四輪轉(zhuǎn)向液壓底盤自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計

范曉冬，魏新華

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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四輪轉(zhuǎn)向液壓底盤自動駕駛系統(tǒng)設(shè)計

范曉冬，魏新華

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

針對“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的作業(yè)需求，為提高植保機械的作業(yè)精度，降低駕駛?cè)藛T的工作強度,設(shè)計了一種四輪轉(zhuǎn)向液壓底盤自動駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由車載電腦、行車控制器、RTK-DGPS采集裝置、電控液壓轉(zhuǎn)向裝置及行車狀態(tài)采集裝置等組成。行車狀態(tài)采集裝置采集行車參數(shù)信息并基于iCAN通信協(xié)議進行系統(tǒng)通信。車載電腦根據(jù)導(dǎo)航控制模型和各傳感器實時參數(shù)生成控制指令，行車控制器根據(jù)車載電腦指令根據(jù)四輪車運動模型生成電控信號，并通過各電磁閥控制液壓馬達和轉(zhuǎn)向油缸實現(xiàn)對底盤4個輪的轉(zhuǎn)向。試驗結(jié)果表明：當(dāng)?shù)妆P前進速度為2m/s時，平均跟蹤誤差不超過0.04m。

四輪轉(zhuǎn)向；液壓系統(tǒng)；CAN總線；RTK-DGPS；自動駕駛

0 引言

農(nóng)業(yè)機械智能化、自動化是“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的發(fā)展方向。農(nóng)用拖拉機自動駕駛技術(shù)的應(yīng)用可大大減輕駕駛?cè)藛T的勞動負荷，有效避免作業(yè)過程中銜接行產(chǎn)生的遺漏和重疊現(xiàn)象，提高了作業(yè)精度和作業(yè)效率[1-2]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在自動導(dǎo)航駕駛方面進行了深入研究。德國Hohenheim[3]大學(xué)在飼料收割機上開發(fā)了一套自動駕駛系統(tǒng)，采用天寶7400型RTK-GPS定位，以簡化三輪車模型為基礎(chǔ)設(shè)計了轉(zhuǎn)向控制器，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向駕駛。羅錫文等[4]基于 RTK-DGPS在東方紅 X-804 拖拉機上開發(fā)了一套自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)，建立了拖拉機直線跟蹤的導(dǎo)航控制傳遞函數(shù)模型。其中，轉(zhuǎn)向輪偏角檢測傳感器和電控液壓轉(zhuǎn)向裝置構(gòu)成轉(zhuǎn)向輪偏角的閉環(huán)控制回路，該回路可根據(jù)導(dǎo)航控制器提供的期望轉(zhuǎn)向輪偏角實現(xiàn)偏轉(zhuǎn)角的隨動控制。周建軍等[5]在四輪電動車上開發(fā)一套自動駕駛系統(tǒng)，采用模糊控制算法進行轉(zhuǎn)向控制，基于CAN總線通信，由脈沖信號控制步進電機實現(xiàn)電動車的轉(zhuǎn)向控制。

當(dāng)前，自動導(dǎo)航自動駕駛技術(shù)已比較成熟，如拓普康System150自動駕駛系統(tǒng)、合眾思壯公司推出的Hemisphere“壁虎”農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)及中海達公司推出的基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)用拖拉機自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)。但以上系統(tǒng)大多針對的是兩輪驅(qū)動兩輪轉(zhuǎn)向的農(nóng)用機械。四輪驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向底盤相較于兩輪轉(zhuǎn)向底盤通過性強、轉(zhuǎn)向半徑小、操作靈活，但對四輪驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向底盤自動駕駛系統(tǒng)未的研究報道較少。因此，本文在國內(nèi)現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套四輪轉(zhuǎn)向的液壓底盤自動駕駛系統(tǒng)[5-8]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

自動駕駛底盤主要包括動力系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)及自動駕駛控制系統(tǒng)等，如圖1所示。動力系統(tǒng)主要包括液壓馬達和減速機。該底盤為四輪驅(qū)動，故每個車輪都配有一個插入式液壓馬達。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)由機械轉(zhuǎn)向裝置和轉(zhuǎn)向油缸組成。由轉(zhuǎn)向油缸的伸縮變化帶動轉(zhuǎn)向搖臂，使車輪圍繞轉(zhuǎn)向節(jié)軸線旋轉(zhuǎn)， 實現(xiàn)四輪獨立轉(zhuǎn)向。

