一種集中式智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院 航天恒星科技有限公司,北京 100095； 2.哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技 有限公司,哈爾濱 150028； 3.中國(guó)東方紅衛(wèi)星股份有限公司，北京 100081)

0 引言

大型農(nóng)機(jī)的自動(dòng)駕駛作業(yè)是近年來(lái)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)航定位精度已經(jīng)可以達(dá)到實(shí)時(shí)厘米事后毫米級(jí)，采用衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)時(shí)感知農(nóng)機(jī)的精確位置，并通過(guò)反饋控制農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)。

斯坦福大學(xué)O’Connor最早建立了拖拉機(jī)行走模型用于智能農(nóng)機(jī)領(lǐng)域的研究[1]。Zhang采用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合二輪機(jī)模型，對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛技術(shù)進(jìn)行研究[2]。國(guó)內(nèi)莊衛(wèi)東等人研究了農(nóng)機(jī)直線行走的差分導(dǎo)航算法，提出了農(nóng)機(jī)橫向位置偏差和前輪轉(zhuǎn)角組合的二維控制規(guī)則[3]。國(guó)內(nèi)西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)較早從自動(dòng)控制角度研究農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛技術(shù)，對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制技術(shù)的發(fā)展具有較大的推動(dòng)作用[4-5]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)一步將農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和拖拉機(jī)電液控制模型相結(jié)合，完成了閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并進(jìn)行場(chǎng)地測(cè)試，使得這一技術(shù)走向?qū)嵱肹6]。近年來(lái)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所通過(guò)模糊控制方法對(duì)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制模型進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升了農(nóng)機(jī)作業(yè)的精度和可靠性[7-9]。

但由于農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境屬于一種復(fù)雜工況下的作業(yè)，受到土質(zhì)、氣候、降雨、地理環(huán)境、信號(hào)傳輸?shù)染C合影響，導(dǎo)致這一技術(shù)的可靠性和適應(yīng)性難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛技術(shù)屬于跨學(xué)科的符合領(lǐng)域。工程化過(guò)程中，涉及衛(wèi)星導(dǎo)航及增強(qiáng)、電液驅(qū)動(dòng)、反饋控制、軟件工程、信號(hào)處理等多學(xué)科的融合，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化集成的方式，導(dǎo)致控制模塊、農(nóng)機(jī)跟蹤模塊、高精度組合導(dǎo)航模塊、電液驅(qū)動(dòng)之間松耦合設(shè)計(jì)不能滿足實(shí)時(shí)高精度控制的目的，進(jìn)而影響到作業(yè)精度的提升，在復(fù)雜的工況下，分模塊頻繁升級(jí)和運(yùn)維也難以滿足大面積推廣應(yīng)用的需求。

表1 系統(tǒng)技術(shù)要求

本文提出一種規(guī)范化的集中式農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制器架構(gòu)及工程設(shè)計(jì)方法，將模糊控制模型、組合導(dǎo)航算法、二輪機(jī)運(yùn)動(dòng)模型、人機(jī)交互采用集中式耦合設(shè)計(jì)，將核心關(guān)鍵技術(shù)集成在ECU中，經(jīng)過(guò)場(chǎng)地準(zhǔn)直線度測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在確保2.5厘米作業(yè)精度輸出約束前提下，其成本和可靠性得到大幅度提升。有利于該技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制器包括功能和性能技術(shù)要求，功能主要圍繞自走式作業(yè)的軌跡規(guī)劃、啟停等應(yīng)用功能，性能主要圍繞作業(yè)精度進(jìn)行展開(kāi)。其中功能要求主要包括作業(yè)之前設(shè)定作業(yè)軌跡，設(shè)定AB作業(yè)基準(zhǔn)線，自動(dòng)駕駛控制的手動(dòng)啟停，狀態(tài)切換等。性能要求主要為滿足2.5厘米和4.0厘米的作業(yè)精度下，差分定位的精度要求至少厘米級(jí)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

ECU屬于整個(gè)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛的核心控制單元，如圖1所示，ECU通過(guò)外接三軸慣性元件獲取姿態(tài)和加速度信息，通過(guò)外接角度傳感器獲取轉(zhuǎn)向輪偏角，通過(guò)外接高精度導(dǎo)航接收機(jī)獲取高精度定位信息，通過(guò)外接平板電腦獲取機(jī)手下發(fā)的各種操作指令，以上述各種接收信息為輸入，在ECU中進(jìn)行信息融合處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡自適應(yīng)跟蹤控制。

