基于北斗-RTK的無人插秧機自動導航關鍵技術應用研究

姜寬舒 高菊玲 于泓 王艷莉 張豐山 何成勇 張善龍

摘要：隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)正在向著自動化、智能化、無人化的趨勢發(fā)展。而農(nóng)村勞動人口外流，勞動力日益短缺和人工成本增加的現(xiàn)象也日益嚴重，尋求新型高效的農(nóng)業(yè)機械作業(yè)方式迫在眉睫。基于北斗導航系統(tǒng)對傳統(tǒng)的機械式插秧機進行自動化改裝，通過安裝北斗-實時動態(tài)（RTK）天線和電動方向盤，利用角度傳感器和位置傳感器，配合比例-積分-微分（PID）模糊控制導航算法，實現(xiàn)插秧機的路徑規(guī)劃和自動導航作業(yè)?；緦⒔?jīng)過差分的衛(wèi)星信號通過通訊模塊傳遞給無人插秧機，實現(xiàn)精確的厘米級定位。使用自動導航插秧機進行水田作業(yè)試驗，系統(tǒng)試驗結果表明自動導航模式下插秧機在轉彎與直行時偏離航道的最大誤差分別為10.2、5.1 cm，基本符合實際作業(yè)的精確度和安全性要求。研究結果可為今后開展智能無人化農(nóng)機裝備的改裝和研發(fā)提供理論和實踐參考。

關鍵詞：北斗-RTK;無人插秧機;自動導航;農(nóng)機裝備;PID模糊控制

中圖分類號： S223.9 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2021）10-0187-04

我國作為農(nóng)業(yè)大國，擁有1.5億hm2基本農(nóng)田，每年有大量的耕、種、管、收等農(nóng)機作業(yè)需求。無人化智能農(nóng)機可大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率，成為當今世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向和必然選擇[1-2]。農(nóng)機的自動導航技術能夠將農(nóng)機操縱者從長時間枯燥的駕駛任務中解放，避免因為疲勞造成的安全問題，同時可以有效提高整體作業(yè)過程中的精度和工作效率，對我國智能化精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展有巨大的推動作用[3-4]。

插秧機相比于其他農(nóng)機最大的不同是其工作環(huán)境，水田的路面不平整會導致插秧機在行駛過程中產(chǎn)生側滑或偏移，單獨使用衛(wèi)星定位會產(chǎn)生較大誤差[5-6]。本研究以農(nóng)業(yè)中的插秧過程為對象，對現(xiàn)有的機械式插秧機進行自動化改裝，保證插秧機在無人駕駛的情況下能夠依靠慣性導航傳感器信息和基于實時動態(tài)（RTK）定位技術的北斗衛(wèi)星信息獲取車體當前的位置、速度、航向、姿態(tài)，當其偏離預定義路徑時，能依靠控制器中的路徑跟蹤策略及時轉向減少誤差。通過田間性能試驗，確定改裝后的無人插秧機自動導航功能的準確性，以期為今后開展智能無人化農(nóng)機裝備的改裝和研發(fā)提供理論和實踐參考。

1 材料與方法

1.1 導航控制系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是我國自主研制、獨立運行的導航系統(tǒng)。北斗由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30個非靜止軌道衛(wèi)星。2019年6月，在軌46顆，三號21顆，基本系統(tǒng)完成，提供全球服務[7]。目前北斗定位精度為10 m，通過北斗地基增強系統(tǒng)的輔助定位，能夠實現(xiàn)動態(tài)亞米級、分米級、厘米級，靜態(tài)毫米級高精度定位。

北斗-RTK無人插秧機的自動導航硬件包括北斗RTK定位系統(tǒng)和轉向執(zhí)行系統(tǒng)2個方面。定位和導航原理是基站將經(jīng)過差分的衛(wèi)星信號通過通訊模塊傳遞給無人插秧機，實現(xiàn)精確的厘米級定位，通過角度傳感器和位置傳感器驅動電機帶動電動方向盤轉動，從而進行航線規(guī)劃和自主巡航。北斗-RTK定位原理如圖1所示。

