農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)的研制

印 祥，楊自棟，金誠(chéng)謙,3，杜 娟

(1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000；2. 浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 臨安 650201；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)主要滿足于田間直線行駛的需求，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化和精細(xì)化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械要求自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)具備田間道路自動(dòng)跟蹤、地頭自動(dòng)轉(zhuǎn)彎、自主避障和路徑自動(dòng)規(guī)劃等一系列功能，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械無(wú)人駕駛的前提和基礎(chǔ)，也是農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[8-10]。為了驗(yàn)證導(dǎo)航控制算法、評(píng)價(jià)導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性和導(dǎo)航精度，需要進(jìn)行大量的田間試驗(yàn)。若采用拖拉機(jī)、聯(lián)合收獲機(jī)等大型農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行導(dǎo)航試驗(yàn)測(cè)試，在機(jī)械日常維護(hù)保養(yǎng)、控制系統(tǒng)研制、試驗(yàn)材料等方面的成本較高。

針對(duì)導(dǎo)航試驗(yàn)成本較高的問題，本文研制了一種使用成本較低、便于操作與控制的農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)?；贑AN總線通信網(wǎng)絡(luò)，該試驗(yàn)平臺(tái)能夠接收農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制指令，完成自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)巡航及前進(jìn)后退自動(dòng)切換等基本操作。

1 試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

以一臺(tái)四輪電動(dòng)車為平臺(tái)原型，結(jié)合其機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電氣操作系統(tǒng)的功能特點(diǎn)，研制出了農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)成

該試驗(yàn)平臺(tái)主要包括自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、自動(dòng)巡航系統(tǒng)、自動(dòng)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示終端、CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)及其預(yù)留接口等。

自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過CAN總線接收轉(zhuǎn)向指令，將前輪轉(zhuǎn)動(dòng)至指定角度；自動(dòng)巡航系統(tǒng)根據(jù)速度指令，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以保持指定的行駛速度；數(shù)據(jù)處理與顯示終端用以發(fā)送或接收CAN總線數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；待測(cè)試的農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)通過CAN總線預(yù)留接口向試驗(yàn)平臺(tái)其它子系統(tǒng)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、速度、前進(jìn)后退等基本功能的自動(dòng)控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)接收農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)向指令，控制前輪轉(zhuǎn)動(dòng)至所期望的角度，控制原理如圖2所示。系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)向控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)向電機(jī)、角度傳感器及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等。

圖2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向原理框圖

為保證轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊，采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向管柱代替試驗(yàn)平臺(tái)原有的轉(zhuǎn)向管柱，如圖3所示。以其上所具有的12 V、270 W直流有刷電機(jī)作為轉(zhuǎn)向電機(jī)，通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)總成減速增扭以提供足夠大的轉(zhuǎn)向力矩，轉(zhuǎn)向管柱的動(dòng)力輸出軸通過萬(wàn)向節(jié)與轉(zhuǎn)向器的輸入軸聯(lián)接。

圖3 自動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

角度傳感器采用阻值為5Ω的精密導(dǎo)電塑料電位器，測(cè)量角度范圍是0°～180°，用于測(cè)量前輪的轉(zhuǎn)向角度。采用聯(lián)軸器和軟軸將轉(zhuǎn)向立柱和角度傳感器的輸入軸聯(lián)接，車輪轉(zhuǎn)向時(shí)角度傳感器的輸出值能夠直接反應(yīng)其轉(zhuǎn)向角度，如圖4所示。

把所有護(hù)士在考核期間得到的數(shù)據(jù)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行處理分析,計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,比較用t檢驗(yàn),差異顯著(P﹤0.05)時(shí),表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

轉(zhuǎn)向控制器以PIC18F458單片機(jī)為核心，具有CAN總線收發(fā)、RS232串口通信、A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換等功能，能夠接收并識(shí)別出CAN總線上的轉(zhuǎn)向指令，同時(shí)讀取角度傳感器的數(shù)值。將設(shè)定角度和實(shí)際角度進(jìn)行比較，采用如圖5所示的數(shù)字PID控制算法計(jì)算轉(zhuǎn)向電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)，使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)動(dòng)作以帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向。

圖4 角度傳感器安裝

圖5 轉(zhuǎn)向控制算法

2.2 自動(dòng)巡航系統(tǒng)

在田間行駛過程中，因地面崎嶇不平、土壤緊實(shí)度不同，作業(yè)車輛所受地面阻力不斷變化，導(dǎo)致其行駛速率變化較大。為保證車輛以所期望的速度正常行駛，需要實(shí)時(shí)調(diào)整其動(dòng)力輸出。自動(dòng)巡航系統(tǒng)主要包括速度控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器及車速傳感器等，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)巡航系統(tǒng)

車速傳感器采用600線增量式光電編碼器，將其輸入軸與左后輪的旋轉(zhuǎn)中心聯(lián)接。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸出脈沖至速度控制器，如圖7所示。

在不考慮打滑的前提下，試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)際行駛速率Sa為

(1)

其中，D為輪子直徑；N為編碼器線數(shù)；T為采樣間隔時(shí)間；P為T時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)。

圖7 自動(dòng)巡航系統(tǒng)

速度控制器接收并識(shí)別CAN總線上的車速指令，計(jì)算實(shí)際車速Sa與期望車速Sd的差值e(i)，采用如公式(2)計(jì)算并輸出合適的模擬電壓信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，以保證移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)維持既定的車速。

Vi+1=Vi+kPe(i+1)+kI[e(i+1)-2e(i)+e(i-1)]+kD[e(i+1)-e(i)]

