基于北斗的圓平噴灌機行走模型與試驗

張桐林，高江永，侯永勝，史海玲，翟學迪

(中國農業(yè)機械化科學研究院，北京100083)

0 引言

我國人均可耕地總量低，且耕地地塊形狀多樣，傳統(tǒng)圓形噴灌機工作區(qū)域為圓形，平移噴灌機工作區(qū)域為矩形，兩種機型對地塊的適應性均較差。為了提高有效灌溉面積和降低農民對機器成本投入，開發(fā)了一種具有完全自主知識產權的圓形與平移功能一體化噴灌機(以下簡稱圓平噴灌機)。圓平噴灌機對地塊形狀具有良好的適應性，可以完成圓形、矩形、跑馬場形、T形和L形等多種形狀地塊的作業(yè)。由于適用地形復雜，圓平噴灌機行走必須要配備導航系統(tǒng)或裝置。傳統(tǒng)圓形噴灌機不需要導航系統(tǒng)，平移噴灌機需要行走方向控制系統(tǒng)，常用的機械裝置或系統(tǒng)有溝槽、鋼索和地埋電磁線等[1]。此外，也有國外某些噴灌機供貨商采用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行導航的報道[2-3]。由于行走軌跡航向并不是單一直線，所以圓平噴灌機不適用傳統(tǒng)的溝槽和鋼索等導航方式，采用衛(wèi)星導航系統(tǒng)成為圓平噴灌機導航的首選措施。在國內研究與應用方面，將衛(wèi)星定位系統(tǒng)應用于噴灌機，常見用途為位置定位與反饋，應用于導航方面的相關研究較少[4-6]。

目前，衛(wèi)星導航系統(tǒng)在農業(yè)機械作業(yè)與導航中應用廣泛。隨著精準農業(yè)和農機智能化日益受到關注，采用衛(wèi)星導航系統(tǒng)完成農機定位、行走導航和作業(yè)監(jiān)控成為農業(yè)機械化與智能化的首要選擇。我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(DBS)提供的定位、導航等服務功能均等同于GPS系統(tǒng)，從現(xiàn)有農機等領域的應用研究成果看，北斗系統(tǒng)應用于圓平噴灌機導航符合精度等方面的要求[7-13]。

鑒于上述原因，首先介紹了基于北斗的圓平噴灌機的整機結構和工作原理，建立了行走數(shù)學模型，并分析了對機組調控中的關鍵問題?；诒倍稲TK系統(tǒng)，構建了用于圓平噴灌機定位、圓形平移功能轉換、行走導航和姿態(tài)調控的行走調控模型。通過樣機試制與現(xiàn)場試驗，驗證了模型的正確性。該噴灌機的研究和應用對提高農牧用地的可灌溉面積和推動農機智能化具有重要意義。

1 整機結構

基于北斗的圓平噴灌機主要包括中心車、桁架、北斗定位系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和噴灑系統(tǒng)5個典型部分，如圖1所示。

1.1中心車

中心車結構如圖2所示，包括輸水管、支架、電控箱、電機與減速器、傳動軸、車輪減速器和車輪7部分。中心車包含4個輪胎和2組驅動電機，每臺驅動電機驅動同側2個輪胎行走。中心車與桁架連接部 分沿用圓形噴灌機結構，使桁架可以圍繞中心車旋

轉。當機組以圓形模式運行時，中心車兩個驅動電機停止工作，桁架完成圓形行走軌跡。當機組以平移模式運行時，中心車兩個驅動電機和末跨驅動電機同時工作，相互協(xié)作完成機器的整體平移行走。

1.2桁架結構

桁架結構是圓形或平移噴灌機常用的結構，與其他噴灌機相同。桁架之間采用傳統(tǒng)塔架車支撐與驅動。傳統(tǒng)塔架車由支架、1組電機減速器和2個輪胎組成。桁架部分如圖1所示。

1.3噴灑系統(tǒng)

噴灑系統(tǒng)主要由不同噴頭組合構成。由于圓形工作模式和平移工作模式不同，為了達到良好的噴灑均勻性，兩種噴灑模式下的噴頭組合也不相同。為了實現(xiàn)圓形和平移功能一體化，采用兩套噴灑系統(tǒng)，分別由兩組電磁閥控制完成噴灑系統(tǒng)的功能轉換。

1.4北斗定位系統(tǒng)

為了滿足機組位置和姿態(tài)調控精度要求，采用北斗RTK差分系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用數(shù)傳電臺作為通信鏈路，此傳輸方式適合于地對空、空對空等通視環(huán)境，能滿足噴灌機野外工作環(huán)境需求。

