景云鵬 劉 剛 金志坤
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)多用于農(nóng)田生產(chǎn)過程[1],通過對(duì)拖拉機(jī)和平地鏟的自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)農(nóng)田平地機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航,可大大降低操作者的工作強(qiáng)度,具有較高的研究開發(fā)價(jià)值。
國內(nèi)外對(duì)農(nóng)田平地機(jī)導(dǎo)航控制的研究較少,一些國外公司例如Trimble和John Deere研發(fā)了用于各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)的導(dǎo)航系統(tǒng),但缺少針對(duì)農(nóng)田平地機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)。國內(nèi)學(xué)者多側(cè)重于對(duì)平地導(dǎo)航路徑進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[2-3]根據(jù)地勢分布,對(duì)平地導(dǎo)航的全局作業(yè)路徑進(jìn)行合理規(guī)劃。文獻(xiàn)[4]通過拉力傳感器實(shí)時(shí)獲取平地鏟的負(fù)載,引導(dǎo)駕駛員輔助導(dǎo)航平地作業(yè)。與自動(dòng)插秧機(jī)[5-6]、施肥機(jī)[7]和直播機(jī)等不同,農(nóng)田平地機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航不僅需要關(guān)注其導(dǎo)航行駛過程中平地鏟的位姿變化,還應(yīng)關(guān)注平地鏟能否對(duì)事先規(guī)劃好的農(nóng)田平整路徑進(jìn)行有效追蹤。目前,農(nóng)田平地機(jī)的拖拉機(jī)與平地鏟的連接模式主要分為三點(diǎn)懸掛式[8]和銷軸連接的牽引式[9]2種。牽引式農(nóng)田平地機(jī)平地面積更大,鏟車擺向靈活。
對(duì)于牽引式農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng),文獻(xiàn)[10-11]通過建立農(nóng)機(jī)具-拖拉機(jī)組合系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,提出相應(yīng)的非線性導(dǎo)航控制器,同時(shí)也考慮了側(cè)滑角對(duì)導(dǎo)航精度的影響。為了保證控制精度,這些研究在車輛和農(nóng)機(jī)具連接處添加了橫向控制器,增加了控制模型的參數(shù)。文獻(xiàn)[12]對(duì)鉸接擺桿式大功率拖拉機(jī)進(jìn)行了轉(zhuǎn)向仿真試驗(yàn)。文獻(xiàn)[13-16]對(duì)鉸接式無人駕駛車輛的系統(tǒng)建模、路徑追蹤算法、導(dǎo)航精度優(yōu)化和避障進(jìn)行了深入研究,為牽引式農(nóng)田平地機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航研究提供了思路。農(nóng)田平地機(jī)由拖拉機(jī)提供牽引動(dòng)力,導(dǎo)航過程中通過控制拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)角和后車輪行駛速度的變化引導(dǎo)鏟車駛?cè)胫付肪€,這需要建立不同數(shù)學(xué)模型來描述平地機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí),在農(nóng)田環(huán)境下,車輪側(cè)滑產(chǎn)生的側(cè)滑角會(huì)影響導(dǎo)航控制精度,因此必須考慮側(cè)滑角的影響。針對(duì)以上問題,本文提出一種帶有側(cè)滑估計(jì)的自適應(yīng)PID導(dǎo)航控制方法,旨在實(shí)現(xiàn)基于GNSS的農(nóng)田平地機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航,提高平地作業(yè)的路徑跟蹤精度。
