遙操作拖拉機路感模擬系統(tǒng)設計與實驗

薛金林 曹梓建 李雨晴

(南京農(nóng)業(yè)大學工學院， 南京 210031)

0 引言

農(nóng)業(yè)拖拉機在田間工作時，其工作環(huán)境較為惡劣并且復雜多變，駕駛員長期駕駛拖拉機不僅容易疲勞而且會導致作業(yè)質量下降，甚至有可能發(fā)生意外事故，遙操作系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程操控，很好地解決了這個問題[1-4]。但由于遙操作駕駛員遠離拖拉機，因此對于路面信息的了解較少，不利于駕駛員對路面的判斷。因此需要對遙操作拖拉機進行路感模擬設計。

目前對于路感的設計方法主要有3種，即傳感器測量法[5]、動力學計算法[6]以及參數(shù)擬合法[7]。BAHAI[8]在轉向電機上安裝電流傳感器，并且通過算法估計出方向盤的阻力矩，通過路感電機反饋給駕駛員。從光好[9]建立方向盤力矩模型，選取路感有關的變量，擬合出方向盤力矩。謝有浩等[10]將線控轉向系統(tǒng)轉向電機的轉向阻力矩等效為所克服轉向負載的方法，設計方向盤操縱轉向阻力矩，使之更接近傳統(tǒng)車輛的路感。劉彥琳等[11]建立汽車線控轉向動力學模型進行仿真分析，仿真結果表明所提出路感反饋策略能為駕駛員提供合適的路感。趙含雪等[12]通過線控轉向系統(tǒng)轉向電機驅動電流對反饋主力矩進行設計，結合參數(shù)擬合法和動力學計算法，清晰地還原了路感。楊學平等[13]從路感的影響因素出發(fā)，提出路感模擬的經(jīng)驗公式，并采用模糊控制的方法來研究經(jīng)驗公式中各函數(shù)和路感的關系，結果表明模擬出的路感提高了駕駛員的舒適性。解后循等[14]對農(nóng)用車輛電動液壓助力轉向系統(tǒng)方向盤反饋力矩數(shù)學模型進行了分析，結果表明該方法能有效提高方向盤動態(tài)反饋力矩的精度。魏波等[15]通過控制力矩電機電流的大小和正負來分別控制輸出力矩的大小和方向，結果表明系統(tǒng)有效可靠。

以上均是對具備線控轉向系統(tǒng)的傳統(tǒng)車輛進行路感的設計，而對于遙操作車輛的路感研究較少。本文借鑒線控轉向系統(tǒng)中路感的研究思路，結合傳感器測量法和參數(shù)擬合法，以遙操作拖拉機為平臺對其路感進行測試和模擬，首先提出系統(tǒng)的設計要求以及總體設計方案，再對拖拉機的路感產(chǎn)生機理進行分析，通過對現(xiàn)有拖拉機的轉向系統(tǒng)進行改造以及路感測試系統(tǒng)的軟硬件設計，完成遙操作拖拉機在不同路面的路感采集反饋實驗，最后通過羅技轉向操縱裝置對不同路面的路感進行模擬，以實現(xiàn)路感再現(xiàn)。

1 總體設計方案

所設計的遙操作拖拉機路感模擬系統(tǒng)應滿足以下設計要求：①駕駛員可以通過發(fā)送指令遠程實時控制拖拉機。②遙操作駕駛員可以通過攝像頭觀察到路面類型以便于路感模擬模式的切換。③駕駛員可以通過方向盤式操縱裝置實現(xiàn)轉向并獲得路感。

