開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

偉利國(guó)，胡小安，王麗麗

(1.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

隨著國(guó)家開(kāi)發(fā)利用鹽堿地、提高土地綜合生產(chǎn)能力等相關(guān)舉措的實(shí)施，暗管改堿技術(shù)在我國(guó)北方以及沿海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。暗管改堿技術(shù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容是暗管鋪設(shè)、濾水排堿［1-5］。開(kāi)溝鋪管機(jī)是專用于暗管改堿技術(shù)的大型工程機(jī)械，可將滲管以精確的高程和坡度埋入地下，而滲管鋪設(shè)的直線度，一般采取人為在地頭兩端豎立標(biāo)志桿的方式，指引開(kāi)溝鋪管機(jī)上的駕駛員直線行駛［6］。由于田間作業(yè)風(fēng)沙大，駕駛員的駕駛水平及長(zhǎng)時(shí)間枯燥乏味的跟蹤駕駛，對(duì)開(kāi)溝鋪管作業(yè)的直線度有很大影響。而采取類似攤鋪機(jī)左右鏈輪同速控制方法，保證直線行走，由于田間地面凹凸不平，很難收到理想的效果。筆者通過(guò)對(duì)開(kāi)溝鋪管機(jī)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行電控設(shè)計(jì)改造，結(jié)合GPS技術(shù)與智能控制策略，使開(kāi)溝鋪管機(jī)能跟蹤預(yù)設(shè)直線路徑行走，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝鋪管自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)，可有效地減輕駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力，提高滲管鋪設(shè)直線度精度。

1 電液控制驅(qū)動(dòng)行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開(kāi)溝鋪管機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)，履帶式行走機(jī)構(gòu)，左右履帶各有一套液壓驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥開(kāi)度來(lái)改變驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上的液壓流量，從而控制左右履帶行走速度。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)上安裝有測(cè)速編碼器，通過(guò)采集編碼器數(shù)字脈沖信號(hào)，可推算出左右履帶行走速度。行走機(jī)構(gòu)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 行走機(jī)構(gòu)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)溝鋪管機(jī)行走控制器由微控制器、信號(hào)采集、U/I轉(zhuǎn)換和進(jìn)退換向電路等部分組成。微控制器采用Microchip公司的PIC18F2580。該處理器采用納瓦技術(shù)，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，外圍接口豐富，如 CCP模塊(PWM)、MSSP模塊(SPI，I2C)、EUSART模塊、ECAN模塊、AD模塊等，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求［7］。信號(hào)采集模塊通過(guò)對(duì)測(cè)速編碼器數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行單位時(shí)間計(jì)數(shù)，推算出當(dāng)前車輛左右履帶行進(jìn)速度V，即:

式中:N為單位時(shí)間脈沖數(shù);n1為編碼器轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù);i為驅(qū)動(dòng)馬達(dá)到履帶驅(qū)動(dòng)齒輪的傳動(dòng)比;d為履帶驅(qū)動(dòng)齒輪的分度圓直徑。

U/I轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，電流信號(hào)范圍為20～80 mA，用于驅(qū)動(dòng)電磁閥線圈，調(diào)整電磁閥的開(kāi)度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的目的。通過(guò)數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換器采用TLC5615，與微控制器采用3線串行輸入，10位數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，其參考電壓源3 V由芯片AD780提供，D/A轉(zhuǎn)換分辨率為3 mV/bit，使系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)換輸出精度。進(jìn)退換向電路負(fù)責(zé)改變輸入電磁閥線圈的電流方向，控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)左右履帶行走前進(jìn)或倒退。行走控制器通過(guò)CAN總線與車載計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，布線簡(jiǎn)單，通信可靠性高。整個(gè)系統(tǒng)采用24 V工作電壓，低功耗設(shè)計(jì)，與外部設(shè)備的接口進(jìn)行光電隔離，降低外部干擾，提高系統(tǒng)工作可靠性。

2 自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)包括GPS、車載計(jì)算機(jī)、行走控制器、傳感器及各執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分，系統(tǒng)組成如圖2所示。開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)具備兩方面的功能:一是定位，即精確判斷車輛當(dāng)前相對(duì)于已知參考點(diǎn)的位置以及車輛的姿態(tài);二是控制，即決策和執(zhí)行必要的操縱控制量，使開(kāi)溝鋪管機(jī)可以在預(yù)定的路線上行走［8-12］。

圖2 開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)

