葡萄園拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊舜禾，楊術(shù)明，李茂強(qiáng)，王乾

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

葡萄是一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的水果，但葡萄不同于大田作物，其生產(chǎn)技術(shù)流程較為復(fù)雜.在葡萄的生長(zhǎng)過(guò)程中需要伴隨起藤、施肥、剪枝、收獲、埋藤等一系列作業(yè).其中拖拉機(jī)是葡萄園內(nèi)作業(yè)的主要?jiǎng)恿?lái)源，但由于駕駛員的駕駛水平存在差異，從而導(dǎo)致了作業(yè)生產(chǎn)效率低、農(nóng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性差等不良現(xiàn)象的產(chǎn)生[1].所以需要大力發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)，以解決上述弊端并順應(yīng)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì).

由于GPS技術(shù)的巨大成功，美國(guó)最早展開(kāi)農(nóng)業(yè)機(jī)械衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)研究，O′Connor等基于約翰迪爾7800型拖拉機(jī)開(kāi)發(fā)了一套GPS導(dǎo)航系統(tǒng)[2]，在工廠環(huán)境下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，導(dǎo)航精準(zhǔn)度可以達(dá)到厘米級(jí)；Tosaki等研制一種在果園環(huán)境使用的鼓風(fēng)噴霧機(jī)器人，采用模糊控制方法引導(dǎo)機(jī)器人前行[3]，導(dǎo)航精準(zhǔn)度高，但是需要事先埋設(shè)電纜；GUEVARA等開(kāi)發(fā)了基于機(jī)器視覺(jué)與GPS融合的農(nóng)田作物檢測(cè)機(jī)器人，通過(guò)圖像處理完成作物行跟蹤，使用模糊控制實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航[4]，用于低矮作物;國(guó)內(nèi)對(duì)于農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)的研究起步較晚，但近些年來(lái)發(fā)展非常迅速[5].張志剛等在久保田插秧機(jī)上開(kāi)發(fā)了基于DGPS的電子羅盤(pán)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)[6]，并在水泥路面上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)；周俊等研發(fā)了基于視覺(jué)的農(nóng)用輪式移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)[7]，但采用綠籬模擬農(nóng)作物行開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；王晨等設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用車(chē)輛視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)[8]，但視覺(jué)系統(tǒng)受光照條件限制.

現(xiàn)階段的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)大多針對(duì)大田作業(yè).大田作業(yè)前，通常使用激光平地儀對(duì)地面進(jìn)行平整.但由于埋藤、起藤等作業(yè)對(duì)葡萄園地面破壞較大，使得拖拉機(jī)行走時(shí)極易偏航，且葡萄行間兩側(cè)有支架，當(dāng)拖拉機(jī)偏離航線時(shí)，需要快速修正以免拖拉機(jī)碰撞籬架.現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)葡萄園作業(yè)的適應(yīng)性不強(qiáng).所以，開(kāi)發(fā)一套適應(yīng)葡萄園復(fù)雜地形的拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的作用.本文針對(duì)葡萄園地面坑洼不平特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套適用于葡萄園內(nèi)的拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)在葡萄園導(dǎo)航時(shí)快速駛?cè)腩A(yù)定軌跡，并且能快速修正因復(fù)雜地形造成拖拉機(jī)偏航，使拖拉機(jī)回到預(yù)定路徑.

1 材料與方法

1.1 導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

葡萄的種植模式為上架種植，即將葡萄藤固定在葡萄支架上生長(zhǎng).單臂籬架每行設(shè)1個(gè)架面，行距2.5 m時(shí)，架高1.5～1.8 m；行內(nèi)每間隔4～6 m設(shè)一立柱，柱上每隔50 cm拉一道橫向鐵絲.葡萄種植模式如圖1.

