太陽(yáng)能渠道式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航研究

劉柯楠　吳普特,　朱德蘭,　韓文霆　代文凱

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100)

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太陽(yáng)能渠道式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航研究

劉柯楠1吳普特1,2朱德蘭1,2韓文霆2代文凱1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100)

以自行研制的太陽(yáng)能渠道式多噴頭噴灌機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，利用偏角傳感器和電子羅盤(pán)進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的自動(dòng)導(dǎo)航研究。增加了噴灌機(jī)精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)、噴灑域可控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了噴灌機(jī)的自動(dòng)控制。根據(jù)偏角傳感器、電子羅盤(pán)和車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器獲取的噴灌機(jī)姿態(tài)信息，構(gòu)建了噴灌機(jī)自主導(dǎo)航模糊控制器。噴灌機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制，完成了噴灌機(jī)沿渠道的自動(dòng)行走，并進(jìn)行了導(dǎo)航跟蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴灌機(jī)在以0.5 m/min和1.0 m/min速度進(jìn)行自主導(dǎo)航過(guò)程中均能消除橫向偏差，具有一定的精度和可靠性，可滿足噴灌機(jī)作業(yè)使用要求。

太陽(yáng)能； 渠道式噴灌機(jī)； 導(dǎo)航； 自動(dòng)控制； 精準(zhǔn)灌溉

引言

平移式噴灌機(jī)是連續(xù)直線移動(dòng)式噴灌機(jī),無(wú)論在噴灌強(qiáng)度的均勻性還是耕作管理方式的適應(yīng)性方面都比其他型式的噴灌機(jī)(如雙臂式、中心支軸式、絞盤(pán)牽引式等)有更多的優(yōu)點(diǎn)。然而目前平移式噴灌機(jī)主要在內(nèi)蒙、東北等地區(qū)使用，并且多為大型平移式噴灌機(jī)，針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)(小農(nóng)戶和一些種植大戶為主)的輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)研究較少。作為能在農(nóng)田中移動(dòng)的智能作業(yè)平臺(tái), 噴灌機(jī)應(yīng)能按照提前規(guī)劃的預(yù)定路線自主進(jìn)行灌溉。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)作業(yè)的精確控制, 即要對(duì)作業(yè)路徑進(jìn)行自主導(dǎo)航。目前，在農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用的導(dǎo)航方式有機(jī)器視覺(jué)、GPS、地磁、激光和接觸式等[1]。與衛(wèi)星和機(jī)器視覺(jué)等其他導(dǎo)航方式相比，采用機(jī)械接觸的導(dǎo)航方式具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、 成本低、 易維護(hù)、且在行間作業(yè)過(guò)程中具有較強(qiáng)實(shí)用性和易于推廣等特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航進(jìn)行了研究[2-19]。這些研究雖然都是對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航，但大多都是基于拖拉機(jī)、插秧機(jī)等傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備或是一些用于農(nóng)業(yè)方面的機(jī)器人平臺(tái)，有關(guān)輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)導(dǎo)航方面的研究還鮮有報(bào)道。為滿足農(nóng)田灌溉的農(nóng)藝需求，本研究將太陽(yáng)能技術(shù)與噴灌技術(shù)進(jìn)行集成，采用模糊控制算法研發(fā)一種基于渠道導(dǎo)航(屬于機(jī)械接觸式)的太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)自走懸臂式噴灌機(jī)，并在此基礎(chǔ)上增加噴灌機(jī)精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)和噴灑域可控系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)噴灌機(jī)沿預(yù)定路線的自主導(dǎo)航控制。

1　噴灌機(jī)總體結(jié)構(gòu)

作為一種能夠在田間自主作業(yè)的智能移動(dòng)平臺(tái)，噴灌機(jī)應(yīng)能按照預(yù)定的作業(yè)路徑在田間自動(dòng)行走，即具有自主導(dǎo)航功能?；谇缹?dǎo)航的太陽(yáng)能自走懸臂式噴灌機(jī)(以下簡(jiǎn)稱噴灌機(jī))由機(jī)械本體、變量作業(yè)系統(tǒng)和自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)3部分組成，圖1為噴灌機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　渠道式噴灌機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure diagram of canal feed sprinkler irrigation machine 1.供水渠道　2.取水過(guò)濾裝置　3.吸水軟管　4.減速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)　5.驅(qū)動(dòng)輪　6.轉(zhuǎn)向裝置　7.主梁　8.自吸泵　9.控制柜　10.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)　11.蓄電池　12.主供水管道　13.桁架　14.低壓噴頭　15.泡沫擋板　16.施肥罐　17.流量表　18.壓力表　19.噴槍

