智能農(nóng)機自動導航系統(tǒng)應(yīng)用研究

戴增輝，何鳳琴

(1.上海立達職業(yè)技術(shù)學院,上海 201609；2.上海師范大學，上海 200234)

智能農(nóng)機自動導航系統(tǒng)應(yīng)用研究

戴增輝1，何鳳琴2

(1.上海立達職業(yè)技術(shù)學院,上海 201609；2.上海師范大學，上海 200234)

首先設(shè)計了農(nóng)機自動導航系統(tǒng)硬件及軟件，分析了常見四輪農(nóng)機結(jié)構(gòu)，并以此作為研究平臺展開模型分析，為后續(xù)自動導航算法奠定基礎(chǔ)。研究了定位坐標系，分析了大地坐標系、直角坐標系及二者相互轉(zhuǎn)化，確定導航定位解算原理及差分定位原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計導航系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分。最后，基于農(nóng)機導航定位系統(tǒng)原理進行農(nóng)機姿態(tài)測量及路徑追蹤，在此基礎(chǔ)上提出路徑追蹤改善方法，從而為后續(xù)農(nóng)機自動導航系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

農(nóng)機；導航；坐標系；定位

0 引言

目前，我國耕地面積位居世界前列，但種植效率遠低于世界發(fā)達國家，究其原因是農(nóng)業(yè)機械化程度較低，種植過程中需要耗費大量人力。隨著我國農(nóng)業(yè)種植模式由小面積分散型種植向大面積集中種植不斷轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)種植模式已經(jīng)無法滿足實際需求，因此亟待提升我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化程度。當前，農(nóng)業(yè)機械作業(yè)速度不斷提高，人工操作難度越來越大，為提高農(nóng)業(yè)機械操作效率和安全性，需在我國農(nóng)機控制過程中引進智能化農(nóng)機導航系統(tǒng)。為此，筆者展開了智能農(nóng)機自動導航系統(tǒng)研究。首先，以當前常見農(nóng)機作為研究對象，探究具有一定實用性的農(nóng)業(yè)機械導航系統(tǒng)；其次，對農(nóng)業(yè)機械導航系統(tǒng)的導航控制、組合定位、轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵技術(shù)展開研究，提升農(nóng)業(yè)機械導航系統(tǒng)可操作性、穩(wěn)定性、定位精度，為農(nóng)業(yè)機械智能化控制奠定堅實基礎(chǔ)。

1 智能農(nóng)機自動導航系統(tǒng)

在常見農(nóng)機基礎(chǔ)上設(shè)計一套完整的液壓系統(tǒng)，主要包括電機、油箱、油缸、油泵、液壓閥、轉(zhuǎn)向控制器及安全閥，裝有無線衛(wèi)星接收系統(tǒng)，結(jié)合角度傳感器設(shè)計出硬件模擬平臺；模擬拖拉機運行狀況，對導航算法精確度、編程可行性等展開研究，并為后續(xù)程序改進及算法改善奠定堅實基礎(chǔ)。

1.1 模型車結(jié)構(gòu)分析

農(nóng)機自動導航主要是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的自動轉(zhuǎn)向和提升轉(zhuǎn)向精確度。為提高農(nóng)機自動導航系統(tǒng)實用性，本研究將常用農(nóng)機配備一整套硬件平臺，模擬大型拖拉機工作過程，結(jié)合軟件導航系統(tǒng)設(shè)計一套農(nóng)機自動導航系統(tǒng)硬件設(shè)施。模型機構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動模型車的機構(gòu)圖

模型車系統(tǒng)主要包括車體結(jié)構(gòu)、電子控制器、電機、電源、充電器及顯示器等部分，結(jié)合可拆裝液壓系統(tǒng)，便于展開多次實驗。其主要功能如下：

1)車體。主要包括車身結(jié)構(gòu)、車輪、轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，另外還包括指示燈、座椅、喇叭、反光鏡等。