1：土壤；2：鐵絲；3：葡萄枝藤；4：?jiǎn)伪刍h架；5：重物.1：Soil；2：Iron wire；3：Grape vine；4：One-arm hedge；5：Heavy weight.圖1 葡萄籬架示意圖Figure 1 Schematic diagram of grape hedge

導(dǎo)航方式采用A、B點(diǎn)導(dǎo)航，即在兩行葡萄之間確定拖拉機(jī)的行駛起點(diǎn)及終點(diǎn)(既A、B點(diǎn))，將兩點(diǎn)的連線作為導(dǎo)航線的基準(zhǔn)線.然后，根據(jù)葡萄種植的行間距及行數(shù)，生成一系列平行于基準(zhǔn)線的導(dǎo)航線作為拖拉機(jī)的工作路徑.導(dǎo)航方式示意圖如圖2所示.

1：導(dǎo)航基準(zhǔn)線；2：?jiǎn)伪刍h架；3：鐵絲；4：生成預(yù)設(shè)路徑.1：Navigation reference line；2：One-arm fence；3：Iron wire；4：Generate preset path.圖2 導(dǎo)航方式示意圖Figure 2 Navigation mode diagram

當(dāng)拖拉機(jī)行駛在葡萄行間時(shí)，通過(guò)拖拉機(jī)實(shí)時(shí)的位置信息與預(yù)設(shè)工作路徑作比較，可計(jì)算出拖拉機(jī)的橫向偏差與航向偏差.導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)偏差計(jì)算出拖拉機(jī)前輪期望轉(zhuǎn)角并將指令傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而減小偏差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航功能，導(dǎo)航系統(tǒng)原理框圖如圖3所示.

1.2 導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

葡萄園拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)主要由拖拉機(jī)、GNSS接收機(jī)和天線、控制器、轉(zhuǎn)向控制裝置、前輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)裝置.本文選用昊田454-G型拖拉機(jī)，外形尺寸為3 500 mm×1 560 mm×1 965 mm，軸距1 750 mm.GNSS接收機(jī)為北斗專(zhuān)用接收電臺(tái)，可接受差分信號(hào)范圍30 km，差分定位精度：水平精度(±1 cm+1 mm/km)，垂直精度()±2 cm+1 mm/km).控制器采用ASUS筆記本.考慮葡萄園地面坑洼不平會(huì)導(dǎo)致拖拉機(jī)顛簸，轉(zhuǎn)向控制裝置選用MOOG SD系列伺服電機(jī)，伺服電機(jī)與方向盤(pán)通過(guò)1∶2的齒輪傳動(dòng)，而非齒輪直接傳動(dòng).避免由于顛簸帶來(lái)的沖擊載荷造成嚙合齒輪碰撞損壞伺服電機(jī).伺服電機(jī)的分辨率為4 000 C/Rev，輸出轉(zhuǎn)矩0.28～0.45 N/m,空載最大轉(zhuǎn)速10 400 r/min.前輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)裝置選用邦赫BH38角度傳感器，分辨率為分辨率0.088°，傳輸頻率1 Hz.試驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖4所示.

圖3 導(dǎo)航系統(tǒng)原理框圖Figure 3 Navigation system block diagram

圖4 試驗(yàn)平臺(tái)Figure 4 Experimental platform

1.3 導(dǎo)航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

導(dǎo)航系統(tǒng)軟件選擇Qt Creator作為導(dǎo)航軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境.Qt Creator是一個(gè)用于Qt開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)跨平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[9-10].具有定性好、運(yùn)行效率高，實(shí)時(shí)性好與人機(jī)交互性強(qiáng)等特點(diǎn).并且Qt Creator的模塊化程度非常高，可重用性較好，對(duì)于用戶開(kāi)發(fā)各種軟件非常方便.因此，選擇Qt Creator作為導(dǎo)航軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以滿足導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求.

1.3.1 總體功能結(jié)構(gòu) 導(dǎo)航控制系統(tǒng)的顯示界面是人機(jī)交互的窗口，用于顯示導(dǎo)航過(guò)程各傳感器信息及拖拉機(jī)行駛狀態(tài)等.導(dǎo)航系統(tǒng)軟件可分為人機(jī)交互模塊、串口通訊模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊.導(dǎo)航控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的具體功能如圖5所示.