噴灌機(jī)機(jī)械本體部分是整個(gè)噴灌機(jī)的硬件主體，包括整個(gè)噴灌機(jī)主體機(jī)架部分、行走驅(qū)動(dòng)部分和太陽(yáng)能供電部分。主機(jī)架部分由上部長(zhǎng)50 m的輸水桁架和底部支撐部分構(gòu)成。輸水桁架由主輸水管、橫支撐、斜支撐組成倒三角架結(jié)構(gòu)焊接而成，在其上等間距地布置用于噴灌的灌水器(噴頭)。噴灌機(jī)可根據(jù)農(nóng)作需要，更換灌水器進(jìn)行噴水、噴肥、噴藥等操作；底部支撐部分采用邊梁式，用斷面為100 mm×100 mm的方鋼焊接而成，同時(shí)為了提高土地利用率，不影響作物生長(zhǎng)，兩前輪間與兩后輪之間均無(wú)連接軸。為了保持噴灌機(jī)具有較好的通過(guò)性和承載能力，噴灌機(jī)外形尺寸設(shè)計(jì)為左右輪距3.36 m, 前后軸距2.7 m，車(chē)梁離地間隙1.3 m，桁架離地間隙1.8 m。

行走驅(qū)動(dòng)部分采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，用4個(gè)48V200W1800RPM的直流電動(dòng)機(jī)分別為4個(gè)車(chē)輪提供動(dòng)力，直流電動(dòng)機(jī)的輸出扭矩經(jīng)減速比i=36的行星齒輪減速器后，再經(jīng)傳動(dòng)比為1∶25的蝸輪蝸桿減速器，然后傳遞給電磁離合器進(jìn)而傳送給車(chē)輪。同時(shí)4個(gè)直流電動(dòng)機(jī)均配有用于控制轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)控制器，通過(guò)PWM技術(shù)輸入不同占空比的調(diào)節(jié)電壓控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的電源采用48 V、120 A·h的蓄電池進(jìn)行供電。輪胎選用8.3-20型普通人字形農(nóng)用輪胎, 采用控制兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速差的轉(zhuǎn)向方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的能量來(lái)源，主要由太陽(yáng)能光伏組件、免維護(hù)鉛酸蓄電池和太陽(yáng)能控制器組成，為行走驅(qū)動(dòng)部分、各傳感器和控制系統(tǒng)部分進(jìn)行供電。本機(jī)配備金源電子電器公司制造的CS5M32-260型太陽(yáng)能板，峰值功率260 W、峰值電壓49.71 V，峰值電流5.25 A，開(kāi)路電壓60.49 V，短路電流5.57 A；蓄電池組選用4塊河北風(fēng)帆蓄電池股份有限公司生產(chǎn)的190H52型閥控式全密封鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，電池規(guī)格12 V/120 A·h；太陽(yáng)能控制器為供電系統(tǒng)的監(jiān)控部件，負(fù)責(zé)對(duì)光伏組件的發(fā)電狀態(tài)和蓄電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，太陽(yáng)能控制器選用合肥尚碩新能源公司生產(chǎn)的SS48V50A型最大功率跟蹤太陽(yáng)能控制器。

2　變量作業(yè)系統(tǒng)

噴灌機(jī)變量作業(yè)部分由噴灑域可控和精準(zhǔn)灌溉控制2部分組成， 可根據(jù)事先制定的處方圖進(jìn)行變量灌溉。

2.1噴灑域可控

由于農(nóng)田環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性和復(fù)雜性，噴灌機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中所遇到的地形不一定呈標(biāo)準(zhǔn)的矩形。噴灑域可控技術(shù)是將主輸水管上的噴頭分為多個(gè)組，沿臂架寬度方向，每邊設(shè)置 4個(gè)電磁閥，通過(guò)電磁閥開(kāi)關(guān)控制每組噴頭啟閉。在噴灌機(jī)運(yùn)行中若是遇到地邊、籬笆、路面等不需要噴灑的區(qū)域，可選擇性地關(guān)閉左邊或者右邊的電磁閥縮小噴灑寬度，以適應(yīng)不同地塊形狀、地邊緣區(qū)域、路面等特殊避讓要求。同時(shí)根據(jù)噴灑寬度變化，位于控制柜中的控制器會(huì)自動(dòng)計(jì)算調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，保證在不同噴灑寬度的情況下，確保單位面積噴水量恒定。