2)電動機。類型為三相感應(yīng)電動機，是模型動力裝置。

3)中央控制器。主要功能是控制電動機開關(guān)、速度、轉(zhuǎn)向。

4)蓄電池。提供模型所需動力及照明電力。

當前，大多農(nóng)機均采用液壓系統(tǒng)作為轉(zhuǎn)向動力，本設(shè)計轉(zhuǎn)向油路構(gòu)成包括方向盤、轉(zhuǎn)向器、轉(zhuǎn)向油泵、液壓轉(zhuǎn)向油缸及油箱，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 農(nóng)機原配轉(zhuǎn)向油路示意圖

農(nóng)機液壓機構(gòu)包括裝箱機構(gòu)、油缸、油泵、溢流閥、單向閥、過濾器、轉(zhuǎn)向輪及輔助元件。液壓裝置及轉(zhuǎn)向機構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)該根據(jù)功率需求及農(nóng)機實際作用選取適當信號。若功率較大，則選用開芯且無反應(yīng)轉(zhuǎn)向器，當轉(zhuǎn)向器位于中間位置時，可有效實現(xiàn)自主卸荷；若功率較小，則選用閉芯轉(zhuǎn)向器，當轉(zhuǎn)向器位于中間位置時，需經(jīng)過相互匹配變量泵后完成卸荷。

可編程控制器主要通過編程實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制過程。農(nóng)機上安裝的接收機接收無線衛(wèi)星信號，并將信號傳輸至車載電腦；自動導航軟件系統(tǒng)對所接收信號進行處理后傳送至可編程控制器，之后控制液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)，控制轉(zhuǎn)向角度，實現(xiàn)農(nóng)機自動導航。設(shè)計過程中，在模型車上安裝小型液壓系統(tǒng)及拖拉機液壓系統(tǒng)，結(jié)合導航算法設(shè)計程序，并通過可編程控制器自帶觸摸控制顯示器進行編程及系統(tǒng)控制。

1.2 軟件控制系統(tǒng)

軟件設(shè)計可有效提升農(nóng)機自動導航系統(tǒng)控制便利性，且可通過軟件調(diào)試糾正提升算法穩(wěn)定性,實現(xiàn)農(nóng)機行走控制及農(nóng)機作業(yè)控制。拖拉機自動駕駛模擬軟件通過QT平臺開發(fā)兩次，在實際控制中通過界面對追蹤結(jié)果進行動態(tài)顯示，并通過對話框設(shè)置拖拉機行走路徑及原始狀態(tài)；通過定時器結(jié)合算法推算拖拉機路徑信息，并在系統(tǒng)中自動規(guī)劃出下一單位時間行走路徑及方向。軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 軟件主流程圖

2 導航定位與航向角度測量

2.1 定位原理

農(nóng)機導航主要通過衛(wèi)星導航系統(tǒng)實現(xiàn)，在定位時需要將地球作為參考系，建立地球坐標系。地球坐標系又可分為直角坐標系和大地坐標系。直角坐標系主要指以設(shè)定地球質(zhì)心作為原點O，北極與原點O連線所在直線作為Z軸，0°經(jīng)線與質(zhì)心連線作為X軸，將垂直于X軸和Z軸且經(jīng)過兩軸交點的直線作為Y軸，記作坐標系XYZ，坐標系所在點可表示為(x,y,z)；大地坐標系主要指地球橢球中心與地球球心重合，地球橢球短軸與其自轉(zhuǎn)軸重合，緯度為過地球橢球中心與地球球心重合點橢球法線與赤道夾角為φ，經(jīng)度為地球橢球中心與地球球心重合點所在橢球子午面和格林威治大地子午面之間的夾角λ。高度h為地球橢球中心與地球球心重合點沿著橢球法線方向所在直線到球面距離，坐標系所在點可表示為(φ,λ,h)。直角坐標系與大地坐標系間可互相轉(zhuǎn)換，如某點P直角坐標系為(x,y,z)，在大地坐標系中為(φ,λ,h)，轉(zhuǎn)換關(guān)系為