圖1 系統(tǒng)組成圖

反饋控制量有三個(gè)，其中角度傳感器的分辨率為0.05度，高精度導(dǎo)航差分接收機(jī)，可到實(shí)時(shí)厘米級(jí)的導(dǎo)航定位精度，電液比例閥可按照輸出控制量成比例地控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。三軸慣性單元用于感知農(nóng)機(jī)的姿態(tài)和加速度等信息，便于推算農(nóng)機(jī)側(cè)傾誤差，同時(shí)用于實(shí)現(xiàn)高精度接收機(jī)組合導(dǎo)航。

如圖2所示為整個(gè)系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)，人機(jī)交互模塊運(yùn)行在ECU單元的ARM端，采用嵌入式WEB開(kāi)發(fā)方式，平板電腦側(cè)為人機(jī)交互客戶(hù)端，通過(guò)瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)的人機(jī)操作。主要核心控制模塊運(yùn)行在DSP端，人機(jī)交互與DSP側(cè)的控制分系統(tǒng)采用TMS320DM6446的雙核通信機(jī)制進(jìn)行信息傳遞。

圖2 邏輯架構(gòu)圖

1.3 技術(shù)流程

整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)流程由人機(jī)界面進(jìn)行觸發(fā)，順次由地頭校準(zhǔn)配置、作業(yè)軌跡基準(zhǔn)AB線規(guī)劃、自動(dòng)駕駛的啟動(dòng)，自動(dòng)駕駛的退出等流程組成，各業(yè)務(wù)流程映射到后端服務(wù)，通過(guò)ECU控制和執(zhí)行液壓機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛的應(yīng)用。

以下為本系統(tǒng)的使用模式:

圖3 系統(tǒng)流程圖

(1)用戶(hù)新建地塊或編輯地塊后進(jìn)入自動(dòng)駕駛作業(yè)的設(shè)置界面，以AB線為例，農(nóng)機(jī)手將拖拉機(jī)駕駛到預(yù)作業(yè)地塊，并將車(chē)頭與地壟平行，點(diǎn)擊平板觸摸屏 “設(shè)置A點(diǎn)”；

(2)平板電腦將指令發(fā)送給ARM中央控制器，中央控制器抓取該點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，并保存；

(3)農(nóng)機(jī)手將拖拉機(jī)駕駛到預(yù)作業(yè)地塊另一地頭停車(chē)，點(diǎn)擊平板觸摸屏上的“設(shè)置B點(diǎn)”；

(4)平板電腦將指令發(fā)送給ARM中央控制器，中央控制器抓取該點(diǎn)位置數(shù)據(jù)，并保存；

(5)中央控制器和DSP建立兩點(diǎn)間直線模型，并根據(jù)設(shè)置的機(jī)具幅寬和偏移量建立平行直線模型；

(6)農(nóng)機(jī)手通過(guò)平板觸摸屏點(diǎn)擊“啟動(dòng)自走作業(yè)”，拖拉機(jī)按照之前建立的平行直線模型開(kāi)始作業(yè)；

(7)ECU實(shí)時(shí)采集液壓控制系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)、角度傳感器狀態(tài)參數(shù)，并通過(guò)分析計(jì)算出實(shí)時(shí)作業(yè)與設(shè)定平行直線的偏差，并將偏差值字段傳出給平板電腦，平板電腦進(jìn)行顯示，供農(nóng)機(jī)手參考；

(8)當(dāng)拖拉機(jī)偏離已設(shè)定平行直線時(shí)，ECU將實(shí)時(shí)糾偏控制信號(hào)發(fā)送到液壓閥控制器，進(jìn)行農(nóng)機(jī)前進(jìn)方向的糾正與校準(zhǔn)；

(9)當(dāng)農(nóng)機(jī)手執(zhí)行手動(dòng)操作時(shí)，手動(dòng)優(yōu)先傳感器將手動(dòng)控制信號(hào)發(fā)送給ECU，ECU取消自動(dòng)駕駛控制，將手動(dòng)控制相應(yīng)字段傳輸給平板電腦，平板電腦進(jìn)行顯示。

2 自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)控制單元由導(dǎo)航控制器、自矯正控制器和轉(zhuǎn)向控制器組成。導(dǎo)航控制器根據(jù)農(nóng)機(jī)的當(dāng)前位姿信息和目標(biāo)路徑信息，按照某種導(dǎo)航控制策略，計(jì)算出轉(zhuǎn)向角度的期望值，即轉(zhuǎn)向角指令。自校正控制器作為輔助控制器，采用模糊控制方法，基于駕駛員經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，校正模型控制器控制量。自動(dòng)轉(zhuǎn)向器控制的原理是：發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)向液壓泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)向操縱控制器檢測(cè)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)角信息，根據(jù)導(dǎo)航控制器由CAN總線發(fā)出的轉(zhuǎn)向控制指令，控制液壓電磁閥單元(比例閥、換向閥)的開(kāi)度和方向。轉(zhuǎn)向操縱控制器在轉(zhuǎn)向控制過(guò)程中使用PID控制算法控制比例閥和換向閥動(dòng)作，使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)正確執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令[8]。