牽引式農(nóng)田平地機(jī)在平地作業(yè)過程中,通過控制拖拉機(jī)的行駛狀態(tài)實(shí)現(xiàn)平地鏟對(duì)規(guī)劃路徑的追蹤,車輪與農(nóng)田表面之間由于摩擦力的影響產(chǎn)生側(cè)滑角。如圖1所示,拖拉機(jī)與平地鏟之間通過銷軸進(jìn)行連接,待追蹤路徑為曲線C。以后輪軸的中心位置為研究點(diǎn),得到拖拉機(jī)與追蹤曲線的位置誤差為dTe,平地鏟與追蹤曲線的位置誤差為dFe。拖拉機(jī)的前輪轉(zhuǎn)向改變農(nóng)田平地機(jī)的航向,前輪轉(zhuǎn)角為δT,轉(zhuǎn)向過程中產(chǎn)生的側(cè)滑角為β1。拖拉機(jī)后輪為驅(qū)動(dòng)輪,行駛速度為VT,路徑追蹤時(shí)產(chǎn)生的側(cè)滑角為β2。行駛過程中,平地鏟與拖拉機(jī)連接處的夾角為φ,受到牽引力的作用,平地鏟的行駛速度為VF,車輪產(chǎn)生的側(cè)滑角為β3。
圖1 農(nóng)田平地機(jī)路徑追蹤狀態(tài)Fig.1 Path tracking of farmland leveler
對(duì)拖拉機(jī)和平地鏟簡化后的組合模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,如圖2所示。當(dāng)農(nóng)田平地機(jī)追蹤至規(guī)劃路徑C時(shí),拖拉機(jī)和平地鏟的追蹤航向角分別為θTd和θFd,追蹤夾角為φd。結(jié)合圖1可知,追蹤點(diǎn)T和F處的曲率半徑分別為1/C(sT)和1/C(sF),農(nóng)田平地機(jī)的路徑追蹤目的在于實(shí)時(shí)地調(diào)整拖拉機(jī)的前輪轉(zhuǎn)角δT和速度VT,使平地鏟與曲線C的橫向誤差dFe趨于0,航向誤差θFe趨于0,拖拉機(jī)與平地鏟的夾角趨于φd。結(jié)合文獻(xiàn)[17],拖拉機(jī)的追蹤誤差方程可改進(jìn)為
(1)
圖2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.2 Kinematic model
其中
θTe=θTd-θT
式中sT——T點(diǎn)沿曲線C的坐標(biāo)
θTe——拖拉機(jī)航向追蹤誤差
C(sT)——T點(diǎn)曲率
L1——拖拉機(jī)車輪軸距
θT——拖拉機(jī)航向角
假設(shè)平地鏟與拖拉機(jī)的連接處存在一個(gè)虛擬轉(zhuǎn)向輪,平地鏟行駛過程中不斷地調(diào)整轉(zhuǎn)向角δF,同理可得平地鏟的追蹤誤差方程為
(2)
其中
θFe=θFd-θF
式中sF——F點(diǎn)沿曲線C的坐標(biāo)
C(sF)——F點(diǎn)曲率
L2——平地鏟車輪軸與連接處的距離
δF——平地鏟虛擬前輪的期望轉(zhuǎn)角
θF——平地鏟航向角
夾角φ與拖拉機(jī)航向角θT及平地鏟航向角θF的變化有關(guān),由空間位置關(guān)系可知
(3)
(4)
式中a1、a2、a3——狀態(tài)變量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)
控制變量的線性形式為
(5)
式中m1、m2——控制變量對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)
將式(4)中的a2、a3對(duì)曲線坐標(biāo)a1進(jìn)行求導(dǎo),可求得追蹤誤差(式(2))的鏈?zhǔn)奖磉_(dá)[18-19]
(6)
鏈?zhǔn)奖磉_(dá)式(6)是線性的,可以將控制參數(shù)m3表達(dá)為
m3=-Kda3-Kθa2(Kd、Kθ∈R+)
(7)
式中Kd——橫向誤差de的控制系數(shù)
Kθ——航向誤差θe的控制系數(shù)
結(jié)合式(6)、(7),可以得到
a″2+Kda′2+Kθa2=0
(8)
由式(4)、(8)可知,平地鏟的橫向誤差dFe和航向誤差θFe都收斂于0。并將式(8)代入式(5)、(6),可以求得平地鏟虛擬轉(zhuǎn)向輪的控制率為
(9)
其中
γ=θFe+β3
η=-KddFe-Kθεtanγ+C(sF)εtan2γ
ε=1-C(sF)dFe
將式(9)和式(3)聯(lián)立,可得
(10)
由式(10)可知,夾角φ作為路徑追蹤時(shí)關(guān)聯(lián)拖拉機(jī)和平地鏟的變量,其由平地鏟的狀態(tài)變量(sF,dFe,θFe)和拖拉機(jī)的控制變量(VT,δT)共同決定。因此,聯(lián)立式(10)、(1)可最終求得路徑追蹤下牽引式農(nóng)田平地機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型
(11)
(12)
考慮極限情況下側(cè)滑角減小為0,即農(nóng)田平地機(jī)不發(fā)生側(cè)滑,則式(12)可在控制變量(β2,β1,β3)趨于0時(shí)進(jìn)行線性化
(13)
控制變量的預(yù)測矩陣D是由函數(shù)f(B,E)對(duì)控制變量E求偏導(dǎo)后得到
(14)
其中