1.1.1 北斗-RTK接收機的安裝 衛(wèi)星定位接收機選用上海華測導航技術股份有限公司生產(chǎn)的高精度NX300，該套設備是由2個接收機、2個數(shù)傳電臺和2個天線以及部分連接束組成。其中，一個接收機安裝在插秧機上作為移動站，另一個接收機放在地頭作為RTK基站以實現(xiàn)差分定位，現(xiàn)場圖如圖1所示。該設備最大的優(yōu)點在于它的可重復性，它能夠消除衛(wèi)星定位過程中產(chǎn)生的漂移誤差，在消除衛(wèi)星定位累積漂移后，插秧機就能一次又一次地沿著同一路徑進行引導。另外，該接收機集成了定位模塊、速度傳感器和傾角傳感器，能夠對接收到的衛(wèi)星信號進行解算并發(fā)送接收機的經(jīng)緯度、俯仰角、高度、速度、航向角和橫滾角等導航信息。

1.1.2 自動轉向系統(tǒng) 本研究所采用的自動轉向設備是南京天辰禮達電子科技有限公司生產(chǎn)的電動自動方向盤，該電動自動方向盤由步進電機、鏈輪鏈條、編碼器、固定套裝和安裝支撐架組成。其基本工作原理是步進電機作為驅動源帶動小鏈輪轉動，小鏈輪通過鏈條帶動大鏈輪同向轉動，由于大鏈輪與方向盤固定在一起，所以方向盤在動力的作用下就可以進行轉動，從而實現(xiàn)插秧機轉彎。插秧機上加裝有監(jiān)測主變速手柄角度的變化、轉軸轉過的角度以及方向盤轉動的角度的傳感器，控制電機驅動方向盤和靜液壓傳動系統(tǒng)（HST）拉桿，從而實現(xiàn)無人駕駛（圖2）。

1.2 插秧機導航控制方法研究

基于插秧機的自動導航技術主要包括導航傳感器、導航控制算法、路徑規(guī)劃以及插秧機的模型建立等，其中導航控制算法是決定插秧機導航精度的關鍵因素之一。須設計一種合理的導航控制算法，以滿足插秧機在田間的直線作業(yè)行駛和曲線掉頭轉向行駛要求。

1.2.1 插秧機自動導航控制原理 插秧機自動導航控制的目的是使插秧機能按照規(guī)定的預定義路徑實現(xiàn)自動行駛。導航?jīng)Q策的基本過程是通過安裝在插秧機上的北斗-RTK設備、速度傳感器、傾角傳感器等各個傳感器設備來獲取插秧機的實時運動參數(shù)，并將插秧機的實時位置信息和航向信息與預定義路徑相比較，當檢測到插秧機的行駛路徑與期望路徑有偏差時，導航控制算法解算出此時的偏差信息（包括橫向偏差和航向偏差），然后將這些偏差信息輸入到導航?jīng)Q策控制器中，并解算出期望的前輪轉角，將該轉角信息發(fā)送給轉向控制器，由轉向執(zhí)行機構做出相應的調整來控制插秧機前輪轉向進行實時跟蹤期望的前輪轉角，以達到減小偏差的目的，從而實現(xiàn)插秧機的自動轉向（圖3）。

航跡控制是指目標軌跡隨著插秧機的運動發(fā)生變化，在軌跡控制過程中將其目標軌跡與航行目標軌跡實時進行對比，獲取距離偏差，通過控制電動方向盤消除航向偏差和控制速度消除距離偏差。如圖3所示，航跡控制采用雙閉環(huán)控制模式，用一個閉環(huán)控制航向，另一個閉環(huán)控制航速。當對插秧機進行航跡控制時，通過系統(tǒng)攜帶的慣性導航系統(tǒng)獲得插秧機的實時位置（x0，y0）和航向信息，同時通過地面監(jiān)控站獲得系統(tǒng)給定的目標航跡（xr，yr） 。計算可得到當前位置與目標航跡的距離偏差η和航向偏差Δψ。通過雙閉環(huán)控制的方式將航向控制和位置控制相互分離達到有效行進軌跡控制的目的。

1.2.2 比例-積分-微分（PID）模糊控制 自20世紀30年代PID控制算法產(chǎn)生以來，由于該方法具有多功能性、高可靠性和易操作性，一直是工業(yè)控制領域的一種重要手段[8-9]。在農(nóng)用無人插秧機導航控制實際應用方面，經(jīng)典PID控制依然占據(jù)主導地位。以軌跡控制為例，無人插秧機標準PID控制器原理結構框如圖4所示。

由此可見，無人機插秧機航向控制的輸入量由給定量和測量量的偏差Δψ做比例、微分、積分處理后求和得到。比例環(huán)節(jié)的作用是加快系統(tǒng)的響應速度，同時也保證系統(tǒng)對干擾的靈敏度;積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，達到無靜差跟蹤;微分環(huán)節(jié)的作用是保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在采用PID控制過程中，通過調節(jié)這3個參數(shù)來調節(jié)系統(tǒng)的性能。