以上系統(tǒng)控制模型屬于反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用理論控制模型執(zhí)行控制時(shí)，由于農(nóng)機(jī)面對(duì)復(fù)雜的作業(yè)工況，很難實(shí)現(xiàn)普適精確的模型控制，工程實(shí)施過(guò)程中，普遍采用模糊量化控制規(guī)則對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，宏觀上采用農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型結(jié)合二維自校正輪偏角模糊量化規(guī)則進(jìn)行精確控制，可有效降低導(dǎo)航控制算法的復(fù)雜度。

圖4 系統(tǒng)控制模型

3 工程實(shí)現(xiàn)

3.1 主控單元設(shè)計(jì)

主控ECU由TI雙核6446為核心的外圍電路組成，雙核CPU包括C64x+系列的浮點(diǎn)型DSP和ARM9核，其中ARM核主要運(yùn)行嵌入式Linux，人機(jī)交互軟件以嵌入式WEB的方式部署于ARM核上，DSP執(zhí)行導(dǎo)航控制算法，則用于對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

整個(gè)主控軟件程序分為四個(gè)層次，應(yīng)用層、服務(wù)層、操作系統(tǒng)層、硬件抽象層:

1)HAL層：又稱(chēng)為BSP層，提供板級(jí)支持，主要對(duì)電路板上的各硬件資源和總線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，封裝后對(duì)上層提供讀寫(xiě)控制三種操作；

2)OS層：采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOSII，提供對(duì)底層硬件資源的隔離封裝；

3)服務(wù)層：使用uCOSII所提供的API對(duì)上層的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供支撐；

4)應(yīng)用層：根據(jù)平板電腦下發(fā)的指令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，主要包括4大業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖5為硬件組成框圖，以TMS320DM6446雙核CPU為核心，通過(guò)DA模塊輸出模擬控制量對(duì)電液比例閥執(zhí)行控制，AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)施采集前輪偏角的值作為反饋控制系統(tǒng)的參考輸入，三軸慣性單元通過(guò)串口以100Hz的頻次將加速度和姿態(tài)等信息輸入用于控制模型的組合導(dǎo)航結(jié)算。高精度接收機(jī)實(shí)時(shí)輸入高精度位置信息，也可以將原始觀測(cè)量輸入CPU，在CPU上執(zhí)行組合導(dǎo)航控制。電路板其他模塊包括常規(guī)的晶振、FLASH、SDRAM、供電等外圍電路模塊。

圖5 硬件組成框圖

圖6為嵌入式軟件架構(gòu)圖，該軟件執(zhí)行與DSP核，主要執(zhí)行控制模型和組合導(dǎo)航等算法，采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS II，分四層進(jìn)行設(shè)計(jì)。該軟件同人機(jī)交互軟件通過(guò)雙核通信機(jī)制進(jìn)行交互。

圖6 嵌入式軟件架構(gòu)

3.2 人機(jī)交互

人機(jī)交互軟件運(yùn)行于ARM核，通過(guò)配置Linux嵌入式操作系統(tǒng)，采用采用基于WEB的嵌入式開(kāi)發(fā)方法，配置Apache引擎，采用PHP編程方式實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、自動(dòng)駕駛作業(yè)觸發(fā)模塊。

在參數(shù)設(shè)置界面，總共有5種參數(shù)設(shè)置的頁(yè)面，每個(gè)參數(shù)設(shè)置頁(yè)面有著對(duì)應(yīng)的多個(gè)設(shè)置項(xiàng)，5種參數(shù)設(shè)置分別是差分方式、車(chē)輛設(shè)置、農(nóng)具設(shè)置、自動(dòng)校準(zhǔn)和軟件升級(jí)。查分方式設(shè)置主要包括電臺(tái)設(shè)置、3G設(shè)置等多個(gè)設(shè)置項(xiàng)。車(chē)輛設(shè)置主要包括車(chē)輛的增、刪、改、查、天線高度、天線偏移、ECU距天線距離、天線與前輪中心距離、天線與后輪中心距離、轉(zhuǎn)向調(diào)整和靈敏度調(diào)整等多種車(chē)輛設(shè)置項(xiàng)。農(nóng)具設(shè)置包括農(nóng)具的增刪改查、農(nóng)具類(lèi)型等多種農(nóng)具設(shè)置項(xiàng)。自動(dòng)校準(zhǔn)包括水平校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)向死區(qū)校準(zhǔn)。軟件升級(jí)包括本地升級(jí)和遠(yuǎn)程升級(jí)。在參數(shù)設(shè)置界面還增加了設(shè)置向?qū)?，在用?hù)第一次使用時(shí)會(huì)幫助對(duì)每項(xiàng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

