高稈作物自對行作業(yè)控制方法研究

王 玲，王萬章，田 輝，鄒彩虹

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002)

高稈作物自對行作業(yè)控制方法研究

王 玲，王萬章，田 輝，鄒彩虹

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002)

高稈作物的機(jī)械化作業(yè)一直是研究的熱點(diǎn)，目前大型機(jī)械側(cè)重于高地隙作業(yè)平臺(tái)的研究，但小地塊及不規(guī)整地塊則更適合小型機(jī)械平臺(tái)。針對高稈作物的特性，采用觸須傳感器研發(fā)了可在高稈作物間自對行自走式作業(yè)平臺(tái)，包括觸須傳感器模塊、中央控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)轉(zhuǎn)向模塊，并對控制模塊進(jìn)行了詳細(xì)闡述，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)換電路及控制電路以及模糊PID程序。經(jīng)性能試驗(yàn)，其對方波信號(hào)及正弦控制信號(hào)的周期識(shí)別結(jié)果、振幅計(jì)算、平均穩(wěn)態(tài)絕對誤差和最大穩(wěn)態(tài)誤差均在閾值范圍內(nèi)。田間模擬實(shí)試表明，其造成的作物平均損傷率僅為0.5%。

高稈作物；自對行；模糊控制；觸須傳感

0 引言

2014年的“中央一號(hào)”文件提出了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)精耕細(xì)作與現(xiàn)代物質(zhì)技術(shù)裝備相輔相成，要求通過現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備提高勞動(dòng)生產(chǎn)率[1]，提高農(nóng)業(yè)裝備的智能化程度。目前，我國的高稈作物主要有甘蔗、玉米、高梁及苧麻等[2]。其中，甘蔗是1年生宿根熱帶和亞熱帶草本植物，莖稈高1.0～3.0m，直徑30mm左右，是我國制糖業(yè)的主要原料[3-5]。玉米和高粱均為1年生草本, 株高約3.0～4.5m,玉米莖稈直徑20mm左右。高粱的莖稈直徑稍小于玉米, 兩者葉片相似, 葉身寬而長, 帶狀葉片有400～600mm長, 玉米株距為250mm左右, 高粱的株距稍小[6-8]，是我國北方地區(qū)主要的農(nóng)作物。目前，對高稈作物的研究較多，但主要集中在種植模式和收獲機(jī)械的研究上[9-10]，而在發(fā)展生產(chǎn)機(jī)械化過程中要有保護(hù)性耕作與可持續(xù)發(fā)展意識(shí)，借鑒澳大利亞推行保護(hù)性耕作過程中原有農(nóng)業(yè)機(jī)械不適用，需要進(jìn)行改進(jìn)研發(fā)適用于可持續(xù)發(fā)展的機(jī)械，使行距與輪距相互適應(yīng)，以減少土壤壓實(shí)[11]。

針對高稈作物的特性，研究自對行的無人駕駛作業(yè)平臺(tái)，可以節(jié)省勞動(dòng)資源，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。目前所用的自動(dòng)對行技術(shù)主要依賴衛(wèi)星定位技術(shù)或機(jī)器視覺對作業(yè)平臺(tái)進(jìn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航[12-13]。GPS 系統(tǒng)采用“雙導(dǎo)向”方式，即在作業(yè)機(jī)具和拖拉機(jī)上都裝上 GPS 天線，從而分別對鋤草機(jī)和拖拉機(jī)進(jìn)行導(dǎo)向。鋤草機(jī)自主對行技術(shù)使用主動(dòng)橫移裝置對機(jī)器相對作物行的橫向偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，橫向偏差可通過機(jī)器視覺和 GPS 獲得。目前，研究主要集中于機(jī)器視覺對作物行的動(dòng)態(tài)識(shí)別[14-15]，存在的主要問題是對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求較高。