遙操作拖拉機路感模擬系統(tǒng)由遙操作控制端和拖拉機端組合而成，如圖1所示，兩者通過無線網(wǎng)絡進行信息傳輸。遙操作駕駛員通過上位機下達加速、剎車及熄火等指令，轉向指令的發(fā)送和路感模擬則是采用Logitech G29方向盤式轉向操縱裝置來完成，行駛時通過攝像頭反饋的路面信息確定路面類型，然后通過按鍵切換來完成不同路面路感模擬。拖拉機端的視覺系統(tǒng)由前置攝像機和頂置攝像機組成，分別用來獲取道路前方以及拖拉機周邊的環(huán)境信息和路面種類，而路感的測試則是由安裝在方向盤上的轉矩傳感器來完成。遙操作拖拉機路感模擬系統(tǒng)設計思路如下：首先通過加裝在方向盤上的轉矩傳感器測得拖拉機在草地、水泥路等幾種典型路面不同方向盤角度對應的轉向阻力矩，擬合出遙操作拖拉機在不同路面上方向盤角度和轉向阻力矩的關系。然后將前一步中得到的關系即幾種路面力反饋情況定義在Logitech G29轉向操縱裝置的按鍵上，最后行駛時通過攝像頭的視覺反饋確定路況，然后通過按鍵切換，由此完成路感模擬的模式化設計。

圖1 遙操作路感模擬系統(tǒng)框圖Fig.1 Road feel simulation system for teleoperation

2 拖拉機路感產(chǎn)生機理分析

路感就是車輛在直線行駛或轉向的過程中，駕駛員通過方向盤感受到的路面?zhèn)鬟f給方向盤的力矩信息。一般分為3類[16]：直線行駛中的路感、回正過程中的路感和轉向過程中的路感。本文在利用Logitech G29轉向操縱裝置對路感進行模擬時不希望操縱裝置震動較大，同時轉向操縱裝置具備良好的回正性能，因此本文僅對轉向過程中的路感進行研究。

方向盤的轉向阻力矩Td主要由理想反饋力矩Tfb、摩擦力矩Tfr、限位控制力矩Tlim、阻尼控制力矩Tdamp組成[16-17]，即

Td=Tfb+Tfr+Tlim+Tdamp

(1)

理想反饋力矩即車輛在行駛時反饋給駕駛員的力矩，它反映了車輛的行駛狀態(tài)、路面的附著情況以及回正力矩的變化等。該力矩是方向盤轉向阻力矩的重要組成部分，很多路感的設計都是圍繞該力矩展開。

摩擦力矩主要是由轉向系統(tǒng)中各個機械部件之間的相互摩擦造成的，該力矩并不能反映出車輛和路面的相關信息，不屬于有效的路感信息，可以說是有效路感的“噪聲”，但在對路感模擬要求較高的系統(tǒng)中不可忽視。

車輛在高速行駛的過程中，方向盤較小的轉角變化可能就會使車輛失去穩(wěn)定性，為了避免這一現(xiàn)象的發(fā)生，在路感力矩中加入了阻尼控制力矩，對高速行駛中車輛的轉向起阻礙作用。該力矩和方向盤的角速度和車速呈正比例關系，有

Tdamp=Cdamp(v)ω

(2)

其中

(3)

式中Cdamp(v)——與車速v有關的函數(shù)

ω——方向盤角速度v1——臨界車速

kdamp——與車速相關的系數(shù)，用于調節(jié)阻尼

限位控制指的是轉動方向盤可以達到的最大角度，在傳統(tǒng)的轉向系統(tǒng)中，駕駛員和方向盤直接接觸，因此可以感受到方向盤的左右極限位置，而在遙操作系統(tǒng)中，限位控制需要重新設計，通過軟件設計實現(xiàn)駕駛員對轉動左右極限位置的感知。當方向盤轉動到左右極限位置時引入?yún)?shù)Tlim，即

(4)

式中θ1——方向盤轉動角

θlim——方向盤左右極限位置對應轉動角

klim——限位控制力矩系數(shù)