圓平噴灌機采用的北斗RTK差分系統(tǒng)主要采用1套基準站和2套移動站的工作方式，其中基準站安裝在地面控制中心，2套移動站分別安裝在中心車和桁架上，以實現(xiàn)高精度的定位和導航?；鶞收竞鸵苿诱揪捎肗ovAtel Flex6接收機，內部封裝有NovAtel OEM6 GNSS板卡，將其安裝在地面控制中心，配合NovAtel公司的GPS-702-GG天線和無線電臺給機載移動站接收機傳送和接受差分改正數(shù)據。移動站部分主要由載波相位差分移動站接收機、航空型天線、無線接收電臺和天線電纜等組成。

1.5電控系統(tǒng)

依據機組結構與功能特點，電控系統(tǒng)分為3部分。一是桁架行走傳統(tǒng)電控系統(tǒng)，主要完成塔架車電機控制，跨與跨之間行走調控(傳統(tǒng)塔盒)等工作。二是基于北斗定位系統(tǒng)的行走與導航電控系統(tǒng)，用以實現(xiàn)機組中心車和桁架定位、機組導航與姿態(tài)調控等功能。三是噴灑系統(tǒng)啟停和切換的電控系統(tǒng)。這3部分電控系統(tǒng)不獨立，是相互結合的整體。

2 機組行走與姿態(tài)調控模型

基于北斗定位系統(tǒng)的機組行走和姿態(tài)調控系統(tǒng)應實現(xiàn)的調控功能至少有3個。一是位置信息監(jiān)控與反饋，基于北斗系統(tǒng)的位置信息，監(jiān)控機組反饋中心車和桁架的位置信息、運行姿態(tài)和航向等情況。二是圓平功能轉換，根據上述功能所提供的位置信息，對比田塊形狀信息與航向等關鍵位置信息，完成機組運行中圓形與平移功能轉換。三是機組行走和姿態(tài)調控，監(jiān)測中心車、末跨位置信息和相對位置關系，實現(xiàn)機組運行和姿態(tài)的監(jiān)測，當行走偏離航向或者機組運行姿態(tài)差時，通過調整末跨和中心車，控制電機的運行，來實現(xiàn)機組行走和姿態(tài)調整。

2.1圓形模式下行走與姿態(tài)調控

圓形模式下，調控任務主要為桁架位置信息監(jiān)控，檢查是否與待作業(yè)農田形狀關鍵節(jié)點相接近，是否開始功能轉換或者停止工作。

2.2平移模式下行走與姿態(tài)調控

平移模式下，調控任務：①中心車與桁架位置信息監(jiān)控；②行走過程中，中心車與桁架控制電機的控制(實際控制百分率計時器)。

通過研究圓平噴灌機整機運行物理模型，可以知道表征機組運行的運動參數(shù)為中心車或末端1組參數(shù)即可，另一端參數(shù)可通過計算獲得。

為了監(jiān)測控制整機行走和姿態(tài)，采用2組北斗移動站，其中1組安置在中心車上，1組安置在桁架結構上，為了方便安裝和檢修，將其放置在靠近中心車首跨上。考慮到需要完成中心車與跨體相對姿態(tài)的監(jiān)測，移動站1表征中心車情況，移動站2表征桁架的整體情況，如圖1所示。

假設機組初始運行前已經采用GPS或北斗進行航向軌跡預設。為了實現(xiàn)機組中心車和桁架結構的監(jiān)測與調控，通過多次試驗，選擇以下3個關鍵量表征機組狀態(tài)，如圖3所示。L1表征中心車位置的移動站1到預設軌跡的距離；L2表征整機運行姿態(tài)的移動站2到預設軌跡的距離；角度α為2個移動站相對位置角，該角度表征中心車和跨體相對位置與姿態(tài)。通過2個移動站坐標值，可以計算角度α。

通過對上述3個行走關鍵量的監(jiān)測，達到對行走狀態(tài)的監(jiān)控，機組行走狀態(tài)與調控判定依據為

|αi-αi-1|=Δα

(1)

|L1i-L1i-1|=ΔL1

(2)

|L2i-L2i-1|=ΔL2

(3)

α=arctan(L3L4)

(4)

式中αi、L1i、L2i——ti時刻下3個關鍵量的值

αi-1、L1i-1、L2i-1——ti-1時刻下3個關鍵量的值

Δα、ΔL1、ΔL2——3個關鍵量的控制精度

2.3行走與姿態(tài)調控流程

第1步，確定待灌溉地塊的位置信息，可采用手持衛(wèi)星定位設備進行位置信息采集，這些信息包括地塊邊緣信息、關鍵位置點信息等，并輸入控制系統(tǒng)保存。第2步，對圓平噴灌機初始位置和狀態(tài)進行調整和設定，進行初始姿態(tài)調整，使圓平噴灌機具備良好的初始姿態(tài)和正確的初始位置，并對所處位置和姿態(tài)進行數(shù)據采集和保存。第3步，設定初始行走參數(shù)、航向信息等，行走參數(shù)則根據所灌溉作物需水量和土壤類型等工程設計結果來設定，從而滿足作物灌溉需要。第4步，啟動機組進行工作。第5步，在行走過程中，時刻監(jiān)控整機誤差、中心車誤差和二者相對姿態(tài)誤差，根據相關狀態(tài)進行機組調整，這些指令通過控制塔駕車上電機來實現(xiàn)機組行走和姿態(tài)調整。行走與姿態(tài)調整控制流程如圖4所示。