圖1 底盤總體布置示意圖

自動駕駛電控系統(tǒng)主要由車載電腦、RTK-DGPS信號接收單元、底盤姿態(tài)信息采集單元(四輪轉(zhuǎn)向角、橫擺角速度等)、底盤瞬時速度采集單元、行車控制單元及轉(zhuǎn)向控制單元等組成，如圖2所示。各模塊單元通過CAN總線進行連接，形成分布式控制系統(tǒng)。車載電腦預(yù)裝有WinCE5.0和嵌入式GIS系統(tǒng)(北京超圖軟件Supermap5.0)，RTK-DGPS采集底盤實時位置信息，并通過RS-232接口將信息傳輸給車載電腦，車載電腦通過GIS系統(tǒng)將當(dāng)前位置信息和規(guī)劃行車路徑進行比較，并由導(dǎo)航控制模型計算車輪的期望轉(zhuǎn)角，將該期望轉(zhuǎn)角和角度傳感器測得的轉(zhuǎn)向輪實際偏角輸入到行車控制器內(nèi)；行車控制器根據(jù)運動學(xué)模型計算轉(zhuǎn)向控制量，進而控制液壓元件，使其按期望的轉(zhuǎn)角進行轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)自動駕駛。

圖2 自動駕駛控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

1.1 RTK-DGPS信號接收單元

為滿足“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的作業(yè)精度需求，本系統(tǒng)采用天寶公司5700型 GPS 接收機系統(tǒng)，其支持RTK-DGPS 定位，水平定位精度誤差為固定誤差1cm加每公里動態(tài)誤差1mm，垂直定位精度誤差為固定誤差2cm加每公里動態(tài)誤差1mm，動態(tài)延遲小于20ms。

1.2 速度采集單元

由于是四輪驅(qū)動轉(zhuǎn)向底盤，所以需檢測所有車輪轉(zhuǎn)速，在每個車輪上均勻布置磁鋼，霍爾傳感器分別固定在底盤機架上。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)過一個磁鋼時，就會輸出一個脈沖信號，iCAN-7202模塊可檢測脈沖信號，并由CAN總線接口傳輸?shù)杰囕d電腦中，可得底盤車輪瞬時前進速度為

(1)

式中vi—所測車輪瞬時線速度(m/s)；

d—所測車輪的直徑(m)；

f—脈沖頻率(Hz)；

n—每個車輪上磁鋼數(shù)；

δ—檢測車輪的滑轉(zhuǎn)率(%)。

底盤設(shè)計行駛速度不大于7.5 km/h，且采用四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向，主要在低速區(qū)行駛，可用2個iCAN-7202測頻模塊采集4個車輪瞬時線速度，將采集的4個車輪的平均線速度作為車輛行駛速度V，則有

(2)

其中，vi為各車輪瞬時轉(zhuǎn)速。

1.3 行車控制器及信號采集單元

行車控制器需運行農(nóng)機運動學(xué)模型，輸出液壓轉(zhuǎn)向電流控制參數(shù)，需有較強的計算能力并具備CAN總線接口。因此，采用DSP56F805芯片，該芯片融合微控制器和DSP的點，具有較快的運算能力，并配置8路12位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，支持CAN2.0B協(xié)議。

iCAN-4017模塊具有8路模擬量輸入通道，模擬量信號的分辨率為16位[9]，用于采集車輪轉(zhuǎn)角信息。

iCAN-7202模塊具有2路正脈沖計數(shù)器，最大檢測脈沖頻率為100kHz，用于采集霍爾傳感器的脈沖信號。

iCAN-4400模塊具有4路模擬量輸出通道，可輸出電壓或者電流信號，用于輸出各比例電磁閥的控制信號。

底盤實時參數(shù)采集和行車控制程序基于微軟公司的Embedded visual C++4.0軟件開發(fā)平臺進行開發(fā)。

2 液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)主要由定量齒輪泵、電液比例換向閥和轉(zhuǎn)向油缸組成，如圖3所示。由定量齒輪泵經(jīng)過濾器對轉(zhuǎn)向油缸供油，定差溢流閥的作用是調(diào)節(jié)泵出口壓力與負載壓力相匹配。行車控制器通過iCAN-4400輸出模擬量控制信號給4路電液比例換向閥，換向閥動作，使得控制車輪的轉(zhuǎn)向油缸行程改變，推動轉(zhuǎn)向搖臂，實現(xiàn)車輪圍繞轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)動，進行轉(zhuǎn)向。