2.2精準(zhǔn)灌溉控制

噴灌機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)無(wú)線模塊接收土壤墑情檢測(cè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，分析、計(jì)算出作物所需的水量，控制水泵按所需水量進(jìn)行供水，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉水量的自動(dòng)精準(zhǔn)控制。精準(zhǔn)灌溉控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。手動(dòng)模式時(shí)，可直接通過(guò)噴灑量旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)泵的流量，進(jìn)而控制噴灑量。自動(dòng)模式時(shí)，數(shù)字控制器通過(guò)檢測(cè)噴灌機(jī)當(dāng)前的行駛速度、寬度、土壤墑情傳感器采集數(shù)據(jù)等參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)前理論水流量；然后控制器將理論水流量和電磁流量計(jì)測(cè)得的實(shí)際水流量進(jìn)行比較得出噴灑誤差，根據(jù)誤差輸出信號(hào)控制噴灑泵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的控制。在整個(gè)工作過(guò)程中，無(wú)論是噴灌機(jī)速度變化、噴灑寬度變化，噴灑量變化都會(huì)被這個(gè)閉環(huán)控制過(guò)程消除，如圖2所示。

圖2　精準(zhǔn)灌溉控制框圖Fig.2　Block diagram of precision irrigation control

3　導(dǎo)航控制系統(tǒng)

噴灌機(jī)采用渠道供水方式，在沿渠道行走過(guò)程中通過(guò)從渠道中取水進(jìn)行噴灑灌溉。噴灌機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)具有兩方面功能：一是定位，確定噴灌機(jī)與預(yù)定路線之間的相對(duì)位置，即偏差；二是決策控制，根據(jù)導(dǎo)航控制算法決策出導(dǎo)航控制量并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該控制量，使噴灌機(jī)可以沿預(yù)定路線自動(dòng)行走。渠道式噴灌機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)采用機(jī)械接觸式導(dǎo)航方式，包括導(dǎo)航偏角傳感器、電子羅盤(pán)、主控制器、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器、從控制器、轉(zhuǎn)速傳感器、電磁流量計(jì)、土壤墑情傳感器和各執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，如圖3所示。

圖3　導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3　Structure of navigation control system

電子羅盤(pán)和偏角傳感器作為導(dǎo)航用傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)噴灌機(jī)與預(yù)定路線(渠道)之間的航向偏差與位置偏差。電子羅盤(pán)采用無(wú)錫北微傳感科技有限公司生產(chǎn)的SEC345型三維電子羅盤(pán)：航向精度1°，高傾角測(cè)量范圍±40°，具有硬磁、軟磁及傾角補(bǔ)償功能，標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485/TTL輸出接口，最高輸出頻率50 Hz；偏角傳感器選用日本MIDORI株式會(huì)社綠測(cè)器CP-2UTX型磁敏角度傳感器：有效電氣轉(zhuǎn)角±45°，獨(dú)立線性精度±1.5%。系統(tǒng)采樣頻率1 Hz，偏角傳感器與電子羅盤(pán)固定在噴灌機(jī)橫向?qū)ΨQ中心軸線上。當(dāng)電子羅盤(pán)、偏角傳感器、電磁流量計(jì)和土壤墑情傳感器檢測(cè)出的數(shù)據(jù)傳入主控制器時(shí)，主控制器將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，進(jìn)行導(dǎo)航控制量、需水量和電磁閥啟閉的計(jì)算和決策，并生成控制指令通過(guò)RS485與從控制器進(jìn)行通信，將指令傳輸給從控制器。從控制器通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速，對(duì)兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行閉環(huán)控制，并根據(jù)主控制器傳送來(lái)的信息，對(duì)電磁閥和水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使噴灌機(jī)可以沿著預(yù)定路線行走，完成自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)。

所構(gòu)建的噴灌機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)中,不同的導(dǎo)航控制量決策算法會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及路徑跟蹤效果產(chǎn)生重要影響。由于農(nóng)田環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化特征，加上輪胎與土壤之間的相互作用十分復(fù)雜，要建立比較完善的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型十分困難，因此在模型不十分明確的情況下進(jìn)行噴灌機(jī)導(dǎo)航時(shí),應(yīng)該避免過(guò)分依賴車(chē)輛模型來(lái)設(shè)計(jì)導(dǎo)航控制器?？紤]到系統(tǒng)穩(wěn)定性和路徑跟蹤的精度要求，采用模糊控制算法構(gòu)建了二維模糊控制器。二維模糊控制器以偏角傳感器檢測(cè)到的位置相對(duì)偏差eθ及電子羅盤(pán)檢測(cè)到的方向偏差eψ作為輸入量，經(jīng)過(guò)導(dǎo)航?jīng)Q策，輸出控制兩側(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的 PWM 電壓增量Δu。采用模糊控制算法進(jìn)行導(dǎo)航?jīng)Q策時(shí)甚至可以不需要任何模型知識(shí)，噴灌機(jī)與預(yù)定路徑間的航向偏差和位置偏差分別指示了噴灌機(jī)與引導(dǎo)路徑間的相對(duì)位姿。路徑跟蹤的目標(biāo)是讓噴灌機(jī)與引導(dǎo)路徑間的偏差趨向零，使其沿著引導(dǎo)路徑行走。其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　模糊控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Diagram of fuzzy control structure