(2)

其中，KP、KI、KD分別為PID數(shù)字控制器的比例、積分、微分項(xiàng)的3個(gè)參數(shù)，在試驗(yàn)測(cè)試時(shí)根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行調(diào)整。

2.3 自動(dòng)操作系統(tǒng)

在田間作業(yè)過程中，除轉(zhuǎn)向和變速外農(nóng)業(yè)機(jī)械需要具備前進(jìn)、后退、剎車等基本功能。為此，本文在車輛原有電氣操控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了自動(dòng)操作系統(tǒng)，主要包括自動(dòng)控制單元、繼電器及手自動(dòng)切換開關(guān)等，如圖8所示。

圖8 自動(dòng)操作系統(tǒng)

圖8中，K1、K2、K3為車輛原有手動(dòng)開關(guān)，R1、R2、R3為繼電器開關(guān)，Q1、Q2、Q3為手動(dòng)自動(dòng)切換開關(guān)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的3個(gè)端口D0、D1、D2分別為前進(jìn)、后退、剎車控制端口，當(dāng)端口接通高電平+5V時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的操作。在自動(dòng)控制模式下，自動(dòng)控制單元接收并識(shí)別CAN控制指令，通過數(shù)字I/O口向繼電器Q1、Q2、Q3的控制端發(fā)送高/低電平信號(hào)，以接通繼電器開關(guān)R1、R2、R3，完成前進(jìn)、后退、剎車等功能的自動(dòng)控制。

3 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

將本文所研制的自動(dòng)控制裝置集成到試驗(yàn)平臺(tái)上，以工控電腦作為數(shù)據(jù)處理與顯示終端，進(jìn)行了自動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)巡航等系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)綜合性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向測(cè)試

自動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)的目的是測(cè)定一系列轉(zhuǎn)向指令下前輪的轉(zhuǎn)向角，獲得車輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角與數(shù)字指令間的關(guān)系曲線，對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以提高其轉(zhuǎn)向控制精度。如圖9所示，將劃線桿固定于左前輪安裝盤上，通過工控電腦向CAN總線發(fā)送一系列轉(zhuǎn)向指令，同時(shí)將前輪的實(shí)際轉(zhuǎn)向位置記錄于A0圖紙上。

1.角度傳感器 2.聯(lián)軸器 3.軟軸 4.前懸掛 5.安裝盤 6.劃線桿

自動(dòng)轉(zhuǎn)向的測(cè)量記錄如圖10(a)所示。因A0圖紙上的測(cè)量線條較多且分布密集，相鄰線條之間的夾角用量角器無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量其角度。本研究中，采用掃描儀將測(cè)量圖紙掃描成圖片，將掃描圖片導(dǎo)入CAXA制圖軟件中，用直線命令對(duì)圖片上的線條進(jìn)行逐一描繪，用CAXA標(biāo)注角度命令標(biāo)注所有線條與0°線之間的角度，結(jié)果如圖10所示。

本研究中，車輪右轉(zhuǎn)角度值為正，左轉(zhuǎn)角度值為負(fù)。最后，將CAXA中的角度值輸出并保存至文件中，得到了轉(zhuǎn)向角測(cè)量的全部數(shù)據(jù)。角度測(cè)量曲線如圖11所示，其回歸方程為Y=-0.29X+42.0。角度分辨率最大為0.4°，最大誤差為1.0°。由此可以看出，自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制精度和線性度能夠滿足農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試的基本要求。

圖10 自動(dòng)轉(zhuǎn)向測(cè)試

圖11 角度測(cè)量曲線和回歸曲線

3.2 自動(dòng)巡航測(cè)試

自動(dòng)巡航測(cè)試的主要目的是評(píng)價(jià)試驗(yàn)平臺(tái)在自動(dòng)行走時(shí)能否維持設(shè)定的車速及車速控制的穩(wěn)定性。試驗(yàn)過程中，由工控電腦向CAN總線發(fā)送一系列車速指令，并通過其RS232串口實(shí)時(shí)接收并記錄速度控制器輸出的實(shí)際車速測(cè)量值，從而得到每個(gè)車速指令所對(duì)應(yīng)的實(shí)際車速。圖12所示為速度理論值Sd和實(shí)際車速Sa平均值的比較曲線，其最大誤差為0.3m/s。因此，自動(dòng)巡航系統(tǒng)能夠以較高的精度保持試驗(yàn)平臺(tái)以設(shè)定車速自動(dòng)行駛。

圖12 自動(dòng)巡航測(cè)試

4 結(jié)論

1)采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源、角度傳感器作為前輪轉(zhuǎn)向角度反饋單元，以PIC18F458單片機(jī)為轉(zhuǎn)向控制核心，研制了電動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。采用增量式編碼器測(cè)量行駛速度，以數(shù)字PID算法為基礎(chǔ)，完成了自動(dòng)巡航系統(tǒng)的開發(fā)。

2)在保留試驗(yàn)平臺(tái)手動(dòng)操作功能的前提下，采用并聯(lián)繼電器的方式，由自動(dòng)控制單元的數(shù)字I/O口控制繼電器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)平臺(tái)基本操作功能的自動(dòng)控制。

3)試驗(yàn)測(cè)試表明：所研制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)能夠接收CAN總線上的轉(zhuǎn)向指令和速度指令，完成試驗(yàn)平臺(tái)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向和自動(dòng)巡航，在控制精度和可靠性方面能夠滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)試的基本要求。