1.3.2 人機(jī)交互模塊 良好的人機(jī)交互界面可以使導(dǎo)航系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)更加直觀且容易操作.根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)功能的模塊化分析，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)軟件界面進(jìn)行設(shè)計(jì).系統(tǒng)軟件的主界面如圖6所示.

1.3.2 串口通訊模塊導(dǎo)航平臺(tái)擁有多個(gè)傳感器，系統(tǒng)需要保持各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)要保證數(shù)據(jù)同步，所以串口通訊模塊采用多線程模式編程[11].本文使用QT5所提供的串口編程模塊Qt-SerialPort[12-14].在編寫(xiě)各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)讀寫(xiě)串口時(shí)，通過(guò)調(diào)用QT5提供的QtThread函數(shù)創(chuàng)建線程.使用readyRead函數(shù)監(jiān)視是否有數(shù)據(jù)進(jìn)入讀寫(xiě)緩沖區(qū)，并對(duì)接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，判斷是否為一個(gè)完整數(shù)據(jù);為保證線程之間的同步，在對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行寫(xiě)入與讀取時(shí)，使用互斥類(lèi)QMutex對(duì)象來(lái)訪問(wèn)同一個(gè)內(nèi)存空間.

圖5 導(dǎo)航控制系統(tǒng)功能圖Figure 5 Functional diagram of the navigation control system

圖6 導(dǎo)航控制系統(tǒng)主界面Figure 6 Navigation control system main interface

1.3.3 數(shù)據(jù)處理模塊 串口通訊模塊將校驗(yàn)后的完整數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊.數(shù)據(jù)處理模塊首先將接收到的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，因?yàn)镚PS接收到的數(shù)據(jù)是在大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，不能直接用于導(dǎo)航，需要先將大地坐標(biāo)下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成地方空間直角坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)[15].然后與預(yù)設(shè)路徑參數(shù)進(jìn)行對(duì)比得出實(shí)時(shí)橫向偏差及航向偏差，由導(dǎo)航控制算法根據(jù)偏差計(jì)算出前輪期望轉(zhuǎn)角，主要代碼如下：

void GpsThread::llh2enu(double lon,double lat,double h，double heading)

{

……

gps2enu(lon,lat,h,e,n,u);//坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

m_headingerror=calHeadingError(heading,m_targetheading);//計(jì)算航向偏差

m_diserror=calDisError(e,n);//計(jì)算橫向偏差

angle=fuzzy(headingerror,-m_diserror);//計(jì)算前輪期望轉(zhuǎn)角

……

}

然后，導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算出的前輪轉(zhuǎn)角控制伺服電機(jī)順時(shí)或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)前輪安裝的角度傳感器，當(dāng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)到期望角度時(shí)，則停止伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，主要代碼如下：

void MotorThread::controlmotor()

{

……

m_AngleSensor->GetAngle(angle);//獲取當(dāng)前前輪轉(zhuǎn)角

If(fabs(targetangle-angle)<0.2)//判斷前輪是否達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)角

{

curTxStr=“S”

m_mutex.lock();

QSerialPort*pTxSerial = m_pCurSerial;

pTxSerial->write(curTxStr.toLocal8Bit());

\發(fā)送停止指令

m_mutex.unlock();

}

……

}

1.3.4 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊 為了實(shí)現(xiàn)后期理論驗(yàn)證及誤差分析，拖拉機(jī)作業(yè)的預(yù)設(shè)路徑及車(chē)輛行駛軌跡和系統(tǒng)參數(shù)信息，都需要進(jìn)行保存.導(dǎo)航系統(tǒng)通過(guò)QT5模塊的QFile的setFileName函數(shù)創(chuàng)建文本文件形式保存所需的數(shù)據(jù).主要代碼如下：

void MotorThread::SetSaveFile(const QString &setfilename)