3 行車控制模型

3.1 四輪轉(zhuǎn)向二自由度力學(xué)模型

傳統(tǒng)的2WS汽車只有前輪作主動轉(zhuǎn)向動作，后輪只作隨動運動，使汽車的轉(zhuǎn)彎半徑較大，轉(zhuǎn)向不靈活。在田間作業(yè)時，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，較大的轉(zhuǎn)彎半徑可能造成作業(yè)過程中的遺漏和重疊現(xiàn)象。四輪轉(zhuǎn)向的目的在于使汽車低速轉(zhuǎn)向行駛時前后輪作逆向偏轉(zhuǎn)，可減小汽車的轉(zhuǎn)彎半徑，獲得良好的機動性。本文涉及的底盤主要在田間作業(yè)，設(shè)計最高行駛速度為7.5km/h，在低速區(qū)工作，因此在田間作業(yè)時采用四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可有效增加機組作業(yè)穩(wěn)定性，減小轉(zhuǎn)彎半徑。

由于本文的控制對象是4WS移動底盤，以二自由度的4WS動力學(xué)模型作為研究基礎(chǔ)，該模型雖經(jīng)過簡化，但經(jīng)證實可以反映4WS汽車的基本運動特性[10]。

該模型如圖4所示。

1.定量齒輪泵 2.過濾器 3.電磁球閥緊急泄荷 4.定差溢流閥 5.安全閥 6.三通減壓閥 7.轉(zhuǎn)向油缸1 8.轉(zhuǎn)向油缸2 9.轉(zhuǎn)向油缸3 10.轉(zhuǎn)向油缸4 11.電液比例換向閥1 12.電液比例換向閥2 13.電液比例換向閥3 14.電液比例換向閥4

圖4 拖拉機二自由度四輪轉(zhuǎn)向模型

其由側(cè)向運動與橫擺運動方程構(gòu)成，其動力學(xué)方程為[11]

k1δ1+k2δ2

(3)

lfk1δ1+lrk2δ2

(4)

式中k1—前輪輪胎剛度；

k2—后輪輪胎剛度；

u—縱向車速；

Iz—車身橫擺慣量；

lf—質(zhì)心到前軸距離；

lr—質(zhì)心到后軸距離；

ωr—橫擺角速度；

δ1—前輪轉(zhuǎn)角；

δ2—后輪轉(zhuǎn)角；

v—車身側(cè)向速度。

本文涉及的底盤，作業(yè)速度不超過7.5km/s，因此控制系統(tǒng)可采用前輪轉(zhuǎn)角比例前饋的控制方法:令δ2=kδ1[12]，在低速時，k值應(yīng)為負(前后輪偏轉(zhuǎn)方向相反)、有效減小了轉(zhuǎn)彎半徑，提高了操作靈活性。

(5)

由式(5)可知：為使農(nóng)機在轉(zhuǎn)向時可以保持質(zhì)心側(cè)偏角為0，k要跟隨u變化，采用前輪轉(zhuǎn)角比例前饋的控制方法，車輛質(zhì)心側(cè)偏角為0，則有u=V(汽車實時車速)。

3.2 基于預(yù)瞄點的導(dǎo)航追蹤模型

在自動駕駛時，導(dǎo)航系統(tǒng)在擬合好的曲線上按一定步長選取節(jié)點，作為行駛的預(yù)描點[13]。直線行駛時，為了保持較穩(wěn)定的行駛狀態(tài)，要求兩相鄰預(yù)瞄點之間的距離不能太??；在轉(zhuǎn)向行駛時，無人車以低速行駛確保安全性，相對于直行行駛需要更多預(yù)瞄點指引，要求兩相鄰預(yù)瞄點之間的距離不能太大。從節(jié)點中篩選出在導(dǎo)航中更有實用價值的轉(zhuǎn)向點，進而簡化直線道路的預(yù)瞄點，為后期的導(dǎo)航提供便捷。