所構(gòu)建的二維模糊控制器中輸入、輸出變量分別選用 7 個(gè)語(yǔ)言集作為模糊論域進(jìn)行描述。 所選的7個(gè)模糊論域?yàn)椋赫?PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZE)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)和負(fù)大(NL)。其中噴灌機(jī)與預(yù)定路徑間的位置偏差和航向偏差的基本論域都選取為[-30°, 30°]。經(jīng)計(jì)算，量化因子為0.1?？刂破鬏敵龅碾妱?dòng)機(jī) PWM 控制變化值Δu基本論域選取為[-4.5, 4.5]。計(jì)算后，比例因子取1.5。以噴灌機(jī)運(yùn)行方向?yàn)闇?zhǔn)，設(shè)定噴灌機(jī)沿預(yù)定路徑左偏為正，右偏為負(fù)。輸入、輸出均選用三角隸屬函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。模糊控制規(guī)則的制定以試驗(yàn)所得的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)為基礎(chǔ)。經(jīng)多次試驗(yàn)調(diào)整，所得二維模糊控制器的控制規(guī)則如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則Tab.1　Fuzzy control rules

模糊推理方法選用 Mamdani 方法，根據(jù)所制定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理后便可得到控制輸出的模糊量, 再經(jīng)過(guò)反模糊化后便可將模糊量轉(zhuǎn)換為精確量, 計(jì)算出所需要的控制輸出變量的精確值。系統(tǒng)反模糊化方法采用最大隸屬度平均值法進(jìn)行計(jì)算。

模糊控制器的輸出量為兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)電壓，導(dǎo)航控制器決策出該控制量后將其發(fā)送給從控制器，從控制器接收到主控制器發(fā)送的控制變量后，根據(jù)該控制變量調(diào)節(jié)噴灌機(jī)兩側(cè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入調(diào)節(jié)電壓，同時(shí)通過(guò)安裝在車(chē)輪驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)噴灌機(jī)兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)噴灌機(jī)預(yù)定路線的路徑跟蹤。本系統(tǒng)中加在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器上的電壓由兩部分組成，一部分為uconst，另一部分為導(dǎo)航控制器輸出的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電壓Δu，得到左、右驅(qū)動(dòng)輪的電壓分別為：

左電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓

ul=uconst±Δu

右電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓

ur=uconst?Δu

ul、ur作為兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)電壓的期望值，與兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速傳感器構(gòu)成單位負(fù)反饋形成小閉環(huán)控制，通過(guò)小閉環(huán)對(duì)兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速的反饋控制可以完全獲得兩側(cè)車(chē)輪轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。

4　試驗(yàn)及結(jié)果分析

為測(cè)試噴灌機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)性能，進(jìn)行了噴灌機(jī)沿導(dǎo)航預(yù)定路線跟蹤試驗(yàn)。噴灌機(jī)在應(yīng)用時(shí)要求在田間留有寬度50 cm左右的機(jī)行道，并對(duì)其進(jìn)行水泥平整或其他硬化處理，由于噴灌機(jī)在水泥平整、硬化后的田間機(jī)行道運(yùn)行狀況與在水泥路面運(yùn)行狀況相似，故選擇在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院操場(chǎng)進(jìn)行渠道式噴灌機(jī)自主導(dǎo)航試驗(yàn)。進(jìn)行自主導(dǎo)航試驗(yàn)前，在渠道一側(cè)距渠道1 m處沿渠道方向拉一條細(xì)白線作為參考路徑。采用滴水的方式記錄噴灌機(jī)的行走軌跡。調(diào)整噴灌機(jī)至起點(diǎn)，車(chē)頭對(duì)準(zhǔn)渠道方向，開(kāi)啟導(dǎo)航系統(tǒng)后，滴水式劃線器隨噴灌機(jī)一同沿預(yù)定路徑行走，并實(shí)時(shí)記錄噴灌機(jī)的真實(shí)行走軌跡。將滴水式劃線器記錄的行走軌跡與預(yù)定路線進(jìn)行比較，使用卷尺測(cè)量?jī)烧咧g的垂直偏移距離。圖5為試驗(yàn)場(chǎng)景。