{

……

QString txFileName = setfilename + "motor.csv";//建立文本名稱(chēng)

m_rxfile.setFileName(rxFileName);//建立文本

……

}

1.4 導(dǎo)航系統(tǒng)控制方法

1.4.1 建立模型 建立合理的拖拉機(jī)系統(tǒng)模型不僅是設(shè)計(jì)導(dǎo)航控制算法的前提，也是實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)導(dǎo)航的基礎(chǔ).建立拖拉機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型十分復(fù)雜，與其動(dòng)力學(xué)特性與車(chē)輛輪胎、作業(yè)環(huán)境及各種系統(tǒng)誤差有緊密的關(guān)系[16]，但這些數(shù)據(jù)在拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)很難采集.所以本文基于拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性建立了拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并且將拖拉機(jī)輪胎視為剛體，不考慮輪胎與地面的側(cè)向滑動(dòng)，將拖拉機(jī)4輪運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)化為2輪運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖7所示.

圖7 2輪運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Figure 7 2-wheel kinematics model

其中，x，y，o為拖拉機(jī)所在坐標(biāo)系，β為拖拉機(jī)的航向角，α為拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角，v為拖拉機(jī)行駛速度，l為拖拉機(jī)的前后輪輪距.

根據(jù)2輪簡(jiǎn)化模型可得出拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

(1)

在建立拖拉機(jī)的運(yùn)動(dòng)模型后，需要確定拖拉機(jī)的控制算法.模糊控制是一種將專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)以模糊規(guī)則的形式表達(dá)的控制策略,通過(guò)模糊推理對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)做出正確的決策,且無(wú)需精準(zhǔn)的農(nóng)機(jī)模型[17-19].但葡萄園植保作業(yè)造成地面坑洼不平，導(dǎo)致拖拉機(jī)駛?cè)腩A(yù)定路徑難度較大且當(dāng)沿預(yù)定路徑行駛時(shí)極易航，傳統(tǒng)模糊控制的適應(yīng)性差，可能導(dǎo)致消除誤差響應(yīng)過(guò)慢，使得拖拉機(jī)碰撞到葡萄籬架.所以本文采用變論域模糊控制解決此問(wèn)題.

1.4.2 變論域的模糊控制原理 變論域模糊控制是在模糊控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)被控對(duì)象的輸入?yún)?shù)對(duì)模糊控制器的論域經(jīng)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了模糊控制系統(tǒng)的自適應(yīng).模糊論域的實(shí)時(shí)調(diào)整，可以提高模糊控制的自適應(yīng)能力.同時(shí)模糊論域的實(shí)時(shí)調(diào)整，降低了初始論域所需的準(zhǔn)確性，克服了由于經(jīng)驗(yàn)不足所設(shè)定的初始論域偏差較大，導(dǎo)致控制精度不足的情況[20].

1.4.3 變論域模糊控制器設(shè)計(jì) 模糊控制的核心是模糊控制器的設(shè)計(jì)，模糊控制器由模糊化、模糊規(guī)則庫(kù)、模糊推理機(jī)和去模糊化4個(gè)部分組成.

模糊化是把輸入量xi和yi轉(zhuǎn)換成模糊量，Xi=[-E,E]和Yi=[-U,U]分別是xi和yi的取值范圍，也稱(chēng)為論域.而變論域是指Xi和Yi可以隨著xi和yi的變化而變化.記為：

Xi(xi)=[-αi(xi)E,αi(xi)E]Yi(yi)=[-βi(yi)U,βi(yi)U]

(2)

式中，αi(xi)和βi(yi)(i=1,2,…,n)為輸入論域的伸縮因子.本文采用如下的伸縮因子：

(3)

式中，γ∈(0，1)，ki為模糊控制器的輸入量，E為初始論域的最大值.

由于模糊控制器的輸入論域隨著收縮因子φi(ki)變化而變化，模糊控制器的輸出論域也需乘上相應(yīng)的收縮因子ωi(ji)，從而保證模糊控制器的自適應(yīng)性提高.根據(jù)模糊控制規(guī)律可知，輸出論域變化趨勢(shì)與輸入論域趨勢(shì)相同，即輸出量的收縮因子ωi(ji)與輸入量的收縮因子φi(ki)呈線性關(guān)系.所以輸出量的收縮因子ωi(ji)=φi(ki)+b.

