拖拉機(jī)機(jī)組無(wú)人作業(yè)協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊 洋 查家翼 李延凱 王韋韋 許良元 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院(安徽省人工智能實(shí)驗(yàn)室)， 合肥 230036)

0 引言

隨著農(nóng)機(jī)裝備智能化水平的提高，無(wú)人農(nóng)場(chǎng)已成為未來(lái)農(nóng)業(yè)裝備智能化發(fā)展的趨勢(shì)[1]。無(wú)人農(nóng)場(chǎng)要求拖拉機(jī)機(jī)組全程無(wú)人干預(yù)作業(yè)，拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠顯著提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，已大量推廣應(yīng)用[2]。但當(dāng)前缺少拖拉機(jī)無(wú)人駕駛與作業(yè)機(jī)組集成控制方面的研究。

拖拉機(jī)機(jī)組智能化研究主要分為拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛控制與機(jī)具智能控制兩部分[3-4]。當(dāng)前，對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航研究較為深入，主要基于差分全球定位系統(tǒng)(Difference global positioning system，DGPS)獲取位姿信息，通過(guò)對(duì)農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行線(xiàn)控改裝，采用基于模糊控制、純跟蹤模型等算法進(jìn)行路徑跟蹤控制，完成農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制[5-12]。

在機(jī)具作業(yè)的智能控制方面，當(dāng)前對(duì)播種機(jī)研究較多，主要從漏播檢測(cè)、播深控制、播種機(jī)下壓力控制等方面開(kāi)展研究，取得大量研究成果[13-14]。孫傳祝等[15]研發(fā)了馬鈴薯精密播種機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了播種株距和重種漏種的自動(dòng)控制。吳南等[16]針對(duì)免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)存在漏播問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種漏播自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。白慧娟等[17]設(shè)計(jì)了玉米播種機(jī)播深控制系統(tǒng)，提高了玉米播深合格率和一致性，并保持適宜的壓實(shí)度。高原源等[18]設(shè)計(jì)了一種多行播種機(jī)下壓力和播深控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller area network，CAN)總線(xiàn)監(jiān)控與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精密播種作業(yè)中播種下壓力和播深的實(shí)時(shí)監(jiān)控和質(zhì)量評(píng)價(jià)。此外，還有學(xué)者開(kāi)展旋耕機(jī)耕深監(jiān)測(cè)[19]、旋耕機(jī)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)[20]，以提高旋耕作業(yè)質(zhì)量自動(dòng)化監(jiān)測(cè)水平和作業(yè)質(zhì)量。

綜合以上研究，當(dāng)前對(duì)于拖拉機(jī)導(dǎo)航和機(jī)具智能化設(shè)計(jì)，取得大量研究成果，但是對(duì)于拖拉機(jī)機(jī)組協(xié)同控制研究的較少。本文以拖拉機(jī)播種機(jī)組為研究對(duì)象，研究播種作業(yè)路徑規(guī)劃、拖拉機(jī)無(wú)人駕駛硬件設(shè)計(jì)、拖拉機(jī)播種機(jī)組協(xié)同控制等，以期為拖拉機(jī)機(jī)組無(wú)人作業(yè)提供技術(shù)支撐。

1 機(jī)組作業(yè)集成控制總體方案

作業(yè)集成控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，控制系統(tǒng)分為規(guī)劃層、決策層和執(zhí)行層，通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)組控制策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)組無(wú)人作業(yè)。規(guī)劃層由北斗定位模塊、作業(yè)路徑規(guī)劃模塊和作業(yè)路徑跟蹤模塊組成。其中，北斗定位模塊負(fù)責(zé)提供車(chē)體位姿信息；作業(yè)路徑規(guī)劃模塊用于規(guī)劃拖拉機(jī)機(jī)組作業(yè)路徑，包含播種機(jī)組作業(yè)軌跡、播種機(jī)具工作狀態(tài)控制標(biāo)記信息；作業(yè)路徑跟蹤模塊用于拖拉機(jī)機(jī)組橫向/縱向運(yùn)動(dòng)控制。決策層硬件為工控機(jī)，決策層根據(jù)當(dāng)前作業(yè)工況和農(nóng)藝要求決策拖拉機(jī)機(jī)組動(dòng)作指令，并通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送至執(zhí)行層，實(shí)現(xiàn)控制拖拉機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、油門(mén)踏板、制動(dòng)器、離合器自動(dòng)執(zhí)行以及機(jī)具提升機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制。執(zhí)行層與決策層通過(guò)CAN總線(xiàn)完成通信。