3 樣機試驗與結果分析

3.1基本參數(shù)

YP-100型樣機的基本配置及主要技術參數(shù)如下。樣機外形尺寸：長×寬×高=100 m×4.2 m×2 m。桁架：30 m跨長，主輸水管規(guī)格Φ114×3 mm。塔架車：數(shù)量3個，輪距1 952 mm。末端懸臂：10 m，輸水管規(guī)格Φ114×3 mm。直線行走最快速度：25 mms(按k=100%計)；圓形行走1圈最快時間按5.35 h(按k=100%計)。驅動電機：功率0.55 kW，轉速1 440 rmin，數(shù)量5個。電機減速器：DJ-C型齒輪減速器，傳動比40∶1。車輪減速器：蝸輪蝸桿減速器，傳動比52∶1。

3.2行走參數(shù)設定

(1)直線行走精度：整體姿態(tài)誤差±5 cm；中心車誤差±8 cm；中心車與桁架相對角度±0.03°；3組百分率設定50%。

(2)行走模式參數(shù)：直線行走100 m后，轉圓形模式；圓形行走角度180°；圓形模式結束后，仍然以直線模式下的設定數(shù)據指導運行。

3.3田間試驗

試驗地點：中國農業(yè)機械化科學研究院小王莊試驗站(北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn))。

試驗方案：采用手持GPS或者北斗，預先設定機組行走軌跡與方向坐標。啟動系統(tǒng)控制程序。手動 調整機組初始位置與形態(tài)(包括中心車形態(tài)和機組整體形態(tài))，盡量使機組初始位置和形態(tài)達到最佳狀態(tài)。檢查基站和移動站通訊情況，確?；竞鸵苿诱締印⑼ㄓ嵑筒罘帜Ｊ秸?。再次檢查并確認機組供電、通訊等正常情況下，設定機組行走方向、初設位置等信息。啟動機組進入自動行走模式。機組運行中，觀察機組行走軌跡(以輪胎輪轍作為研究對象)變化情況、圓形平移功能轉換是否合理順暢和位置是否正確。觀察行走1個或者多個周期后，分析行走輪轍整體誤差，對基于衛(wèi)星定位的行走導航系統(tǒng)的合理性、適用性、正確性和穩(wěn)定性進行驗證。樣機試驗如圖5所示。

3.4結果分析

3.4.1圓形平移功能切換

通過田間地塊信息，提前通過手持衛(wèi)星定位系統(tǒng)，獲得地塊特征信息和航向信息。試驗方法：自行采集機組啟動位置數(shù)據，平移距離為100 m后開始圓形模型，如圖6所示(0-0為圓形與平移功能轉換界線)。

在實際控制運行中，圖6中機組依據預設航向完成平移動作。運行到0-0界線后，完成作業(yè)動作轉換，開始圓形模式。完成圓形180°行走后，開始反向平移作業(yè)。試驗得出，機組在圓平轉換功能上動作準確無誤，在預設位置實現(xiàn)功能轉換，實現(xiàn)了基于北斗定位的圓形與平移模式相互轉換功能。

3.4.2行走誤差與姿態(tài)調整

現(xiàn)場試驗機組完成行走軌跡：平移距離100 m，圓形180°，形狀為半跑馬場形。圓形模式僅涉及定位監(jiān)測，不涉及運行精度問題，在此僅考察平移過程中的行走誤差。機組中心車輪胎車轍軌跡如圖7a所示，車轍筆直，符合作物種植預留車轍空間。運行過程中，由于預設了中心車和整機的相對位置角度，在機組行走過程中，完成機組姿態(tài)調整，中心車調整姿態(tài)的車轍軌跡如圖7b所示。試驗完成后，對車轍進行測量，以車轍中心線為基準單側最大誤差<15 cm，滿足噴灌機運行精度。

4 結論

(1)提出一種兼具圓形與平移功能的自走式噴灌機，該噴灌機采用北斗進行導航，可以完成圓形、矩形、T型和L型等多種地形的灌溉任務，對于提高灌溉面積、降低農業(yè)生產投資和促進農機智能化等具有重要意義。

(2)結合圓平噴灌機運行特點，分析了圓平噴灌機行走與姿態(tài)控制的關鍵問題，基于北斗定位系統(tǒng)，建立了行走與姿態(tài)調控模型。通過樣機試驗，驗證了所建立調控模型的有效性與合理性。試驗結果表明，基于北斗系統(tǒng)導航精度能滿足圓平噴灌機的行走和實際作業(yè)要求。