高地隙植保機輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計與試驗

陳黎卿 許 鳴 柏仁貴 楊 洋 張 鐵 楊學(xué)軍

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室， 合肥 230036；3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

高地隙植保機作為田間管理機械的一種，其作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，駕駛員操縱時受到視野和植株遮擋等影響，易出現(xiàn)傷苗現(xiàn)象。近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者針對拖拉機、植保機械的自動駕駛[1-5]、導(dǎo)航控制系統(tǒng)[6-10]、對靶噴霧[11-15]以及霧滴漂移特性[16-18]等開展研究,取得了一定的研究成果，為高地隙植保機的自動駕駛發(fā)展打下了基礎(chǔ)。從現(xiàn)有研究成果分析得知，目前高地隙植保機的自動駕駛主要集中于導(dǎo)航或圖像處理等技術(shù)在機械上的應(yīng)用，針對駕駛系統(tǒng)的設(shè)計主要是使用電機控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但在田間轉(zhuǎn)向等特殊工況下依然存在轉(zhuǎn)向延遲的問題，尚需進一步研究。

本文以黃淮海地區(qū)玉米植保機為研究對象，通過在現(xiàn)有高地隙植保機基礎(chǔ)上對其液壓系統(tǒng)進行設(shè)計，開發(fā)一套基于液壓控制的輔助駕駛系統(tǒng)，使其作業(yè)時具有人工駕駛和輔助駕駛兩種模式。

1 傳統(tǒng)高地隙植保機結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

高地隙植保機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由四輪驅(qū)動系統(tǒng)、前后液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、柴油機、油泵、液壓無級變速系統(tǒng)、分動器等組成。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 高地隙植保機結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of high-gap plant protection machine1.轉(zhuǎn)向柱 2.方向盤 3.座椅 4.柴油機 5.油泵 6.分動器 7.機架 8.后橋 9.后輪轉(zhuǎn)向油缸 10.液壓油箱 11.前橋 12.人字形輪胎 13.前輪轉(zhuǎn)向油缸

1.2 工作原理

該高地隙植保機為四輪驅(qū)動，動力傳遞順序依次是柴油機、油泵、液壓無級變速器(HST)、分動器、驅(qū)動橋。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓轉(zhuǎn)向控制，液壓轉(zhuǎn)向的動力由柴油機帶動油泵提供；油泵上裝有液壓無級變速系統(tǒng)，通過驅(qū)動電機帶動拉桿改變HST中柱塞泵的變量盤傾斜角度控制其排量和方向，改變柱塞馬達的轉(zhuǎn)速與方向，從而控制分動器的轉(zhuǎn)速達到控制車速的目的；其中動力、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

表1 高地隙植保機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parameters of high-gap plant protection machine

圖2 高地隙植保機動力和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖Fig.2 Power and steering system schematic of high-gap plant protection machine