式(14)中,當(dāng)橫向偏差θTe≠π/2,dFe≠1/C(sF)且λ1+λ2+λ3≠0,則矩陣D可逆。側(cè)滑估計(jì)器的目的是使估計(jì)變量B與測量變量X之間的誤差R為0(R=B-X),誤差的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表示為
(15)
偏差增益矩陣G為Hurwitz矩陣,定義了所估計(jì)的狀態(tài)變量B向測量變量E的收斂時(shí)間[21]。測量變量X的值是等間隔的(取決于采集設(shè)備),因此可得
(16)
其中T為采樣周期。最終,通過狀態(tài)變量和測量變量的不斷收斂計(jì)算,可求得輸入變量E(即農(nóng)田平地機(jī)的側(cè)滑角(β1,β2,β3))
(17)
圖3 平地機(jī)導(dǎo)航的控制結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Navigation control structure of land leveler
農(nóng)田平地機(jī)路徑追蹤時(shí)拖拉機(jī)的行駛狀態(tài)(θTe,dTe,VT)和平地鏟的行駛狀態(tài)(θFe,dFe,VF)作為輸入變量,是可以通過測量和計(jì)算獲得的。結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,拖拉機(jī)的前輪期望轉(zhuǎn)角δT作為平地機(jī)導(dǎo)航的控制輸入,通過夾角φ建立拖拉機(jī)與平地鏟的聯(lián)系??蓪⑦\(yùn)動(dòng)過程中平地鏟相對(duì)于拖拉機(jī)橫擺的曲率看作一階慣性環(huán)節(jié)[22]
(18)
將式(18)、(11)聯(lián)立,可得到農(nóng)田平地機(jī)的前輪期望轉(zhuǎn)角
(19)
其中采樣周期T取決于RTK-GNSS數(shù)據(jù)接收設(shè)備。φd為追蹤至期望路徑時(shí)平地鏟與拖拉機(jī)之間的理想夾角,φd=θFd-θTd。
農(nóng)田平地機(jī)路徑追蹤時(shí),拖拉機(jī)的行駛方向由電機(jī)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)方向盤實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。非線性自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示,PID控制器接收到誤差輸入信號(hào),控制電機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)整拖拉機(jī)追蹤時(shí)的航向。角度傳感器實(shí)時(shí)地測量前輪轉(zhuǎn)角的角度并與轉(zhuǎn)角控制器求得的控制率δT比較,得到誤差再輸入至PID控制器,形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
PID比例增益參數(shù)KP、積分增益參數(shù)KI和微分參數(shù)KD的選擇會(huì)影響控制器適應(yīng)性和魯棒性,本文使用一種改進(jìn)的非線性整定方法[23],以轉(zhuǎn)角誤差eδ(t)為輸入量,3個(gè)增益參數(shù)為輸出量,構(gòu)造非線性整定函數(shù)
(20)
式中aP、bP、cP——比例增益范圍系數(shù)
aI、cI——積分增益范圍系數(shù)
aD、bD、cD、dD——微分增益范圍系數(shù)
如式(20)所示,范圍系數(shù)(正實(shí)數(shù))決定著增益的取值區(qū)間。當(dāng)誤差eδ(t)→∞時(shí),比例增益系數(shù)KP取最大值aP+bP。當(dāng)eδ(t)=0時(shí),KP取最小值aP。bP為KP的變化區(qū)間,調(diào)整cP可調(diào)整KP的變化速率;積分增益參數(shù)KI的取值范圍為(0,aI),當(dāng)eδ(t)=0時(shí),KI取最大值,cI決定著KI變化速率;對(duì)于微分增益,aD為KD的最小值,aD+bD為KD的最大值。當(dāng)eδ(t)=0時(shí),KD=aD+bD/(1+cD),調(diào)整dD可調(diào)整KD的變化速率。
隨著轉(zhuǎn)角誤差eδ(t)的實(shí)時(shí)計(jì)算,非線性自適應(yīng)PID控制器的控制輸入變量為
(21)
式中ew(t)——轉(zhuǎn)角誤差的變化速率
農(nóng)田平地機(jī)以John Deere 5-904型拖拉機(jī)為牽引動(dòng)力,使用北京盛恒天寶公司生產(chǎn)的平地鏟,兩者通過銷軸式半剛性連接,試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。
圖4 農(nóng)田平地機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.4 Experimental site of land leveler in field