進(jìn)入自動(dòng)駕駛界面后，可以進(jìn)行A、B點(diǎn)的選取，生成AB線并保存，也可以對(duì)直線規(guī)劃過(guò)的AB線進(jìn)行查詢(xún)、修改和刪除。

AB線設(shè)置好后可開(kāi)始自動(dòng)駕駛，并可進(jìn)入監(jiān)控頁(yè)面，在規(guī)劃的軌跡線路下跟蹤農(nóng)機(jī)位置，發(fā)生偏轉(zhuǎn)后可在地圖上顯示出距離最近的規(guī)劃路徑的偏轉(zhuǎn)距離。

4 場(chǎng)地測(cè)試

通過(guò)搭建閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行田間測(cè)試，分別執(zhí)行交接行測(cè)試和準(zhǔn)直線度測(cè)試，分比如下。

4.1 交接行測(cè)試

1)在使用自動(dòng)駕駛前需在空地上準(zhǔn)確測(cè)量農(nóng)具寬幅(66厘米/隴)，在該數(shù)值上再加交接行數(shù)據(jù)66厘米輸入到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，開(kāi)啟自動(dòng)駕駛作業(yè)，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)交接行計(jì)算農(nóng)具偏移并輸入到自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中；

2)在農(nóng)具寬幅和農(nóng)具偏移值都輸入正確的情況下，放下農(nóng)具，使農(nóng)機(jī)在自動(dòng)駕駛狀態(tài)下完成至少5條交接行；

3)測(cè)量藍(lán)色第4號(hào)壟溝與紅色第4號(hào)壟溝之間的距離，如圖所示，以此類(lèi)推。每隔2m設(shè)為一點(diǎn)立下標(biāo)桿并記錄兩條中間壟溝之間的距離；

4)每?jī)蓷l相鄰不同方向的中間壟溝對(duì)應(yīng)的點(diǎn)所記錄的數(shù)據(jù)不小于40組；

5)重復(fù)步驟5、6，完成至少5條不同交接行的測(cè)試。

4.2 準(zhǔn)直度場(chǎng)地測(cè)試

1)完成自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的搭建工作，確認(rèn)系統(tǒng)能夠正常進(jìn)行工作；

2)完成旋耕整地機(jī)安裝與校準(zhǔn)工作；

3)開(kāi)啟自動(dòng)駕駛作業(yè)，使農(nóng)機(jī)在自動(dòng)駕駛狀態(tài)下完成至少5個(gè)交接行；

4)自地頭10米處每隔2 m設(shè)立一個(gè)測(cè)量點(diǎn)位，并在該處打下桿子；

5)以A點(diǎn)為前視點(diǎn)，B點(diǎn)為后視點(diǎn)建立測(cè)量直線，使用全站儀在A點(diǎn)處對(duì)每個(gè)桿子進(jìn)行觀察，測(cè)量并記錄每個(gè)桿子所對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的誤差值；

6)分別對(duì)每幅進(jìn)行測(cè)量，記錄測(cè)量誤差值；

表2 場(chǎng)地測(cè)試結(jié)果

通過(guò)起壟后插簽法進(jìn)行實(shí)地量測(cè)。發(fā)現(xiàn)平地作業(yè)精度可以達(dá)到2.5厘米(2σ)，田間場(chǎng)地測(cè)試有一定地面阻力帶來(lái)一定誤差，準(zhǔn)直線度和交接行接近70%的點(diǎn)位作業(yè)精度2.5 cm，大約96%以上的作業(yè)點(diǎn)位精度4 cm。均滿足農(nóng)機(jī)化作業(yè)使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的智能農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛控制器的設(shè)計(jì)，采用DSP+ARM雙核集中式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛作業(yè)的控制，通過(guò)田間實(shí)測(cè)，達(dá)到2.5厘米作業(yè)精度。整個(gè)系統(tǒng)的核心控制算法和人機(jī)交互軟件均置于控制器內(nèi)，利于采用緊耦合組合導(dǎo)航算法提升可靠性。同步降低了設(shè)備復(fù)雜度，便于系統(tǒng)的推廣。批量化的工程設(shè)計(jì)可采用SOC設(shè)計(jì)進(jìn)一步縮小體積。