2 輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

高地隙植保機離地間隙較高，駕駛員難以觀察到行間行走時的苗帶情況，易出現(xiàn)壓苗、傷苗等現(xiàn)象，因此設(shè)計的輔助駕駛系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)行間自主行走。為了實現(xiàn)輔助駕駛功能，在原有高地隙植保機液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上并聯(lián)一套輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，原理如圖3所示。圖中P為系統(tǒng)壓力油輸入口、T為系統(tǒng)回油口、P1為全液壓轉(zhuǎn)向器壓力油輸入口、T1為全液壓轉(zhuǎn)向器回油口、P2為優(yōu)先閥的優(yōu)先口、LS為負(fù)載壓力反饋口。通過電磁閥開關(guān)實現(xiàn)人工駕駛和輔助駕駛自動切換功能，該電動助力轉(zhuǎn)向閥組由博世力士樂生產(chǎn)，型號為TG171200，主要由液壓鎖、比例換向閥、卸載閥、邏輯閥、電磁閥、溢流閥、優(yōu)先閥等部件組成。其中液壓鎖的作用是確保植保機的原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時不受并聯(lián)的電動助力轉(zhuǎn)向閥組影響；比例換向閥是通過輸入電信號而連續(xù)按比例對液壓油的流量、方向進行控制；卸載閥的作用是控制油泵的卸荷和加載；電磁閥的作用是通過通斷電改變比例閥油路的通斷；溢流閥的作用是保護閥組油路；邏輯閥的作用是對比例換向閥的供油節(jié)流口進行壓力補償，保證進出口壓差基本保持不變，從而使比例換向閥的輸出流量只與閥芯開口大小有關(guān)，而不受負(fù)載壓力變化的影響；優(yōu)先閥是保證油路優(yōu)先從P2口進入負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向器，當(dāng)全液壓轉(zhuǎn)向器處于中位時油路不通，在優(yōu)先閥的油壓達到某一值時推動彈簧實現(xiàn)換向。系統(tǒng)在原有的液壓助力轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上，并聯(lián)了該閥組模塊，壓力油從P口進入，經(jīng)過優(yōu)先閥，并從P2口流出進入全液壓轉(zhuǎn)向器的P1口，此時處于人工駕駛狀態(tài)；當(dāng)方向盤處于中位并給電磁閥通電時，則使輔助駕駛油路連通，液壓油在優(yōu)先閥作用下進入比例換向閥，此時處于輔助駕駛狀態(tài)，當(dāng)人工轉(zhuǎn)動方向盤時，全液壓轉(zhuǎn)向器閥芯離開中位，優(yōu)先閥油壓降低，優(yōu)先閥在彈簧的作用下實現(xiàn)換向，此時液壓油從P2口流向全液壓轉(zhuǎn)向器，人工駕駛直接啟動，該功能可保證輔助駕駛系統(tǒng)的安全性。兩種駕駛模式通過按鍵操作，按鍵安裝在操作面板上，駕駛員可以根據(jù)行駛時的行間狀態(tài)進行模式切換。輔助駕駛狀態(tài)時，液壓油在優(yōu)先閥的作用下經(jīng)比例換向閥到達轉(zhuǎn)向油缸，工作時利用NI板控制比例閥的電信號從而控制閥芯的移動，達到對液壓油流量、方向的控制，使油缸產(chǎn)生位移，完成輔助駕駛工況下的自動轉(zhuǎn)向工作。

圖3 輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of auxiliary steering hydraulic system1.優(yōu)先閥 2.電磁閥 3.溢流閥 4.邏輯閥 5.卸載閥 6.比例換向閥 7.雙向液控單向閥 8.轉(zhuǎn)向油缸 9.負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向器

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進

為了獲得行走中輪胎轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向液壓缸的映射關(guān)系，建立如圖4所示轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何模型，其中A為油缸固定端，O為轉(zhuǎn)向柱的中心點，B為轉(zhuǎn)向節(jié)臂的移動端，轉(zhuǎn)向節(jié)臂的轉(zhuǎn)角即為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角。當(dāng)車輛從直線方向向右轉(zhuǎn)向時活塞桿向右移動，A、B之間的距離X增大。

圖4 轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角與油缸位移關(guān)系圖Fig.4 Relationship diagram between steering wheel angle and cylinder displacement

圖4中β為右側(cè)車輪轉(zhuǎn)角,(°)；L為油缸固定端到轉(zhuǎn)向柱中心點的距離，mm；n為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長度,mm。設(shè)XP為油缸位移,mm，車輪轉(zhuǎn)角β和轉(zhuǎn)向油缸位移XP的映射關(guān)系為

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根據(jù)實際測量，確定L=440 mm，n=160 mm，X=470 mm，得到油缸位移XP與右輪轉(zhuǎn)角β之間的映射關(guān)系如圖5所示。

圖5 車輪轉(zhuǎn)角與油缸位移之間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between wheel angel and cylinder displacement

由圖5可知，油缸位移與轉(zhuǎn)角近似呈線性關(guān)系，數(shù)據(jù)擬合確定兩者的比例系數(shù)K為6.758 rad/m，通過采集油缸位移和輪胎轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，驗證比例系數(shù)K的準(zhǔn)確性，試驗數(shù)據(jù)擬合得到比例系數(shù)K為6.743 rad/m，相對誤差0.22%。根據(jù)該特點以及轉(zhuǎn)向機構(gòu)處于往復(fù)擺動的運動方式，采用鉸接式直線位移傳感器，型號為KPC-175mm，其基本參數(shù)為：有效行程175 mm，內(nèi)部電阻5 kΩ，滑刷正常工作電流不超過10 μA，線性精度±0.1%,輸出為0～100%給定輸入工作電壓。如圖6所示，位移傳感器與油缸采用鉸接式平行連接，轉(zhuǎn)向油缸的位移等量轉(zhuǎn)換到拉桿式位移傳感器上，通過采集電壓信號實現(xiàn)轉(zhuǎn)向油缸的位移測量，并由比例系數(shù)K得到前輪轉(zhuǎn)角。