其中，n為曲率半徑；e為第一偏心率。設(shè)地球所在橢球長半徑和短半徑分別為a、b，則

通過疊加法求得

直角坐標系和大地坐標系經(jīng)常進行過互相轉(zhuǎn)換。在大地坐標系中進行定位，得出定位點坐標屬于經(jīng)緯度坐標位置；在直角坐標系中進行定位，得出定位點坐標屬于地表坐標位置。實際應(yīng)用中，不可直接將大地坐標系用于農(nóng)機導航，直角坐標系可直接用于農(nóng)機導航。

2.2 定位解算

若要實現(xiàn)精準定位，則需保證移動站和衛(wèi)星標準時間同步，在此基礎(chǔ)上進行三維定位，在此過程中存在3個未知量，因此需要3個獨立方程求解。實際上，難以實現(xiàn)移動站和衛(wèi)星標準時間同步，在實際作業(yè)定位過程中將移動站和衛(wèi)星標準時間差量作為第4個未知量，因此需要4個獨立方程進行求解，即需要在空中具備4顆定位衛(wèi)星。

圖4為定位原理圖，分別有定位衛(wèi)星1、2、3、4，其坐標在圖4中標出。由圖4可知：4顆衛(wèi)星分別對待測點進行定位量測，得出4個方程為

c(Vt1-Vt0)

c(Vt2-Vt0)

c(Vt3-Vt0)

c(Vt4-Vt0)

4個未知量分別為待測點三維坐標參數(shù)(x0,y0,z0)和Vt0。其中，di(i=1,2,3,4)為4顆衛(wèi)星到接收機間距；Vti(i=1,2,3,4)為4顆衛(wèi)星鐘差，可通過衛(wèi)星星歷得到；Vt0是接收機鐘差。在此基礎(chǔ)上可得

di=cΔti

圖4 定位原理圖

2.3 雙天線航向測量

航向測量坐標系即農(nóng)機工作地點水平坐標系(LLS)，原點為GNSS天線陣列主天線相位中心，將正北方向作為X軸正方向，將正東方向作為Y軸正方向，XY互相垂直，Z軸與X軸、Y軸均垂直且滿足右手定則。O-XYZ為大地坐標系，設(shè)H-XYZ為LLS坐標系，對其中某點設(shè)其LLS坐標系和經(jīng)緯度(B,L)情況下，對其進行坐標變換：

1)圍繞Z'軸旋轉(zhuǎn)角度(180+L)°，從而獲得坐標系H-X″Y′Z′；

2)圍繞Y''軸旋轉(zhuǎn)角度(270+B)°，從而獲得坐標系H-X′Y′Z′；

3)在上述兩步基礎(chǔ)上，圍繞X''軸旋轉(zhuǎn)角度180°。轉(zhuǎn)換過程如圖5所示。

圖5 坐標系轉(zhuǎn)換過程

通過以上步驟可將大地坐標系轉(zhuǎn)換為LLS坐標系。在此基礎(chǔ)上可得

xLLS=Rx(180°)Ry(270°+L)Rz(180°+L)×

RY(270°+B)=

Rz(180°+L)=

將接收天線安裝于需自動導航農(nóng)機上，使用雙天線測量農(nóng)機姿態(tài)可得出其航向角及俯仰角；之后固定天線，便可實現(xiàn)精確測量。

雙天線航向測量圖如圖6所示。其中，A1和A2的坐標分別為(0,0,0)、(L2,0,0)；L2表示兩天線間距。由此可知

其中，ψ為航向角，θ為俯仰角。

3 航向追蹤和路徑追蹤

3.1 航向追蹤

自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)目的首先是實現(xiàn)對農(nóng)機精確導航，控制農(nóng)機航向及路徑；其次為路徑追蹤及導航控制奠定基礎(chǔ)。航向追蹤主要指在已知農(nóng)機當前航向下通過控制技術(shù)使其航向與目標航向一致。