根據(jù)機(jī)組設(shè)計(jì)流量和灌溉制度所確定的噴灌機(jī)正常作業(yè)時(shí)的行進(jìn)速度為0～1.0 m/min，試驗(yàn)時(shí)沿路徑跟蹤方向, 每間隔30 cm測(cè)量一個(gè)點(diǎn), 如果某測(cè)量點(diǎn)處存在軌跡突變, 則用兩相鄰點(diǎn)距離偏差平均值代替。圖6為噴灌機(jī)以0.5 m/min和1.0 m/min速度自主導(dǎo)航行駛過(guò)程中跟蹤偏差隨行駛距離變化曲線。

圖5　試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.5　Test scenario

圖6　誤差變化曲線Fig.6　Changing curves of error

由圖6可知，噴灌機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)可消除側(cè)向偏差，行進(jìn)速度為1 m/min時(shí)噴灌機(jī)行駛6.6 m可消除側(cè)向偏差，測(cè)試過(guò)程中偏差出現(xiàn)負(fù)值，并有一定振蕩；行進(jìn)速度為0.5 m/min時(shí)，偏差穩(wěn)定減小直至0，并無(wú)振蕩現(xiàn)象，但由于行進(jìn)速度減小，噴灌機(jī)消除誤差所行駛距離較長(zhǎng)。這表明所設(shè)計(jì)的噴灌機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)具有良好的控制精度和穩(wěn)定性，能夠滿足噴灌機(jī)自主導(dǎo)航的作業(yè)要求。

5　結(jié)論

(1)以電子羅盤(pán)和偏角傳感器作為導(dǎo)航傳感器構(gòu)建了渠道式噴灌機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，避免了應(yīng)用GPS、機(jī)器視覺(jué)等傳感器造成的成本過(guò)高問(wèn)題，且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性較強(qiáng)、易于推廣。

(2)采用模糊控制算法，以偏角傳感器檢測(cè)到的位置偏差eθ和電子羅盤(pán)檢測(cè)的航向偏差eψ為輸入量，輸出量為控制兩側(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的 PWM 電壓增量Δu，構(gòu)建了渠道式噴灌機(jī)進(jìn)行自主導(dǎo)航的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了噴灌機(jī)的自主導(dǎo)航。

(3)在以0.5 m/min和1.0 m/min行進(jìn)速度進(jìn)行自主導(dǎo)航試驗(yàn)過(guò)程中，噴灌機(jī)均可以消除側(cè)向偏差，基本能夠跟蹤預(yù)定導(dǎo)航路線。導(dǎo)航控制系統(tǒng)具有一定的精度和可靠性，能夠滿足噴灌機(jī)的使用要求。

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Autonomous Navigation of Solar Energy Canal Feed Sprinkler Irrigation Machine

Liu Ke’nan1Wu Pute1,2Zhu Delan1,2Han Wenting2Dai Wenkai1

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofWater-savingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In view of the planting characteristics which are mainly consisted of small farmers and some large growing farmers in China, the solar energy technology was combined with spray irrigation technology together. In addition, a light and small solar energy canal feed sprinkler irrigation machine was developed. An autonomous navigation system was developed on self-developed solar energy canal feed sprinkler machine. Under different working conditions, angle sensor and electronic compass were adopted for the autonomous navigation test. The precision irrigation control system and spraying domain control system were integrated to realize automatic control of sprinkler machine. According to the attitude information of the sprinkler machine acquired from angle sensor, electronic compass and wheel speed sensor, a fuzzy controller for autonomous navigation was built. By adjusting the speed of driving wheels on both sides, a close-loop feedback control system of steering was also built. Besides, to verify the navigation accuracy of the system, a tracking experiment was carried out. The results indicated that the lateral tracking error could be well eliminated with travelling speeds of 0.5 m/min and 1.0 m/min, which showed that the sprinkler machine was provided with high reliability and stability. In other words, the control system can well meet the demand of spraying work.

solar energy; canal feed sprinkler irrigation machine; navigation; automatic control; precision irrigation

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.021

2016-02-22

2016-04-06

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD22B01-02)、國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2014DFG72150)和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(111計(jì)劃)項(xiàng)目(B12007)

劉柯楠(1986—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械自主導(dǎo)航研究，E-mail： kenan_liu@126.com

吳普特(1963—)，男，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水土保持與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究，E-mail： gjzwpt@vip.sina.com

TP242.4

A

1000-1298(2016)09-0141-06