圖6 傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of sensor installation position1.轉(zhuǎn)向柱 2.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 3.連接塊 4.轉(zhuǎn)向油缸推桿 5.位移傳感器 6.轉(zhuǎn)向油缸 7.驅(qū)動橋

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計

圖7 輔助駕駛控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Principle diagram of auxiliary driving control system

輔助駕駛系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過電子比例控制器控制直流電機推動拉桿控制HST達到控制車速的目的，在高地隙底盤車輪位置安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，獲取植保機行走速度，作為路徑跟蹤控制模塊的反饋輸入。北斗導(dǎo)航接收機獲取車輛位姿信號，并由路徑跟蹤控制算法得到轉(zhuǎn)角信號，比例換向閥控制車輪轉(zhuǎn)向。

根據(jù)電動助力轉(zhuǎn)向閥組的特性將比例集成控制閥塊簡化為通過控制比例換向閥閥芯的左右移動實現(xiàn)液壓油方向和流量的精確控制。由文獻[19]得知電液比例閥控缸的特性，從而獲得液壓缸活塞位移對閥芯位移的傳遞函數(shù)為

(2)

式中XV——比例換向閥閥芯位移，m

Kq——滑閥流量增益

AP——主滑閥閥芯的有效作用面積，m2

wh——主滑閥液壓放大級的固有頻率

ζh——主滑閥液壓放大級的阻尼比

閥控缸系統(tǒng)為非線性傳遞，本文采用PID控制算法實現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)閉環(huán)控制。

預(yù)瞄算法被廣泛地應(yīng)用在機器人的路徑跟蹤上[20]。該算法以車的后軸為切點，縱向車身為切線，通過控制前輪轉(zhuǎn)角δ，使車輛可以沿著一條經(jīng)過預(yù)瞄點的圓弧行駛。高地隙植保機在行間作業(yè)時以低速直線行駛為主，將高地隙植保機簡化為兩輪轉(zhuǎn)向模型，如圖8所示。

圖8 追蹤模型直線跟蹤原理圖Fig.8 Line tracking schematic of pursuit model

圖8中，(Gx，Gy)為規(guī)劃路徑上的預(yù)瞄點；(Cx，Cy)為車輛當(dāng)前位置；Ld為預(yù)瞄距離，即后輪與預(yù)瞄點的距離；La為車身軸距；α為車與預(yù)瞄點的夾角。根據(jù)正弦定理可得到

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式中R——圓弧曲率半徑

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向公式，前輪轉(zhuǎn)角δ為

(6)

由式(5)、(6)可得

(7)

根據(jù)文獻[21]，可得到預(yù)瞄距離計算公式

Ld=Av2+Bv+C

(8)

式中v——車輛行駛速度

A、B、C——常數(shù)

式(8)中等式右邊第1項表示車輛制動距離，A=1/(2amax)，其中amax為車輛最大制動加速度，經(jīng)試驗測量，該植保機最大制動加速度為2 m/s2；第2項表示車輛遇到異常情況進行緊急制動時的車輛反應(yīng)距離，令B為0.2；第3項表示車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑，經(jīng)試驗測量最小轉(zhuǎn)彎半徑為4.0 m。

在給定車體初始位置和航向角下，根據(jù)車輛橫向運動模型計算車輛下一刻的車體位置和航向角等信息，模擬北斗導(dǎo)航反饋給車體的姿態(tài)信息，建立Matlab/Simulink仿真模型如圖9所示。

圖9 高地隙植保機仿真模型Fig.9 Simulation model of plant protection machine with highland clearance

仿真結(jié)果如圖10所示，黑線為規(guī)劃路徑，紅線代表車輛以2 m/s的速度行駛時的行駛軌跡；初始位置橫坐標(biāo)為8 m，縱坐標(biāo)為零，航向角θ設(shè)為0.8π、初始車輪轉(zhuǎn)角為零。圖11分別為前輪偏角控制量隨時間的變化曲線和車輛位置偏差曲線圖，仿真結(jié)果顯示在橫向偏差3 m的情況下，時間在2.9 s時，橫向偏差接近零，之后方向開始回正，7 s后橫向偏差保持為零，滿足高地隙植保機玉米田間作業(yè)要求。