1)航向追蹤控制的PID校正。一般PID控制屬于線性控制技術(shù)，控制算法比較復(fù)雜，具有良好控制效果。根據(jù)校正方式不同可將其分為比例、微分、積分3個校正環(huán)節(jié)。比例環(huán)節(jié)按比例對系統(tǒng)誤差做出響應(yīng)，并迅速推動控制器作用，縮小系統(tǒng)誤差；調(diào)節(jié)速度與比例系數(shù)為正比關(guān)系；最后通過積分環(huán)節(jié)消除系統(tǒng)存在的穩(wěn)態(tài)誤差，消除效果與積分常數(shù)呈正相關(guān)，消除過程中易出現(xiàn)穩(wěn)定性及振蕩問題。因此，在微分環(huán)節(jié)需要根據(jù)誤差信號做出應(yīng)對，并在誤差信號變大前輸入早期矯正信號，以此降低調(diào)節(jié)時間，提升系統(tǒng)響應(yīng)速度。

2)基于速度的自適應(yīng)PID控制。農(nóng)機實際作業(yè)過程中會出現(xiàn)以下幾種情況：①正常作業(yè)時，其速度保持不變：②轉(zhuǎn)彎時，速度連續(xù)變??；③曲線行駛時，速度隨曲率變化不斷改變；④操作結(jié)束時，速度連續(xù)降低直至為零。

實際設(shè)計中，將速度改變作為基本依據(jù)，設(shè)計自適應(yīng)PID控制器，通過PID自適應(yīng)控制器實現(xiàn)航向追蹤控制目的。首先計算得出農(nóng)機實際航向與目標航向誤差，并將其作為控制器輸入錄入系統(tǒng)，控制器結(jié)合農(nóng)機實際運行狀況生成在線調(diào)節(jié)參數(shù)，并輸出控制參數(shù)控制轉(zhuǎn)向輪。

圖6 雙天線航向測量圖

3.2 路徑追蹤

路徑追蹤可分為3個步驟：首先是獲取農(nóng)機相對預(yù)期目標的動態(tài)參數(shù)；其次對操縱控制量進行決策；最后實現(xiàn)精確控制操作。在實際操作中，采用位置信息接收機接受農(nóng)機相對預(yù)期目標的動態(tài)參數(shù)，并將其作為基本信息展開分析；設(shè)定預(yù)瞄點，確定橫向追蹤誤差和縱向航向偏差兩個參數(shù)，并結(jié)合程序算法得出最佳控制動作，在指定時間點執(zhí)行該動作；農(nóng)機在運行過程中其運動狀態(tài)參數(shù)被不斷傳送至系統(tǒng)，處于不斷循環(huán)控制動態(tài)過程。

4 結(jié)論

設(shè)計了一套完整的液壓系統(tǒng)，包括電機、油箱、油缸、油泵、液壓閥、轉(zhuǎn)向控制器及安全閥，裝有無線衛(wèi)星接收系統(tǒng)；結(jié)合角度傳感器設(shè)計出硬件模擬平臺，模擬拖拉機運行狀況，對導航算法精確度、編程可行性等展開研究。結(jié)合模型設(shè)置軟件控制系統(tǒng)和硬件控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上展開導航定位與航向角度測量及航向追蹤和路徑追蹤分析，得出科學有效控制策略，實現(xiàn)對農(nóng)機運行全過程自動導航。

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Research on the Application of Intelligent Automatic Navigation System of Agricultural Machinery

Dai Zenghui1，He Fengqin2

(1.Shanghai Lida Polytechnic Institute,Shanghai 201609, China; 2.Shanghai Normal University，Shanghai 200234, China)

This paper focuses on the application of intelligent agricultural machinery navigation system. First, design the hardware and software of farm machinery auto - navigation system, analyze the common four - wheel farm machinery structure, and then analyze it as the research platform, and lay the foundation for the following automatic navigation algorithm. After the study of location coordinate analysis, geodetic coordinate system, coordinate system and the two mutual conversion, determine the positioning and navigation solution principle and the differential positioning principle, on the basis of the design of the key component of navigation system.Finally,based on the principle of the agricultural machinery navigation and positioning system for attitude measurement and path tracking, on this basis, the path tracking improvement method is proposed to provide reference for the follow-up of the automatic navigation system of agricultural machinery.

agricultural machinery; navigation; coordinate system; location

2016-12-15

國家自然科學基金項目(51608325)

戴增輝(1975-)，女，哈爾濱人，講師，(E-mail)lvvytj@163.com。

S127

A

1003-188X(2018)02-0202-05