圖1 無(wú)人作業(yè)機(jī)組集成控制系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of integrated control system for unmanned operation unit

如圖2所示，選擇黃海金馬554型拖拉機(jī)進(jìn)行無(wú)人駕駛執(zhí)行層改裝，設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器控制拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向[21]，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)帶有位置反饋的推桿電機(jī)控制離合器、制動(dòng)器和油門(mén)踏板，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)縱向運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)電機(jī)+減速器驅(qū)動(dòng)后懸掛提升機(jī)構(gòu)，在后懸臂旋轉(zhuǎn)軸位置安裝角度傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)具提升高度的閉環(huán)控制，通過(guò)播深標(biāo)定，完成播種深度精確控制。

圖2 拖拉機(jī)無(wú)人播種機(jī)組Fig.2 Tractor unmanned seeding unit

拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)組各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的CAN總線(xiàn)通信設(shè)計(jì)如圖3所示，選用CAN總線(xiàn)通信方式作為機(jī)組的控制網(wǎng)絡(luò)[22-23]，通信速率500 kb/s，通信介質(zhì)為阻抗120 Ω雙絞線(xiàn)。數(shù)據(jù)傳輸采用CAN標(biāo)準(zhǔn)幀，并對(duì)其8位數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行了重新定義。

圖3 CAN總線(xiàn)通信設(shè)計(jì)Fig.3 CAN bus communication design

為了提高作業(yè)機(jī)組控制的實(shí)時(shí)性，設(shè)定CAN報(bào)文的收/發(fā)頻率為50 Hz。為避免各子系統(tǒng)與上位機(jī)通信出現(xiàn)故障而產(chǎn)生危險(xiǎn)，設(shè)定超過(guò)200 ms未接收到CAN報(bào)文，機(jī)組停止作業(yè)，并發(fā)出警報(bào)。

2 規(guī)劃層設(shè)計(jì)

2.1 作業(yè)路徑規(guī)劃

作業(yè)路徑規(guī)劃是無(wú)人作業(yè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，操作者輸入田塊邊界地理位置信息、播種幅寬、拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑，自動(dòng)生成一系列由經(jīng)度/緯度點(diǎn)集構(gòu)成的播種路徑。路徑規(guī)劃示意圖如圖4所示，包括直線(xiàn)播種區(qū)域和地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域。圖中，H和W分別為田塊長(zhǎng)度和寬度，m；A、B、C、D分別為田塊邊界點(diǎn)；b1為直線(xiàn)播種區(qū)域播種幅寬，m；b2為直線(xiàn)播種區(qū)與田塊左側(cè)邊界距離，m；b3為地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域?qū)挾龋琺。與此同時(shí)，在規(guī)劃全局路徑時(shí)將直線(xiàn)播種區(qū)域與地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域的交點(diǎn)設(shè)定為播種機(jī)提升控制標(biāo)記點(diǎn)，作為后期路徑跟蹤機(jī)具提升控制操縱標(biāo)志點(diǎn)。

圖4 路徑規(guī)劃整體示意圖Fig.4 Overall schematic of path planning

根據(jù)田塊經(jīng)度/緯度坐標(biāo)計(jì)算田塊寬度和田塊長(zhǎng)度

(1)

式中LlatA、LlatB、LlatD——田塊點(diǎn)A、B、D的緯度坐標(biāo)，(°)

r——地球半徑，m

根據(jù)田塊長(zhǎng)度、播種幅寬、播種區(qū)域田塊邊界距離，得到播種行數(shù)T表達(dá)式為

(2)

式中 int()——取整函數(shù)

播種軌跡由一系列經(jīng)度/緯度坐標(biāo)點(diǎn)集組成，直線(xiàn)播種區(qū)域第i(1≤i≤T)行點(diǎn)集的計(jì)算公式為

(3)

s——第i條直線(xiàn)路徑經(jīng)度/緯度坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)量

d——直線(xiàn)段規(guī)劃相鄰兩點(diǎn)的間距,m

α——規(guī)劃播種段軌跡方向角，即播種軌跡與地球正北方向順時(shí)針夾角，(°)

?——起始規(guī)劃段播種軌跡方向角,(°)