由于拖拉機行駛速度較低，可以不考慮阻尼控制力矩。而對于限位控制力矩，可以在Logitech G29方向盤中通過相關函數(shù)設置其左右極限從而使遙操作駕駛員感受到拖拉機方向盤的極限位置。因此，本文重點考慮理想反饋力矩和摩擦力矩，它們最終折算到方向盤上形成方向盤轉向阻力矩，在第4節(jié)對方向盤轉向阻力矩進行實測。

3 遙操作拖拉機路感測試與模擬系統(tǒng)設計

為了測試拖拉機在不同路面的路感為路感模擬提供數(shù)據(jù)支持，首先對現(xiàn)有拖拉機的轉向系統(tǒng)進行改造，其中包括傳感器與轉向執(zhí)行機構的安裝等，同時設計了路感測試系統(tǒng)的軟硬件，最后對Logitech G29方向盤進行二次開發(fā)來實現(xiàn)路感的模擬。

3.1 拖拉機轉向執(zhí)行機構改造

原有轉向系統(tǒng)采用電機作為執(zhí)行機構，并和齒輪系相結合來帶動方向盤實現(xiàn)轉向的方式，由于需要測試方向盤的轉向阻力矩，因此在方向盤和轉向電機之間安裝扭矩傳感器，如圖2所示，傳感器的下端軸通過齒輪和電機的齒輪嚙合，上端軸的齒輪作為主動輪和方向盤上的從動輪嚙合，從而實現(xiàn)轉向以及方向盤力矩的測量。

圖2 改造后的轉向系統(tǒng)結構圖Fig.2 Structure diagram of modified steering system

該系統(tǒng)測量方向盤扭矩的原理為：給系統(tǒng)上電后，當轉向電機帶動傳感器的軸轉動時，傳感器軸上端的主動輪帶動方向盤的從動輪轉動，由于方向盤轉動過程中受到地面的阻力作用，因此傳感器的軸會發(fā)生扭變，該傳感器采用應變片電測技術，當傳感器的軸發(fā)生扭變時應變片會產(chǎn)生電信號，將測得的電信號經(jīng)過傳感器內(nèi)部電路放大等一系列處理后使之成為便于系統(tǒng)采集的電壓信號。

原有轉向電機小齒輪齒數(shù)為17，模數(shù)為3.5 mm，方向盤大齒輪齒數(shù)為73，模數(shù)為3.5 mm。選取最佳安裝位置后，經(jīng)過測量，傳感器上端軸與方向盤轉向軸的中心距為165 mm，電機轉軸與傳感器下端軸的中心距為65 mm，根據(jù)

d=mz

(5)

(6)

式中m——齒輪模數(shù)z——齒輪齒數(shù)

z1——齒輪1齒數(shù)z2——齒輪2齒數(shù)

d——分度圓直徑a——中心距

計算可得傳感器上下軸齒輪齒數(shù)分別為21和20。

為了能夠精確地測量方向盤的轉向阻力矩，傳感器采用JN-DN型旋轉(動態(tài))扭矩傳感器，該傳感器多用于電動機、發(fā)動機、內(nèi)燃機等旋轉動力設備輸出扭矩及功率的檢測，具有檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強等優(yōu)點。傳感器量程為-5～5 N·m，經(jīng)過計算量程滿足測量要求，為了便于采集，選用的微型JN-DN型傳感器輸出信號為1～5 V的模擬電壓，且輸出電壓和力矩線性相關。