PID參數(shù)整定是控制器設計的關鍵，整定的方法包括試湊法、衰減曲線法、臨界比例法、Z-N法等，通過這幾種方法進行PID參數(shù)整定都需要一定的經(jīng)驗。其中，衰減曲線法是大量工程人員在試驗的過程中總結出了一套簡單有效的PID參數(shù)整定方法。首先由小到大對比例放大系數(shù)進行調節(jié)，使系統(tǒng)達到衰減比為4 ∶ 1的過渡過程。記錄比例調節(jié)參數(shù)Kp1和振蕩周期Ts1，然后根據(jù)表1中參數(shù)整定方法獲取PID參數(shù)。

1.3 田間試驗

由于插秧機在田間的實際作業(yè)環(huán)境非常復雜，受干擾因素較多，理論研究和仿真分析并不能真實地反映實際情況。為了驗證理論研究的正確性和設備自動導航有效性，在前面研究的基礎上進行插秧機水田路徑規(guī)劃行駛試驗。

1.3.1 試驗場地 為了驗證插秧機路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)的實際使用性能，即導航控制性能，2020年5月10日，在江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院禾木農(nóng)博園實訓基地（119°25′58″E，32°24′51″N）進行水田試驗，試驗現(xiàn)場如圖5所示。試驗水田為標準化農(nóng)田，大小為200 m×300 m。

1.3.2 試驗方法 將接收機的一整套裝備及自動方向盤固定安裝在井關插秧機上，首先人工駕駛插秧機沿著試驗地塊的長邊界行駛一段直線距離以確定插秧機的作業(yè)方向，然后將插秧機開到起始位置，打開天辰禮達路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)并設置插秧機的作業(yè)參數(shù)（作業(yè)地塊的尺寸、行間距、地頭預留間距等），然后觸發(fā)路徑規(guī)劃生成按鈕即可獲得該地塊內的規(guī)劃路徑，最后通過導航控制系統(tǒng)來對插秧機進行控制，使其實現(xiàn)自動導航。

2 結果與分析

如圖6所示，從車輪軌跡可看出插秧機在進行直線導航時能夠保持較好的直線度，只有在轉彎的時候車輪軌跡與預定義路徑偏差比較大，但總體看來插秧機的導航效果比較理想。從圖7中可以看出，插秧機的規(guī)劃路徑與預定義路徑的重合度在直線段較高，在轉彎段有稍微偏差。路徑跟蹤的平均誤差為4.3 cm，最大跟蹤誤差為10.2 cm，最大跟蹤誤差出現(xiàn)在插秧機轉彎過程中，但直線作業(yè)段路徑跟蹤的平均誤差為3.6 cm，最大跟蹤誤差為 5.1 cm。由于插秧機在進行田間作業(yè)時，只有在直線段進行插秧，轉彎段不進行插秧，所以轉彎誤差對插秧機的實際作業(yè)效果影響不大。又由于直線路徑跟蹤誤差在插秧機作業(yè)時允許的誤差范圍內，表明該導航控制算法及自動化改裝具有良好的導航效果。

3 結論

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)正在向著自動化、智能化、無人化的趨勢發(fā)展。農(nóng)機的自動導航技術能夠將農(nóng)機操縱者從長時間枯燥的駕駛任務中解放出來，避免因為疲勞造成的安全問題，同時可以有效提高整體作業(yè)過程中的精度和工作效率，對我國智能化精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展有巨大的推動作用。本研究基于北斗導航定位系統(tǒng)對傳統(tǒng)的機械式插秧機進行了自動化改裝，通過安裝北斗-RTK天線和電動方向盤，利用角度傳感器和位置傳感器，配合PID模糊控制導航算法，實現(xiàn)插秧機的路徑規(guī)劃和自動導航作業(yè)。基站將經(jīng)過差分的衛(wèi)星信號通過通訊模塊傳遞給無人插秧機，實現(xiàn)精確的厘米級定位。使用自動導航插秧機進行了水田作業(yè)試驗，系統(tǒng)試驗結果表明自動導航模式下插秧機在轉彎與直行時偏離航道的最大誤差分別為10.2、5.1 cm，基本符合實際作業(yè)的精確度和安全性要求。可以為今后開展智能無人化農(nóng)機裝備的改裝和研發(fā)提供理論和實踐參考。

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