車載計(jì)算機(jī)是針對(duì)農(nóng)業(yè)工程智能裝備自主組裝開(kāi)發(fā)的一款多功能PC一體機(jī)，作為系統(tǒng)的人機(jī)交互接口，可進(jìn)行作業(yè)參數(shù)的設(shè)置，顯示農(nóng)業(yè)工程機(jī)械作業(yè)軌跡，通過(guò)處理GPS和左右履帶速度傳感器信息實(shí)現(xiàn)智能行為決策，輸出導(dǎo)航信息指令，并存儲(chǔ)相關(guān)作業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)。車載計(jì)算機(jī)集成了GPS定位模塊和3 G無(wú)線通信模塊，實(shí)現(xiàn)車輛的田間定位和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。集成ECAN通信模塊，RS232/422/485接口，可方便與現(xiàn)場(chǎng)控制檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行組網(wǎng)連接。壓鑄鋁殼體，適應(yīng)于惡劣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。GPS采用RTK定位方式，基準(zhǔn)站為Trimble5700接收機(jī)，移動(dòng)站為AgGPS332農(nóng)業(yè)型GPS接收機(jī)，靜態(tài)定位精度小于2 cm，定位信息輸出頻率設(shè)定為5 Hz。行走控制器根據(jù)車載計(jì)算機(jī)的導(dǎo)航信息指令，調(diào)整輸出信號(hào)的大小，控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而對(duì)左右履帶行走車速進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝鋪管機(jī)航向與前進(jìn)速度的控制。

2.2 導(dǎo)航控制方法

開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制中主要是對(duì)左右履帶行走速度控制，通過(guò)對(duì)左右履帶差速控制，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝鋪管機(jī)航向的調(diào)整。為了模擬人工駕駛，采用模糊控制方法，構(gòu)建開(kāi)溝鋪管機(jī)轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)，其自動(dòng)導(dǎo)航控制框圖如圖3所示。首先車載計(jì)算機(jī)通過(guò)安裝在車輛上的傳感器組，獲取車輛位置姿態(tài)信息以及左右履帶行走速度，解算出車輛當(dāng)前位置相對(duì)于預(yù)定路徑的偏航距離Ed、航向偏差Ea，作為二維模糊控制器的輸入變量。模糊控制器將偏差信息進(jìn)行模糊量化處理，Ed和Ea的模糊集均為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，論域均為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。根據(jù)事先建立的模糊控制規(guī)則，采用Mamdani推理法進(jìn)行模糊推理及非模糊化處理，給出左右履帶行走控制量u。車載計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN總線將控制量u發(fā)送給行走控制器，然后由行走控制器輸出控制信號(hào)，調(diào)整左右驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而控制車輛前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)向，達(dá)到直線行走的目的。

圖3 自動(dòng)導(dǎo)航控制框圖

2.3 系統(tǒng)軟件

開(kāi)溝鋪管機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)軟件包括導(dǎo)航路徑規(guī)劃、車輛位置信息解算、控制決策、傳感器數(shù)據(jù)采集顯示、數(shù)據(jù)保存與回放等功能模塊。導(dǎo)航路徑規(guī)劃模塊根據(jù)設(shè)定的路徑參數(shù)，自動(dòng)生成預(yù)定作業(yè)路徑和路徑信息文件。車輛位置信息解算是通過(guò)GPS接收機(jī)提供的NEMA信息，解算出車輛當(dāng)前的坐標(biāo)位置。數(shù)據(jù)采集模塊完成車速、車輛姿態(tài)等傳感器信息的采集。控制決策系統(tǒng)根據(jù)車輛當(dāng)前位置信息，解算出與預(yù)定路徑的偏差，生成控制策略，實(shí)時(shí)將當(dāng)前的控制信息發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)控制器，達(dá)到控制開(kāi)溝鋪管機(jī)行走系統(tǒng)直線作業(yè)的目的。軟件操作界面流程如圖4所示。

圖4 軟件操作界面圖

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

為了檢測(cè)開(kāi)溝鋪管機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，在山東省東營(yíng)市廣饒縣丁莊鎮(zhèn)鹽堿地改造田塊，進(jìn)行了開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)步驟