3.2 遙操作拖拉機路感測試系統(tǒng)設計

3.2.1路感測試系統(tǒng)硬件優(yōu)化設計

原有的車載控制ECU采用的是基于ATMEGA8處理器的DM368控制板，在發(fā)送指令時極易出現(xiàn)數(shù)據(jù)擁堵的情況，因此對其進行了更換。替代主板需要滿足的條件：①硬件接口具有至少5路模擬量輸入接口，8路開關量輸出接口，具備RS485通信功能。②軟件運行環(huán)境要求可以運行Linux操作系統(tǒng)，具備RS485、開關量、模擬量、相應的底層API接口、支持多線程程序。為了滿足上述要求，選取樹莓派4B作為系統(tǒng)的主控制器，相比于之前的處理器，樹莓派4B的性價比較高，同時具有體積較小、穩(wěn)定高效等優(yōu)點，多用于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等產(chǎn)品開發(fā)，應用領域較為廣泛[18-19]，同時選取AI擴展板、DO擴展板以及RS485通信板，可以滿足8路AD采集和開關量控制。車載控制系統(tǒng)結構如圖3所示。遙操作駕駛員通過NVR(網(wǎng)絡硬盤錄像機)回傳的前置攝像機以及頂置攝像機的視頻流來獲取拖拉機周圍的環(huán)境以及路面的種類，同時通過遙操作控制臺發(fā)送指令實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構的控制。樹莓派控制模塊主要包括樹莓派主控板、AD采集板以及繼電器開關控制板，實現(xiàn)對車輪轉角、踏板位移以及方向盤轉向矩信息的采集，并由NVR通過無線網(wǎng)絡傳輸給遙操作端，其中對于方向盤轉向阻力矩的采集僅在調試時采用樹莓派，而在實測時采用基于LabVIEW設計的傳感器數(shù)據(jù)實時讀取平臺。

圖3 車載控制系統(tǒng)結構框圖Fig.3 Structure diagram of on-board control system

3.2.2路感測試系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的主程序采用C語言編寫，主程序流程如圖4所示，程序開始時首先進行初始化，然后打開串口對串口的參數(shù)進行設置，包括端口號、波特率、數(shù)據(jù)位等設置，接著判斷是否關閉串口，如果是，則關閉串口，運行結束；如果否，則給樹莓派上電后，運行程序tractor_ctl，與樹莓派進行通信，如果通信成功，則串口調試助手上顯示“UART OK!”，此時可以通過串口發(fā)送相關操作指令，指令執(zhí)行完成后會把相關數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓派顯示器的Linux終端上。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

本文的路感實時數(shù)據(jù)采集軟件基于LabVIEW開發(fā)，測試頁面如圖5所示。

圖5 路感數(shù)據(jù)讀取界面Fig.5 Interface of reading road feeling data

3.3 遙操作拖拉機路感模擬系統(tǒng)設計

文獻[20-23]表明路感力矩與車速以及方向盤的轉向角相關，車速對于路感力矩的影響相對于轉角較小，由于拖拉機是中低速行駛的車輛，因此車速對于轉向路感的影響更是微乎其微，本文將在第4節(jié)對遙操作拖拉機不同車速下的轉向阻力矩進行實測來驗證這一結論。以草地路感模擬為例，路感模擬的過程如圖6所示，首先進行程序初始化。然后檢測草地路感模擬按鈕是否被按下，如果是則調整路感為草地模式，同時讀取Logitech G29轉向操縱裝置的轉向角來實現(xiàn)模擬力矩的改變，直到檢測到草地模擬按鈕被釋放，則結束該模式下的路感模擬。其他路面路感模擬類似。

圖6 草地路感模擬流程圖Fig.6 Simulation flow chart of road sense for grass

Logitech G29轉向操縱裝置具備力反饋且反饋力大小可調的功能，將不同類型路面的模擬函數(shù)定義在Logitech G29轉向操縱裝置的按鍵上，如圖7所示，行駛時通過攝像頭的視覺反饋確定路面類型，然后通過按鍵切換，實現(xiàn)路感的“再現(xiàn)”。

圖7 方向盤按鍵功能制定Fig.7 Steering wheel key function formulation

4 遙操作拖拉機路感實測與路感模擬評價

選擇轉角作為路感力矩的影響因素，對拖拉機不同路面不同轉角下的路感力矩進行實測，并將實測的轉向阻力矩數(shù)據(jù)和轉角的關系進行擬合，作為路感模擬的參考依據(jù)以便于Logitech G29方向盤進行路感的模式化設計。