本文搭建了基于仿生觸須傳感的自對行作業(yè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高稈作物作業(yè)的自對行行駛，在此平臺(tái)上可以搭載耕作、噴藥、施肥、收獲等設(shè)施，可以避免壓實(shí)土壤，降低作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，設(shè)計(jì)了高稈作物自對行控制系統(tǒng)樣機(jī)，對控制電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真和實(shí)驗(yàn)，為高稈作物自對行機(jī)械提供了思路。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

自然界中許多嚙齒類動(dòng)物都具有靈敏的觸須系統(tǒng)[16 ]，它們在黑暗中大多是弱視，主要通過觸須來感知周圍的環(huán)境、尋找食物和躲避天敵[17]。受到這一現(xiàn)象的啟發(fā)，國內(nèi)外的研究人員開展了一系列的研究工作，通過學(xué)習(xí)和模仿生物觸須，開發(fā)和研制出了多種類型的觸須傳感器，并提出了多種提取物體信息的方法。早期，一般采用剛性探針作為傳感器的觸須，該觸須傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、精度高，但需要保證觸須頂端與待測表面接觸，檢測效率低；之后，以柔性觸須替代剛性觸須，研制出了多種基于不同工作機(jī)理的觸須傳感器，如電容式觸須傳感器、電磁式觸須傳感器及PSD觸須傳感器等[18]。

裝載在作業(yè)平臺(tái)前端的觸須傳感器采用細(xì)長的柔性觸須，通過作業(yè)車在高稈作物行間行走時(shí)與兩側(cè)作物莖桿的接觸，來判斷其所處位置，是否偏離行間中心線，通過微調(diào)后保證作業(yè)車在行間正常行走，而不會(huì)偏離行間中心線。圖1為裝載有觸須傳感器的自走式作業(yè)車在高稈作物行間行走的示意圖。觸須傳感器碰到作物莖稈后，感應(yīng)出偏差角度及方位，經(jīng)單片機(jī)處理后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)向或后退轉(zhuǎn)向后，再繼續(xù)在行間行駛。

圖1 自行走對行作業(yè)平臺(tái)示意圖Fig.1 The platform schematic of self-row

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自行走對行作業(yè)平臺(tái)包括觸須傳感裝置和信號(hào)采集部分、中央單片機(jī)控制模塊、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、電機(jī)控制模塊及光柵反饋模塊，如圖2所示。觸須傳感裝置由左右兩個(gè)觸須傳感器組成，可根據(jù)不同作物選用不同柔韌度的觸須傳感器，觸須傳感器裝置的信號(hào)連接到采集模塊，進(jìn)而輸入到單片機(jī)。

觸須傳感器通過柔性材料帶動(dòng)彎曲排開雜草等非莖稈障礙物，減小誤差，進(jìn)而對作物莖稈與作業(yè)平臺(tái)的距離方位進(jìn)行記錄檢測，轉(zhuǎn)化為觸須傳感器的信號(hào)；經(jīng)過信號(hào)處理轉(zhuǎn)化為連續(xù)的模擬電信號(hào)，再利用24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片傳遞給單片機(jī)數(shù)字信號(hào)，進(jìn)一步操控舵機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的工作，并通過光柵的負(fù)反饋調(diào)節(jié)行進(jìn)速度誤差。