使用上海華測導(dǎo)航公司的GNSS雙天線導(dǎo)航定位系統(tǒng)測量農(nóng)田平地機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),配置1個(gè)中繪i70型基站。移動(dòng)端的GNSS雙天線和接收機(jī)有2套:1套GNSS定向、定位天線分別放置于拖拉機(jī)前后車軸的中心位置,測量拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的位置與航向信息;另1套GNSS定向天線放置于牽引連接處,GNSS定位天線放置于平地鏟后輪軸的中心位置,測量平地鏟運(yùn)動(dòng)過程中的位置與航向信息。2個(gè)定位測向接收機(jī)的型號(hào)都為P3-DT,其平面定位精度為0.8 cm±1 mm,航向測量精度為0.1°。用于接收GNSS天線傳輸?shù)臄?shù)據(jù),接收頻率設(shè)置為5 Hz。采用北京通磁偉業(yè)公司生產(chǎn)的WYT-3I3D型無觸點(diǎn)角度傳感器測量拖拉機(jī)的前輪轉(zhuǎn)角,測量精度為0.1°。配合自行設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向平臺(tái)和導(dǎo)航控制器,實(shí)現(xiàn)平地路徑的導(dǎo)航追蹤控制。
農(nóng)田平地機(jī)的拖拉機(jī)前后軸距為2.3 m,拖拉機(jī)前輪軸長為1.6 m,拖拉機(jī)的后輪軸長為1.7 m,平地鏟的寬度為2.5 m,平地鏟前后軸距為2.7 m。通過前期的Matlab/Simulink仿真平臺(tái)的調(diào)試,結(jié)合平地導(dǎo)航所使用的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的特性[24-25],本文的電機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)響應(yīng)追蹤達(dá)到穩(wěn)定時(shí),非線性整定函數(shù)的比例增益范圍系數(shù)aP、bP、cP分別為1.2、2.5、0.2;積分增益范圍系數(shù)aI、cI分別為2、0.5;微分增益范圍系數(shù)aD、bD、cD、dD分別為0.5、1.5、4.5、0.3。再由手工試湊法,得出橫向偏差系數(shù)Kd為1,航向偏差系數(shù)Kθ為2時(shí)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的振蕩最小。同時(shí)可得偏差增益矩陣為
(22)
試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)上莊實(shí)驗(yàn)站,選取1塊收獲玉米后旋耕過的農(nóng)田,設(shè)定的追蹤路徑由3條直線與2條曲線組成。分別進(jìn)行3次路徑追蹤試驗(yàn):試驗(yàn)1導(dǎo)航控制方法帶有側(cè)滑估計(jì)器,但PID參數(shù)固定;試驗(yàn)2導(dǎo)航控制方法既有側(cè)滑估計(jì)器,又進(jìn)行非線性參數(shù)整定;試驗(yàn)3導(dǎo)航控制方法無側(cè)滑估計(jì)器,且PID參數(shù)固定。
圖5 平地機(jī)路徑追蹤試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Path tracking experiments results for farmland leveler
農(nóng)田平地機(jī)3次試驗(yàn)的路徑追蹤效果如圖5所示,為了符合農(nóng)田平整時(shí)的作業(yè)條件,農(nóng)田平地機(jī)的追蹤起始點(diǎn)距離設(shè)定路線大于1 m,拖拉機(jī)的行駛速度控制為1.05 m/s。分析圖6a的路徑追蹤偏差變化,可知拖拉機(jī)與平地鏟的路徑追蹤時(shí)間隨著起始距離的變大而增加。當(dāng)追蹤路線由直線至曲線或曲線至直線過渡時(shí),拖拉機(jī)實(shí)時(shí)地調(diào)整自身位置,牽引平地鏟向規(guī)劃路徑行駛。使平地鏟路徑過渡時(shí)的偏差峰值小于拖拉機(jī)的峰值,平地鏟的路徑追蹤誤差快速下降。
圖6 平地機(jī)路徑追蹤偏差與參數(shù)變化Fig.6 Changes of path tracking deviation and gain parameters for farmland leveler