假定篩選出的第n個轉(zhuǎn)向點用Pn表示，令無人車初始位置為第一個轉(zhuǎn)向點即P1，判定節(jié)點ai是否為轉(zhuǎn)向點的具體步驟如下：

1)前一轉(zhuǎn)向點Pn、當(dāng)前節(jié)點ai和下一節(jié)點ai+1，依次構(gòu)成向量Ai、Ai+1，并求兩向量夾角Φ；

2)比較Φ與預(yù)先設(shè)定閾值角度β的大小，若滿足條件Φ≤β，則ai不是轉(zhuǎn)向點；若Φ>β，則ai為轉(zhuǎn)向點Pn+1；

3)重復(fù)步驟 1)～2)依次判定各個節(jié)點是否為轉(zhuǎn)向點。

圖5舉例說明了轉(zhuǎn)向點篩選方法。由P1、a1、a2依次組成的兩向量夾角很小，不滿足轉(zhuǎn)向點條件，a1不是轉(zhuǎn)向點。接著，計算由a1、a2、a3構(gòu)成兩向量的夾角Φ，結(jié)果Φ大于設(shè)定閾值角度β，a2為轉(zhuǎn)向點P2。P2、a3、a4組成的兩向量夾角滿足轉(zhuǎn)向點條件，a3為轉(zhuǎn)向點。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)點篩選示意圖

3.2.1 直線導(dǎo)航

在當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系中直線導(dǎo)航涉及無人車實時坐標(biāo)點、上一時刻坐標(biāo)點和預(yù)瞄點，假設(shè)無人車某一時刻坐標(biāo)點(X，Y)位于已知上一時刻節(jié)點(X1，Y1)和預(yù)瞄點(X2，Y2)之間，如圖 6所示。Ψ代表理想行駛軌跡(X1，Y1)→(X2，Y2)與X軸正向夾角；β代表實際行駛軌跡(X1，Y1)→(X，Y)與X軸正向夾角；θ代表(X1，Y1)→(X，Y) 與X軸正向夾角；L代表無人車當(dāng)前點(X，Y)到預(yù)瞄點(X2，Y2)的距離。

由圖6可知

(6)

(7)

各參數(shù)確定后可求得以下所需變量，車輛航向與期望行駛軌跡夾角為

ε=θ-β

(8)

無人車當(dāng)前點到預(yù)瞄點的距離L為

(9)

變量L作為選擇下一預(yù)瞄點的依據(jù)，隨著無人車的行駛，無人車距當(dāng)前預(yù)瞄點的距離L逐漸變小，當(dāng)L小于一定值 d(預(yù)定的判斷閾值)，即L

圖6 直線導(dǎo)航原理圖

3.2.2 轉(zhuǎn)向?qū)Ш?/p>

直線上行駛的無人車到達轉(zhuǎn)向點附近，當(dāng)兩者距離小于d，進入轉(zhuǎn)向?qū)Ш侥Ｊ剑阎D(zhuǎn)向點(X1，Y1)、下一節(jié)點 (X2，Y2)、無人車某一時刻的坐標(biāo)點(X，Y)和無人車上一時刻節(jié)點(X0，Y0)，如圖 7 所示。

圖7 轉(zhuǎn)向?qū)Ш皆韴D

θ代表無人車當(dāng)前的航向角，則有

(10)

無人車實際期望轉(zhuǎn)向角ε計算公式為

(11)

無人車當(dāng)前點到轉(zhuǎn)向點的距離L為

(12)

變量L作為轉(zhuǎn)向?qū)Ш侥Ｊ降囊罁?jù)，隨著無人車的行駛，無人車距轉(zhuǎn)向點的距離L逐漸變小；當(dāng)L小于一定值d，即LD導(dǎo)航退出轉(zhuǎn)向?qū)Ш侥Ｊ健?/p>