圖2 對行作業(yè)平臺(tái)模塊圖Fig.2 Operating platform module of self-row

首先建立作物相關(guān)的數(shù)據(jù)庫及關(guān)系模型，即通過對常見高稈農(nóng)作物的葉子、不同生長期莖稈和雜草強(qiáng)度的試驗(yàn)分析，通過與觸須傳感器的分析比較來選用不同柔性材料的觸須傳感器；利用觸須傳感裝置對平臺(tái)與作物的方位進(jìn)行分析，通過定量分析的方法建立作業(yè)車和作物不同的距離和方位下小車的轉(zhuǎn)角和速度對應(yīng)關(guān)系模型。然后，在實(shí)踐應(yīng)用中將實(shí)際檢測到的方位信息進(jìn)行分析，利用單片機(jī)與事先設(shè)定的關(guān)系模型進(jìn)行比較，按照使用者需要的速度和走向進(jìn)行調(diào)節(jié)和負(fù)反饋處理，極大地節(jié)省了人力和體力，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)度無損作物自走控制。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在作業(yè)車前端的觸須傳感器作為偏轉(zhuǎn)角度檢測裝置，信號(hào)采集模塊有高精度的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片組成，1602芯片用來顯示作物方位及作業(yè)車當(dāng)前速度信息。作業(yè)車工作時(shí)，觸須傳感器觸碰作物莖稈動(dòng)作，其信號(hào)輸出端將此信息經(jīng)24位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后由單片機(jī)處理，經(jīng)控制模塊調(diào)整舵機(jī)轉(zhuǎn)向和電機(jī)驅(qū)動(dòng)；光柵模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測車速，通過反饋調(diào)節(jié)電機(jī)動(dòng)作的PWM脈寬比，以適應(yīng)不同坡度地塊作業(yè)。

3.1 觸須傳感器

觸須傳感器的表面是一層特殊的電阻材料，當(dāng)傳感器受到應(yīng)力發(fā)生彎曲變形時(shí)，表面的電阻值隨著彎曲程度的增加而變大。因觸須傳感器的阻值變化范圍較大，可直接串接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端之間，實(shí)現(xiàn)阻值到電壓值的變換，后通過電壓跟隨器增加帶負(fù)載能力，并減小其他電路對觸須傳感器的干擾。此電路實(shí)現(xiàn)彎曲角度與輸出電壓值之間的線性對應(yīng)關(guān)系，即

(1)

彎曲傳感器轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。

圖3 彎曲傳感器轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 Bend sensor conversion circuit

雙側(cè)觸須傳感器的輸出電壓值再通過儀表放大電路檢測，針對輸出電壓的大小，判定作業(yè)平臺(tái)的偏移方向及偏移角度。

3.2 運(yùn)動(dòng)控制

自對行作業(yè)平臺(tái)沿用輪式結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)向采用單片機(jī)控制電機(jī)的速度實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。輪式移動(dòng)平臺(tái)只有直線和圓弧兩種運(yùn)動(dòng)軌跡，其線速度之間滿足的關(guān)系式為

(2)

當(dāng)觸須傳感器傳回角度偏差量ω時(shí)，在兩驅(qū)動(dòng)輪之間產(chǎn)生速度差控制量ΔV，使平臺(tái)沿順心為C的圓弧軌跡以調(diào)整角度，并保持車體為中心的線速度V的大小不變，即

V左=V+ΔV

(3)

V右=V-ΔV

(4)

通過控制系統(tǒng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，平臺(tái)在角度偏差不大時(shí)收斂速度較快，控制過程平穩(wěn)，基本能滿足平臺(tái)直線導(dǎo)航的要求；但在角度偏差較大時(shí)，則要求控制器能夠快速糾偏，使對作物的損害降到最低。常規(guī)的PID控制器需要建立控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析較復(fù)雜，本系統(tǒng)引入了模糊控制器，在模糊控制器中仍以需要回調(diào)的角度ω和當(dāng)前速度V作為系統(tǒng)輸入，以疊加作用在平臺(tái)左右輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的糾偏控制量ΔV作為系統(tǒng)輸出。模糊控制器的控制規(guī)則根據(jù)手動(dòng)控制規(guī)則總結(jié)出來的，即將系統(tǒng)的兩個(gè)輸入(回調(diào)角度ω和當(dāng)前速度V)乘以不同的權(quán)重再相加得到一個(gè)融合的控制量C作為模糊控制器的一個(gè)輸入語言變量，即

C=(1-α)V+αω

(5)