本文模糊控制器的輸入變量為拖拉機(jī)行駛過(guò)程中的橫向偏差和航向偏差，輸出變量為拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)角.首先，設(shè)置輸入變量的初始論域.然后，系統(tǒng)根據(jù)橫向偏差和航向偏差計(jì)算收縮因子來(lái)調(diào)整輸入變量的論域.論域隨著輸入的橫向偏差和航向偏差減小而減小.在模糊規(guī)則形式不變的前提下，論域收縮相當(dāng)于增加規(guī)則，提高了系統(tǒng)的控制精度[21].當(dāng)拖拉機(jī)偏離預(yù)定路徑較遠(yuǎn)時(shí)，論域收縮較小，此時(shí)系統(tǒng)控制精度不高但是系統(tǒng)響應(yīng)幅度較大，拖拉機(jī)可以快速駛向預(yù)定路徑.當(dāng)拖拉機(jī)偏離預(yù)定路徑交近時(shí)，論域收縮較大，此時(shí)系統(tǒng)控制精度提高，拖拉機(jī)行駛更加平穩(wěn).

試驗(yàn)平臺(tái)選用拖拉機(jī)的寬度為1.56 m，試驗(yàn)場(chǎng)地葡萄種植行間距為2.5 m，拖拉機(jī)在在葡萄行間左右可活動(dòng)距離為0.47 m，但考慮拖拉機(jī)從地頭駛?cè)肫咸研虚g的初始位置不確定，則在可活動(dòng)距離的基礎(chǔ)上，再增加一段距離作為作為拖拉機(jī)橫向偏差的初始論域范圍.規(guī)定當(dāng)拖拉機(jī)位于導(dǎo)航線的右側(cè)時(shí)橫向偏差為正，左側(cè)時(shí)為負(fù).則橫向偏差的初始論域?yàn)閇-0.7,0.7](m);量化等級(jí)為{-7,-6，-5，-4,-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5,6,7}，量化因子為Kd=0.1;試驗(yàn)場(chǎng)地地頭寬6 m,拖拉機(jī)車(chē)身長(zhǎng)3.5 m，拖拉機(jī)初始航向與葡萄種植方向偏差不會(huì)大于45°，否則拖拉機(jī)無(wú)法正常駛?cè)肫咸研虚g.規(guī)定航向偏差前輪右轉(zhuǎn)時(shí)為正，左轉(zhuǎn)時(shí)為負(fù)，基本論域?yàn)閇-45，45](°)，量化等級(jí)與橫向偏差相同，量化因子為 Kh= 0.15.將前輪期望轉(zhuǎn)角作為模糊控制器的輸出變量，基本論域?yàn)閇-15,15](°)，量化因子為 Kh= 3.量化等級(jí)與橫向偏差相同.

模糊控制規(guī)則也稱(chēng)模糊控制算法，是模糊控制器設(shè)計(jì)的核心.本文根據(jù)拖拉機(jī)與預(yù)設(shè)路徑位置關(guān)系，結(jié)合司機(jī)駕駛習(xí)慣及經(jīng)驗(yàn)建立了如表1所示的模糊控制規(guī)則.

表1 模糊控制規(guī)則

其中NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB表示7個(gè)模糊子集，分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，且7個(gè)模糊子集的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬度函數(shù).D、H、θ分別表示拖拉機(jī)的位置偏差、航向偏差和期望前輪轉(zhuǎn)角.

本文采用加權(quán)平均法，將模糊控制器輸出期望前輪轉(zhuǎn)角的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量.

(5)

式中，xi(i=1,2,…,n)為論域X上的元素，μU(xi)為xi所對(duì)應(yīng)模糊集合U的隸屬度函數(shù).