4.1 遙操作拖拉機路感測試

4.1.1實驗方法

當拖拉機前輪與后輪平行時，此時方向盤轉角為0°，右轉方向盤時所測轉向阻力矩為正，左轉方向盤所測力矩為負，發(fā)送轉向指令使方向盤轉動一周，便可以得到轉向阻力矩隨時間的變化關系，轉向電機帶動方向盤的轉動為勻速圓周運動，方向盤轉動一周為360°，因此可以將轉向阻力矩隨時間的變化關系看作是轉向阻力矩隨角度的變化關系，通過LabVIEW將實驗數(shù)據(jù)導出，并通過Matlab擬合出方向盤轉角-轉向阻力矩的關系曲線作為路感模擬的參考。

由于傳感器和方向盤之間采用齒輪傳動，因此傳感器測量的轉矩并非方向盤的轉向阻力矩，方向盤轉向阻力矩計算示意圖如圖8所示，其中1、2為傳感器齒輪，齒數(shù)分別為20和21，3、4分別為轉向電機齒輪和方向盤齒輪，齒數(shù)為17和73，方向盤轉向阻力矩和傳感器所測轉矩的關系為

圖8 方向盤轉向阻力矩計算示意圖Fig.8 Diagram of steering wheel torque calculation diagram

(7)

式中Td——方向盤轉向阻力矩

Tse——傳感器所測力矩

zst——方向盤齒輪齒數(shù)

zse——傳感器齒輪齒數(shù)

η——齒輪傳動效率，通常取0.98

為了測試系統(tǒng)的性能，進行實車測試之前在南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)機實驗室內(nèi)對拖拉機原地轉向的力矩進行了實測，結果如圖9所示。由圖9可知，轉角和轉向阻力矩的關系較為復雜，且曲線波動較大，因此在實車實驗時為了觀察轉向阻力矩的變化趨勢需對力矩曲線進行平滑處理。

圖9 室內(nèi)原地轉向阻力矩曲線Fig.9 Curve of in-situ steering torque in laboratory

由文獻[24]可知，拖拉機在作業(yè)環(huán)境下速度通常為2～10 km/h，而在非作業(yè)環(huán)境下速度為10～25 km/h。本文將水泥和石子路面作為遙操作拖拉機在非作業(yè)模式下路感模擬的參照，將草地和土路面作為遙操作拖拉機在作業(yè)模式下路感模擬的參照。

4.1.2草地路感實測

拖拉機在作業(yè)環(huán)境下通常處于直線行駛狀態(tài)并且車速較低，而轉向一般發(fā)生在地頭，可以看作是原地轉向。本文對拖拉機在草地上原地轉向和行駛過程中的轉向路感進行了實測，其中在對行駛中的拖拉機進行路感實測時，車速取為5、8、10 km/h，實驗場景如圖10所示，選取長度約為100 m的草坪作為實驗場地來完成測試。

圖10 草地路感實測場地Fig.10 Site of measuring grassland road feeling

實驗結束后利用Matlab對實驗數(shù)據(jù)進行處理，并采用Curve Fitting工具對關系曲線進行擬合，結果如圖11所示。由圖11可知，拖拉機在草地上原地轉向和行駛轉向時最大轉向阻力矩分別為1.95 N·m和1.67 N·m，無論是左轉或者是右轉，轉向阻力矩都隨著轉角的增大而增大，但是都在方向盤處于100°～120°時開始回落且在200°時有小幅度的上升，同時不同車速下轉向阻力矩相差不大，拖拉機行駛轉向時的轉向阻力矩比原地轉向時略小。

圖11 草地原地及行駛轉向阻力矩曲線Fig.11 Curves of in-situ and running steering torque on grass

4.1.3水泥路面路感實測

拖拉機在非作業(yè)環(huán)境下行駛時車速一般較高，因此在進行拖拉機行駛轉向路感測量時拖拉機的行駛速度分別選取10、15、20、25 km/h，用石灰粉標記轉向的地方，如圖12所示，當拖拉機到達參考線時完成轉向操作。