其中，1-α為當(dāng)前速度V的權(quán)重；α為回調(diào)角度ω的權(quán)重。

將C的變化率作為模糊控制器的輸入語言變量，輸出變量則直接選取作用在小車左右輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上的糾偏PWM控制量。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)軟件程序采用keil軟件C51語言編寫，采用面向?qū)ο蟮哪K化程序設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)軟件程序主要由觸須傳感器采集作業(yè)車與高稈作物位置信息模塊和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。當(dāng)雙側(cè)觸須傳感器的阻值變化不相同時(shí)，若左側(cè)觸須碰觸到高稈作物時(shí)，通過兩驅(qū)動(dòng)輪差速實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)，則本系統(tǒng)核心的控制程序是模糊PID控制，以使系統(tǒng)快速收斂，快速調(diào)整方向，最大限度地保護(hù)作物。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的自對行作業(yè)平臺(tái)的控制性能，在小車上進(jìn)行原地試驗(yàn)和田間模擬試驗(yàn)。首先設(shè)計(jì)了控制性能試驗(yàn)，根據(jù)控制器階躍響應(yīng)和正弦響應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)分析轉(zhuǎn)向性能和適應(yīng)性；然后，設(shè)計(jì)了田間模擬試驗(yàn)，分析其對作物的損害程度。

5.1 性能試驗(yàn)

1)性能試驗(yàn)1: 將周期為 20s、振幅為左右60°的方波信號(hào)輸入單片機(jī)模糊控制程序，實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向；通過角度傳感器獲取前輪實(shí)際轉(zhuǎn)角，采樣頻率為500Hz，每25個(gè)數(shù)據(jù)求平均，獲得系統(tǒng)響應(yīng)曲線，如圖5所示。

圖5 方波信號(hào)響應(yīng)結(jié)果Fig.5 Response results of square wave signal

可見，前輪對階躍信號(hào)的模糊響應(yīng)周期識(shí)別結(jié)果為19.2～20.5s，振幅計(jì)算結(jié)果為左右58.5°，階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為2.0s，無振蕩；平均穩(wěn)態(tài)絕對誤差為0.3°，最大穩(wěn)態(tài)誤差為1.0°。

2)性能試驗(yàn)2: 將周期為 20s、振幅為左右60°的正弦波信號(hào)輸入單片機(jī)模糊控制程序，實(shí)現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向；通過角度傳感器獲取前輪實(shí)際轉(zhuǎn)角，采樣頻率為500Hz，每25個(gè)數(shù)據(jù)求平均，獲得系統(tǒng)響應(yīng)曲線，如圖6所示。

前輪對正弦信號(hào)的模糊響應(yīng)周期識(shí)別結(jié)果為19.5～20.3s，振幅計(jì)算結(jié)果為左右59.0°，正弦響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間為1.0s，無振蕩；平均穩(wěn)態(tài)絕對誤差為0.2°，最大穩(wěn)態(tài)誤差為0.8°。

圖6 正弦信號(hào)響應(yīng)結(jié)果Fig.6 Response results of sine wave signal

5.2 田間模擬試驗(yàn)

平臺(tái)進(jìn)行了田間模擬試驗(yàn)，模擬對象為行間距15cm、株距3cm的玉米莖稈，玉米莖稈按照固定偏移角度5°和不規(guī)則排布兩種形式布局。結(jié)果表明：平臺(tái)均能在行間正常作業(yè)，固定偏移角度造成的作物損失比例僅為0.3%；而不規(guī)則排布的作物損傷率則不固定，最大為1%，平均作物損傷率為0.5%。

6 結(jié)論

基于觸須傳感在行間作業(yè)感知高稈作物位置信息，并通過調(diào)整兩驅(qū)動(dòng)輪差速行駛實(shí)現(xiàn)調(diào)向，以保證作業(yè)平臺(tái)在行間正常作業(yè)，而不致?lián)p傷作物。建立了以單片機(jī)為核心的自對行作業(yè)平臺(tái)，通過光柵測速模塊獲取實(shí)時(shí)車行速度，以配合模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)向，通過前端的傳感器差分電路設(shè)計(jì)獲取車行偏轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)了高稈作物行間自對行作業(yè)。性能測試

及田間模擬試驗(yàn)表明：平臺(tái)對作物平均損傷率僅為0.5%，為下一步實(shí)物機(jī)械奠定了基礎(chǔ)。

[1] 孫潔,張文娟,羅錫文.農(nóng)機(jī)化發(fā)展大有可為[J].中國農(nóng)村科技，2014(4):41-44.