1.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)導(dǎo)航算法及開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)軟件進(jìn)行驗(yàn)證，選取寧夏農(nóng)林科學(xué)院西側(cè)的葡萄種植基地作為試驗(yàn)場(chǎng)地，葡萄園的種植行間距為2.5 m,葡萄枝藤高2 m,種植行數(shù)為15行.設(shè)定拖拉機(jī)的初始橫向偏差為10 cm，由于葡萄園復(fù)雜地形容易導(dǎo)致拖拉機(jī)偏離預(yù)定路徑，控制系統(tǒng)需要提高控制頻率以快速修正偏差，使拖拉機(jī)回到預(yù)定路徑.控制周期選為0.4 s，參照拖拉機(jī)在葡萄園內(nèi)起藤時(shí)的作業(yè)速度，拖拉機(jī)的行駛速度分別選為0.25、0.35 m/s.試驗(yàn)場(chǎng)地如8所示.

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Figure 8 Experimental field

2 結(jié)果與分析

拖拉機(jī)分別以0.25、0.35 m/s速度的路徑跟蹤誤差曲線圖如圖9～10所示.

圖9 拖拉機(jī)行駛速度0.25 m/s誤差曲線Figure 9 Tractor travel speed 0.25 m/s error curve

由圖9可知，當(dāng)拖拉機(jī)以0.25 m/s的速度行駛在葡萄園中時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)控制拖拉機(jī)在行駛3.5 m后，消除初始橫向偏差，拖拉機(jī)駛?cè)腩A(yù)定軌跡，并控制拖拉機(jī)較為穩(wěn)定的行駛，控制橫向偏差在±6 cm范圍內(nèi)，最大橫向偏差絕對(duì)值為5.36 cm,橫向偏差平均值為2.46 cm，均方差為3.04 cm.

圖10 拖拉機(jī)行駛速度0.35 m/s誤差曲線Figure 10 Tractor travel speed 0.35 m/s error curve

由圖10可知，拖拉機(jī)以0.35 m/s的速度行駛在葡萄園中時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)控制拖拉機(jī)在行駛1.5 m后，消除初始橫向偏差，拖拉機(jī)駛?cè)腩A(yù)定路徑，并且當(dāng)拖拉機(jī)遇到坑洼地勢(shì)偏離預(yù)定路徑，導(dǎo)航系統(tǒng)控制拖拉機(jī)在行駛2.5 m后，消除橫向偏差回到預(yù)定路徑，控制橫向偏差在±7 cm范圍內(nèi)，最大橫向偏差絕對(duì)值為14.68 cm,橫向偏差平均值為2.77 cm，均方差為3.28 cm.導(dǎo)航偏差結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示.

表2 導(dǎo)航偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3 結(jié)論

本文以葡萄園拖拉機(jī)導(dǎo)航控制為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套導(dǎo)航控制系統(tǒng)，為了解決葡萄園復(fù)雜地形造成拖拉機(jī)容易偏離預(yù)定路徑及偏離路徑后需快速修正偏差以免碰撞籬架的問(wèn)題，該系統(tǒng)采用變論域模糊控制方法.并且根據(jù)葡萄種植行間距及拖拉機(jī)寬度和地頭預(yù)留位置，設(shè)置變論域模糊控制參數(shù).經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)拖拉機(jī)在葡萄園內(nèi)分別以0.25、0.35 m/s速度沿預(yù)設(shè)路徑行駛時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)控制拖拉機(jī)行駛橫向位置偏差絕對(duì)值的最大值分別為5.36、14.68 cm，平均偏差的絕對(duì)值分別為2.46、2.77 cm，均方根偏差值依次為3.04、3.28 cm.當(dāng)拖拉機(jī)遇到坑洼地形出現(xiàn)較大的位置偏差時(shí)，導(dǎo)航控制系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地糾正偏差，使拖拉機(jī)繼續(xù)沿預(yù)定路徑行駛.表明此控制系統(tǒng)基本滿足拖拉機(jī)在葡萄園內(nèi)導(dǎo)航作業(yè)需求.

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航控制效果隨拖拉機(jī)輛速度提高而下降，本文后續(xù)研究將考慮拖拉機(jī)速度對(duì)控制效果的影響，對(duì)現(xiàn)有的控制算法進(jìn)行改進(jìn)，使導(dǎo)航控制系統(tǒng)對(duì)速度具有自適應(yīng)能力，以提高導(dǎo)航控制系統(tǒng)的魯棒性、精準(zhǔn)性和實(shí)用性.