圖12 水泥路面路感實測場地Fig.12 Site of measuring cement road feeling

實驗結果如圖13所示。由圖13可得，拖拉機在水泥路面原地轉向和行駛轉向最大轉向阻力矩分別為3.97 N·m和2.71 N·m，與草地上轉向阻力矩的變化趨勢相同，轉向阻力矩都隨著轉角的增大而增大，并在方向盤轉角處于100°～120°時開始有所回落且在200°時有小幅度的上升，而行駛狀態(tài)下的轉向阻力矩明顯小于原地轉向。由圖13b可得，車速對轉向阻力矩的影響較小，最大相差0.5 N·m。通過比較水泥路面和草地的實測數(shù)據(jù)可知，水泥路面所測得的轉向阻力矩明顯大于草地。

圖13 水泥路面原地及行駛轉向阻力矩曲線Fig.13 Curves of in-situ and running steering torque on cement road

4.2 遙操作拖拉機路感模擬與評價

參考不同路面的力矩曲線，將不同路面轉角-轉向阻力矩變化關系寫入轉向操縱裝置后，定義各個路面的模式切換按鈕，對草地和水泥路面的路感模擬展開評價，實驗場景如圖14所示。

圖14 路感模擬實驗場景Fig.14 Scene of road feel simulation test

分別在草地和水泥路面進行地頭轉向實驗和直角轉彎實驗，拖拉機行駛軌跡如圖15所示。

圖15 拖拉機行駛軌跡Fig.15 Movement track of tractor

路感的評價方法包括客觀評價和主觀評價兩種常見的評價方法。客觀評價是將一些參數(shù)作為路感評價的參考指標，為路感評價提供數(shù)據(jù)支持。一般將中心操縱、反饋力矩水平和梯度、力反饋表現(xiàn)等參數(shù)作為評價路感的指標[25]，只需將各個參數(shù)控制在一定的范圍內(nèi)，駕駛員就可以獲得理想的路感。由于客觀評價中部分參數(shù)的測量有一定困難，因此本文采取主觀評價的方法對基于Logitech G29方向盤模擬的路感展開評價，評價指標如表1所示。

表1 主觀評價指標Tab.1 Subjective evaluation indexes

具體評價方法如下：選取從未接觸過遙操作系統(tǒng)的駕駛員6名，年齡20～30歲之間，其中女性1名，每個人都通過Logitech G29轉向操縱裝置遠程操控完成左右轉彎3次，針對路感模擬的輕重、轉矩剛度以及平穩(wěn)性展開評價，滿分10分，取每個人3次評價得分的平均值作為此駕駛員的評分，再求6個人每一項的評分均值作為該項評價指標的得分。由于Logitech G29轉向操縱裝置本身具備良好的回正性能，因此對于轉向的回正性無需評價。輕便性、轉矩剛度、平穩(wěn)性、真實度得分分別為8.5、7.1、6.3、6.7。通過Logitech G29轉向操縱裝置模擬出的路感評分均在6.3～8.5分之間，驗證了該方法模擬路感的可行性。

5 結論

(1)基于一臺已經(jīng)搭建完成的遙操作拖拉機進行了轉向系統(tǒng)改造，實現(xiàn)了轉向路感的測試，并采用Logitech G29方向盤式轉向操縱裝置對路感進行設計，完成了路感的模擬。

(2)對拖拉機在不同路面的路感進行實測，實驗結果表明，轉向阻力矩隨著轉角的增大而增大，并在方向盤轉角處于100°～120°時開始回落且在轉角在200°左右有小幅度的上升。通過Logitech G29轉向操縱裝置對遙操作拖拉機路感展開模擬，各項評價指標得分均在6.3～8.5分之間，表明了該方法模擬路感的可行性。