圖10 路徑跟蹤曲線Fig.10 Tracking curve

圖11 仿真效果Fig.11 Simulation effect diagrams

3 田間試驗

3.1 試驗測試平臺搭建

構(gòu)建高地隙植保機輔助駕駛系統(tǒng)試驗平臺，主要包括車身位姿信息采集、上位機控制系統(tǒng)、下位機控制系統(tǒng)，如圖12所示。

系統(tǒng)的主要組成為：雙天線GNSS組合定位系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向閥組、路徑跟蹤控制模塊、鉸接式直線位移傳感器、NI PXI-1036型機箱、PXI6211型板卡、霍爾開關(guān)、轉(zhuǎn)速變送器、比例閥控制器、電子比例控制器；GNSS系統(tǒng)采用的是斗星通C201-AT-680型接收機，實時動態(tài)差分(RTK)水平精度為(10+10-6D)mm，D表示移動站與基準(zhǔn)站距離，km；電源輸入DC 10～32 V；霍爾開關(guān)基本參數(shù)：輸出方式是三線NPN常開，檢測距離4 mm，工作電壓DC 12 V，感應(yīng)方式為磁鐵；轉(zhuǎn)速變送器型號HY194-BS4N，基本參數(shù)：輸入0～60 r/min，輸出DC 0～5 V，齒數(shù)為5齒，精度0.5級，工作電壓DC 12 V；電子比例控制器型號BL1-L12，工作電壓DC 12 V，電流小于25 mA，功率80 W。首先利用雙天線GNSS接收機測得當(dāng)前車身的位姿(經(jīng)度、緯度、航向角等)，上位機采集當(dāng)前位姿信息，并將經(jīng)緯度坐標(biāo)經(jīng)過高斯投影轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系中，最后轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)。同時在上位機中搭建路徑跟蹤控制算法，將已規(guī)劃路徑進行離散化，基于預(yù)瞄距離搜索預(yù)瞄點，利用預(yù)瞄算法獲得期望的前輪偏角。

圖12 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Test system structure diagram

3.2 輔助駕駛行走試驗

為驗證輔助駕駛系統(tǒng)行間行走性能，分別在水泥地和玉米田間兩種工況下進行試驗，玉米生長處于三葉期階段，土質(zhì)較松軟，試驗時以輔助駕駛模式進行路徑跟蹤。考慮到植保機在田間工作時的速度范圍，試驗車速設(shè)定為0.5 m/s，水泥路面試驗在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程園進行、玉米田間試驗在安徽省肥東縣某家庭農(nóng)場進行。水泥路面導(dǎo)航作業(yè)軌跡、橫向偏差、前輪偏角如圖13所示，玉米田間作業(yè)軌跡、橫向偏差、前輪偏角如圖14所示。試驗結(jié)果表明，在水泥路面上，導(dǎo)航的控制偏差均值為5.2 cm，橫向位置偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為3.4 cm。在玉米田間路面上，導(dǎo)航的控制偏差均值為6.8 cm，橫向位置偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為4.8 cm，不同路面條件下導(dǎo)航控制偏差的標(biāo)準(zhǔn)差相近，表明輔助駕駛系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

圖13 水泥路面輔助駕駛試驗結(jié)果Fig.13 Assisted driving test results with concrete pavement

圖14 玉米田間輔助駕駛試驗結(jié)果Fig.14 Assisted driving test results with corn field

4 結(jié)論

(1)針對傳統(tǒng)高地隙植保機作物行間行走容易壓苗的問題，進行了輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計，給出了液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計方案；同時基于預(yù)瞄算法進行了高地隙植保機輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計。

(2)基于NI設(shè)備和LabVIEW軟件設(shè)計了高地隙植保機輔助駕駛系統(tǒng)田間試驗，試驗表明：該系統(tǒng)能夠滿足既定路徑下的行駛，在水泥路面和玉米田間兩種不同的環(huán)境下，橫向位置偏差均值為5.2、6.8 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.4、4.8 cm；該輔助駕駛系統(tǒng)具有良好的行駛穩(wěn)定性和行間作業(yè)精度，能夠滿足作業(yè)需求。