首先在試驗(yàn)田地兩端確定兩個(gè)點(diǎn)A、B，從而確定一條直線AB，即導(dǎo)航基準(zhǔn)線。利用GPS接收機(jī)測(cè)定A、B點(diǎn)經(jīng)緯度信息，車載計(jì)算機(jī)內(nèi)路徑規(guī)劃軟件根據(jù)A、B點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，自動(dòng)生成預(yù)定行走的AB直線路徑。GPS導(dǎo)航天線安裝在開(kāi)溝鋪管機(jī)中心軸線上，即開(kāi)溝鋪管機(jī)正常作業(yè)開(kāi)出的鋪管溝的中心線。然后發(fā)動(dòng)開(kāi)溝鋪管機(jī)，啟動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)開(kāi)溝鋪管機(jī)構(gòu)，開(kāi)溝鋪管機(jī)以正常的作業(yè)速度自動(dòng)導(dǎo)航，同時(shí)開(kāi)溝機(jī)構(gòu)在田地里開(kāi)出一條400 mm寬的鋪管溝。開(kāi)溝鋪管機(jī)整個(gè)行進(jìn)過(guò)程分為上線和對(duì)行導(dǎo)航兩個(gè)階段。開(kāi)始為上線過(guò)程，即行走路徑與預(yù)定路徑垂直誤差小于20 cm，持續(xù)時(shí)間大于3 s以上，開(kāi)溝鋪管機(jī)即完成上線過(guò)程。接下來(lái)為對(duì)行導(dǎo)航過(guò)程，也是與預(yù)定路徑進(jìn)行比較，衡量開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航精度的過(guò)程。

由于在開(kāi)溝鋪管作業(yè)過(guò)程中會(huì)破壞事先確定的AB基準(zhǔn)線，因此在自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)之前需要分別在A、B兩點(diǎn)處用直角尺作AB直線的垂線，垂直距離為4 m，得到A1、B1兩點(diǎn)，從而確定一條平行AB直線的導(dǎo)航基準(zhǔn)線，用于后續(xù)測(cè)量實(shí)際導(dǎo)航偏差，評(píng)估導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航控制精度。

3.3 結(jié)果分析

開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航完成后，以剛開(kāi)出的鋪管溝中心與事先確定的導(dǎo)航基準(zhǔn)線進(jìn)行比較，使用米尺測(cè)量?jī)烧咧g的垂直偏移距離。圖5為試驗(yàn)開(kāi)溝作業(yè)圖。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，當(dāng)開(kāi)溝鋪管機(jī)行走速度不大于0.4 m/s時(shí)，自動(dòng)導(dǎo)航誤差小于10 cm。

圖5 試驗(yàn)開(kāi)溝作業(yè)圖

開(kāi)溝鋪管機(jī)按照預(yù)定AB直線行走跟蹤軌跡與導(dǎo)航誤差如圖6所示。圖6(a)為實(shí)際跟蹤軌跡圖，其中實(shí)線為預(yù)定路徑，虛線為開(kāi)溝鋪管機(jī)實(shí)際跟蹤軌跡，S點(diǎn)為開(kāi)溝鋪管機(jī)初始位置。從圖中可看出，開(kāi)溝鋪管機(jī)起始作業(yè)點(diǎn)與預(yù)定路徑具有較大的距離偏差，為2.6 m，自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)可快速地跟蹤到預(yù)定路徑。實(shí)際跟蹤偏航誤差如圖6(b)所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，開(kāi)溝鋪管機(jī)在對(duì)行導(dǎo)航過(guò)程中，偏航誤差控制在10 cm以內(nèi)，自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)具有良好的控制精度和穩(wěn)定性，能夠滿足開(kāi)溝鋪管機(jī)的高精度直線作業(yè)要求。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)為了滿足開(kāi)溝鋪管直線作業(yè)精度的要求，對(duì)開(kāi)溝鋪管機(jī)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行手控與自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，研制了基于計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和GPS技術(shù)的控制器，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)溝鋪管機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)。

(2)自動(dòng)導(dǎo)航控制采用了模糊控制方式，閉環(huán)反饋控制方法實(shí)現(xiàn)了開(kāi)溝鋪管機(jī)行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤控制。

(3)開(kāi)溝鋪管機(jī)在田間試驗(yàn)時(shí)，GPS采用RTK定位方式，在車輛行進(jìn)速度不大于0.4 m/s時(shí)，直線跟蹤誤差小于10 cm，基本滿足開(kāi)溝鋪管機(jī)自動(dòng)對(duì)行的精度要求。

(4)開(kāi)溝鋪管機(jī)高程控制目前普遍使用激光制導(dǎo)系統(tǒng)，但因激光發(fā)射和接收受天氣環(huán)境、距離等因素影響較大，能否結(jié)合GPS高程信息進(jìn)行控制，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

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