本文涉及的底盤：m=3 000kg，Lf=1.5m，Lr=1.4m，k1=4 800N/rad，k2=4 400N/rad，Iz=2 000kg· m2。

導(dǎo)航控制方法如圖8所示。車載電腦基于預(yù)瞄追蹤導(dǎo)航模型通過嵌入式GIS系統(tǒng)(Supermap5.0)解譯規(guī)劃路徑和接收的DGPS位置信息行比較，得出車輛期望轉(zhuǎn)角。由期望轉(zhuǎn)角ε與前輪當(dāng)前轉(zhuǎn)角的差值，得出前輪實際控制轉(zhuǎn)角δ1；并通過CAN總線傳輸?shù)叫熊嚳刂破?，行車控制器由霍爾傳感器測得車速V，根據(jù)四輪轉(zhuǎn)向比例前饋控制方法，得出后輪控制轉(zhuǎn)角δ2；由行車控制器發(fā)出控制指令，控制電磁閥動作，進而控制車輪的轉(zhuǎn)向油缸進行伸縮變化，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向。

圖8 導(dǎo)航控制示意圖

4 通信測試與導(dǎo)航試驗

本系統(tǒng)將RTK-DGPS信息通過RS-232接口傳輸?shù)杰囕d電腦，再將各傳感器采集的信息以iCAN報文的形式通過CAN總線傳輸?shù)杰囕d電腦；車載電腦根據(jù)導(dǎo)航控制模型和規(guī)劃路徑進行比較，生成行車控制指令，以iCAN報文形式傳輸給行車控制器；通過行車控制器分別對4個車輪的液壓系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)對液壓底盤的自動駕駛控制。

將設(shè)計的自動駕駛控制系統(tǒng)進行路徑跟蹤試驗。試驗安排在江蘇大學(xué)農(nóng)裝大院內(nèi)進行，在2m/s車速條件下,直線跟蹤的最大橫向偏差為13cm，平均誤差為3.8cm，如圖9所示。

圖9 直線跟蹤結(jié)果

測試結(jié)果表明：本駕駛系統(tǒng)可在柏油路面沿規(guī)劃路徑行駛，可以將其推廣并在田間進行試驗。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了四輪轉(zhuǎn)向液壓底盤自動駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)由RTK-DGPS采集底盤實時位置信息，由 RS-232接口傳輸?shù)杰囕d電腦，車載電腦將當(dāng)前位置信息和規(guī)劃路徑進行比較，并由基于預(yù)瞄點的導(dǎo)航算法計算出車輪的期望偏角；將該期望偏角和車輪當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角由CAN總線傳輸?shù)叫熊嚳刂苾?nèi)，并根據(jù)四輪轉(zhuǎn)向二自由度力學(xué)模型計算出合適的偏轉(zhuǎn)控制量控制液壓元件,實現(xiàn)對車輪轉(zhuǎn)角的控制。測試結(jié)果表明：在底盤前進速度為2m/s時，平均跟蹤誤差不超過0.04m。

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Design of Four Wheel Steering Hydraulic Chassis Automatic Driving System

Fan Xiaodong, Wei Xinhua

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China)

According to the operation requirement of "precision agriculture", in order to improve the accuracy of the plant protection machinery operation, reduce the work intensity of drivers, this paper designs a kind of four wheel steering hydraulic chassis automatic driving system. This system mainly includes the vehicle computer, the driving controller, the RTK-DGPS collection device, the electric control hydraulic steering device, the driving state collection equipment and so on. The driving state acquisition device collects the driving parameter information and communicates with the vehicle computer based on the iCAN communication protocol . The on-board computer according to the navigation control model of each sensor and real-time parameters to generate a control command, the driving controller according to the instructions of the on-board computer according to four wheel vehicle motion model to generate control signals and through the electromagnetic valve control hydraulic motor and steering oil cylinder on the chassis of a four wheel steering control. Test results showed that: when forward speed is 2 m/s, the average tracking error is no more than 0.04m.

four-wheel steering; hydraulic system; CAN-bus;RTK-DGPS; auto matic driving

2016-04-14

國家“863計劃”項目 (2013AA 102307)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計劃重點項目(BE2013401 )；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(蘇政辦[2014]37號)

范曉冬(1990-),男，南京人，碩士研究生，(E-mail) 1246172740@qq.com。

魏新華(1972-)，男，山東濱州人，研究員， 博士，博士生導(dǎo)師，(E-mail)18361810295@163.com。

S219.032;S49

A

1003-188X(2017)05-0253-06