[2] 李旭,舒彩霞,黃海東.高粗莖稈作物收割技術(shù)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010,30(8)：1-6.

[3] 韋巧，楊寶玲，高振江.我國甘蔗產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀淺析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015,37(4):247-254.

[4] 周勇，區(qū)穎剛，彭康益.4GZ-56型履帶式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010，41(4)：75-78.

[5] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂.甘蔗莖稈切割機(jī)理研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007(1):21-24.

[6] 張廣軍，王東偉，李金，等.4YZP-3型自走式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(2)：82-86.

[7] 杜岳峰.丘陵山地自走式玉米收獲機(jī)設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[8] 張智龍.梳脫式玉米摘穗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[9] 賈洪雷，姜鑫銘，郭明卓. 32BH-3型玉米行間播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015,46(3)：83-89.

[10] 陳志，郝付平，王鋒德.中國玉米收獲技術(shù)與裝備發(fā)展研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(12)：44-50.

[11] 覃雙眉，李明.澳大利亞甘蔗保護(hù)性耕作及可持續(xù)性生產(chǎn)[J].世界農(nóng)業(yè)，2015(3)131-136.

[12] 胡靜濤，高 雷，白曉平，等. 農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(10)：1-10.

[13] 偉利國. 農(nóng)機(jī)導(dǎo)航多模變結(jié)構(gòu)智能控制方法研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2015.

[14] 陳子文，張春龍，李 南，等.智能高效株間鋤草機(jī)器人研究進(jìn)展與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(5)：1-8.

[15] 王申瑩，胡志超，吳惠昌.基于Proteus的甜菜收獲機(jī)自動(dòng)對行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真試驗(yàn)[J].中國農(nóng)機(jī)化，2014，35(3)：35-40.

[16] Hallam B, Floreano D, Meyer J, et al. Whisking: An Unexplored Sensory Modality[C]// From animals to animats 7:Proceedings of the Seventh International Conference on Simulation of Adaptive Behavior.Cambridge：MIT Press，2002：58-59.

[17] Clements T N，Rahn C D．Three dimensional contact imaging with an actuated whisker[J].IEEE Transactions on Robotics，2006，22(4)：844-848．

[18] 李明義,谷安,鄭漢卿.機(jī)器人觸須傳感器的研究及應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015，34 (9):44-47．

High-arch Crop Self-row-control Research

Wang Ling, Wang Wanzhang, Tian Hui , Zou Caihong

(College of Mechanical & Electronic Engineering, Henan Agriculture University, Zhengzhou 450002, China)

The mechanical operation of high lever crops has been a hot research topic, and the research of large scale machinery focuses on the platform of high ground clearance, but it is more suitable for small mechanical platform. According to the characteristics of the high stalk crops by tentacles in imitation of a bend sensor developed a tall pole crop since of self-propelled type operation platform, including bending sensor module, the central controller module, motor drive module and servo steering module, and the control module were introduced in detail. The design of the switching circuit and control circuit and the fuzzy PID program, the performance test, the square wave signal and sinusoidal signal cycle identification results, amplitude calculation, average absolute error and maximum steady-state error in the threshold range. The simulation results show that the average damage rate is only 0.5%.

high-arch crop; self-row-control; fuzzy control; whisker sensor

2016-11-23

河南省科技廳產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(152107000085)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目(16A416006)

王 玲(1980-),女，河南周口人，講師，(E-mail)wangling0351@126.com。

田 輝(1980-)，女，河南駐馬店人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)th--407@sina.com。

S219.89

A

1003-188X(2018)02-0114-05