農(nóng)田路徑追蹤偏差結(jié)果如表1所示,可知試驗(yàn)3在不考慮側(cè)滑角和參數(shù)自適應(yīng)控制的情況下,拖拉機(jī)最大偏差達(dá)1.976 8 m,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.448 2 m,平地鏟標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.326 4 m。這是由于拖拉機(jī)在追蹤路線變換時(shí)發(fā)生側(cè)滑,為牽引平地鏟駛向規(guī)劃路線不斷調(diào)整自身航向,導(dǎo)致追蹤偏差變大。試驗(yàn)1使用了本文設(shè)計(jì)的側(cè)滑估計(jì)器,農(nóng)田平地機(jī)在對(duì)第2條曲線至第3條直線路徑進(jìn)行追蹤時(shí),側(cè)滑現(xiàn)象的影響減弱。拖拉機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小至0.358 1 m,
表1 農(nóng)田路徑追蹤偏差結(jié)果Tab.1 Deviation results of farmland path tracking m
平地鏟路徑追蹤的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小至0.293 0 m。試驗(yàn)2的路徑追蹤效果最為顯著,拖拉機(jī)和平地鏟路徑追蹤的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為0.343 1 m和0.225 4 m,相比于試驗(yàn)3,試驗(yàn)2中平地鏟路徑追蹤的平均絕對(duì)偏差減小了6.78 cm,標(biāo)準(zhǔn)偏差減小了10.1 cm。試驗(yàn)2中增益參數(shù)KP、KI、KD的變化如圖6b所示,表明本文提出的非線性自適應(yīng)控制方法可以實(shí)時(shí)地根據(jù)輸入轉(zhuǎn)角誤差,調(diào)整PID的3個(gè)增益數(shù)值。
路徑追蹤時(shí)的角度變化如圖7所示,結(jié)合圖7a,在試驗(yàn)2的路徑追蹤過程中,導(dǎo)航控制器控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)。使前輪轉(zhuǎn)角快速地追蹤至轉(zhuǎn)角控制器計(jì)算的理論轉(zhuǎn)角,表明本文所使用的非線性自適應(yīng)控制方法可以很好地調(diào)整增益系數(shù),增強(qiáng)了PID控制器對(duì)農(nóng)田平地機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。同時(shí)從圖7b可以看出,側(cè)滑角峰值變化的時(shí)間區(qū)間與路徑追蹤誤差峰值變化的時(shí)間基本一致。說明農(nóng)田平地機(jī)在路徑追蹤的過程中,當(dāng)追蹤路徑由直線向曲線路徑變化時(shí),平地機(jī)整體的航向角出現(xiàn)較大變化,此時(shí)側(cè)滑的影響最為嚴(yán)重,證明本文提出的側(cè)滑估計(jì)方法可以合理有效地預(yù)測平地機(jī)在田間路徑追蹤時(shí)的側(cè)滑角。
圖7 試驗(yàn)2路徑追蹤時(shí)的角度變化曲線Fig.7 Angles changes during path tracking in experiment 2
(1)建立了牽引式農(nóng)田平地機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,以橫向偏差、航向偏差、車輛機(jī)具之間的夾角為輸入量,提出了一種側(cè)滑估計(jì)器,實(shí)時(shí)計(jì)算農(nóng)田平地機(jī)進(jìn)行路徑追蹤時(shí)產(chǎn)生的側(cè)滑角,提高了導(dǎo)航控制率的計(jì)算精度。
(2)采用改進(jìn)的非線性參數(shù)整定自適應(yīng)PID控制方法,根據(jù)轉(zhuǎn)角輸入誤差在線調(diào)整PID控制器的增益參數(shù),使導(dǎo)航控制系統(tǒng)的適應(yīng)能力得到提高。
(3)田間導(dǎo)航試驗(yàn)表明,相比于無側(cè)滑估計(jì)與參數(shù)自適應(yīng)的導(dǎo)航控制,帶側(cè)滑估計(jì)的自適應(yīng)控制方法可以削弱側(cè)滑對(duì)農(nóng)田平地機(jī)路徑跟蹤的影響,增強(qiáng)了導(dǎo)航控制器對(duì)農(nóng)田平地機(jī)系統(tǒng)的適應(yīng)性和魯棒性。當(dāng)行駛速度為1.05 m/s時(shí),平地鏟路徑追蹤的平均絕對(duì)偏差減小了6.78 cm,標(biāo)準(zhǔn)偏差減小了10.1 cm。該方法有效解決了農(nóng)田平地機(jī)路徑追蹤時(shí)平地鏟對(duì)規(guī)劃路徑的準(zhǔn)確跟蹤問題,適用于無人駕駛的農(nóng)田平整作業(yè)。