia Agricultural University ，Hohhot 010018，China)

Abstract：In order to enhance working efficiency ,reduce labor intensity. To realize automatic spraying of spray-seeding machine. According to vehicle kinematic model as the theoretical basis, relying on Labview graphical programming language making data acquisition for GPS and electronic compass , providing relevant data for Seed-spraying Work Platform Navigation System; At the same time using fuzzy control strategy to provide good protection for working successful. Simulation and preliminary test results show that seed-spraying platform automatic navigation control system is available and broad prospect.

Key words：seed-sparaying; work platform; automatic navigation; data acquisition; fuzzy control

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0150-05

作者簡介：仇義(1992-),男，吉林東豐人，碩士研究生，(E-mail)775877826@qq.com。通訊作者：陳智(1962-)，男，內(nèi)蒙察右前旗人，教授，博士生導師，(E-mail)sgchenzhi@imau.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(41161045)

收稿日期：2015-09-21