地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域路徑規(guī)劃模型如圖5所示，由兩段半徑為R的1/4圓弧與直線(xiàn)過(guò)渡段組成。

圖5 地頭轉(zhuǎn)向路徑規(guī)劃模型Fig.5 Ground steering path planning model

地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域第i(1≤i≤T)個(gè)轉(zhuǎn)向區(qū)路徑規(guī)劃過(guò)程分為3個(gè)步驟，具體描述如下：

(1)規(guī)劃圓弧Wi,1Wi,2段。根據(jù)上文直線(xiàn)段規(guī)劃算法得到點(diǎn)Wi,1的經(jīng)度/緯度坐標(biāo)、表1查詢(xún)得到方向角θ2數(shù)值，以及已知圓弧半徑R，計(jì)算得出Wi,1Wi,2段圓弧圓心Oi,1點(diǎn)的經(jīng)度/緯度坐標(biāo)(LlonOi,1,LlatOi,1)。根據(jù)圓心Oi,1與Wi,1連線(xiàn)和正北方向可得出之間夾角θ3。

表1 規(guī)劃路徑參數(shù)選擇Tab.1 Selection of planning path parameters

圓弧Wi,1Wi,2段經(jīng)緯度點(diǎn)集數(shù)量n計(jì)算式為

(4)

式中 Δθ——圓弧段相鄰規(guī)劃點(diǎn)的角度差,(°)

第i(1≤i≤T)行、第j(1≤j≤n)個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算表達(dá)式為

(5)

θ——圓弧段中規(guī)劃點(diǎn)到所在圓心的連線(xiàn)與正北方向順時(shí)針夾角，(°)

其中方向角θ=θ3+k1jΔθ，θ3為Wi,1Oi,1兩點(diǎn)連線(xiàn)與正北方向夾角，k1為方向系數(shù)。

(2)直線(xiàn)段Wi,2Wi,3的起點(diǎn)坐標(biāo)為圓弧Wi,1Wi,2段的Wi,2點(diǎn)坐標(biāo)，規(guī)劃方法與上文直線(xiàn)播種區(qū)域規(guī)劃相同，其中方向角為θ4。Wi,2Wi,3段的點(diǎn)集數(shù)量g計(jì)算公式為

(6)

式中b4——地頭轉(zhuǎn)向區(qū)域路徑規(guī)劃模型Wi,1、Wi,4兩點(diǎn)之間距離,m

(3) 最后規(guī)劃圓弧段Wi,3Wi,4。根據(jù)式(5)重復(fù)步驟(1)中的流程，得到此圓弧段經(jīng)緯度坐標(biāo)點(diǎn)集。其中方向角θ=θ6+k2jΔθ，θ6為Wi,3、Oi,2連線(xiàn)與正北方向夾角，k2為方向系數(shù)。

上述提及的θ2、θ3、θ4、θ5、θ6、k1、k2以及b4參數(shù)值與i取值相關(guān)，具體關(guān)系見(jiàn)表1。

對(duì)播種區(qū)域與轉(zhuǎn)向區(qū)域銜接處坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記處理，為機(jī)具提升控制提供參考。將起點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)記紅色，按照“跳行”作業(yè)前行路徑依次對(duì)銜接處坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，紅色(起點(diǎn))-黑色-紅色循環(huán)處理直至終點(diǎn)(黑色)。行數(shù)T取為10時(shí)全局路徑示意圖如圖6所示。

圖6 全局路徑規(guī)劃示意圖Fig.6 Schematic of global path planning

2.2 路徑跟蹤控制

圖7 自適應(yīng)預(yù)瞄算法路徑跟蹤示意圖Fig.7 Schematic of path tracking based on adaptive preview algorithm

由于拖拉機(jī)機(jī)組田間作業(yè)涉及直線(xiàn)播種和地頭轉(zhuǎn)向行走，因此路徑跟蹤算法需要適應(yīng)直線(xiàn)路徑跟蹤和曲線(xiàn)路徑跟蹤。本文設(shè)計(jì)路徑跟蹤方法如下：基于車(chē)體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)置前視距離范圍(Lmin,Lmax)，確定預(yù)瞄點(diǎn)選擇范圍(Pmin,Pmax)。通過(guò)自適應(yīng)預(yù)瞄算法遍歷預(yù)瞄點(diǎn)集合，計(jì)算出車(chē)體中心點(diǎn)Pt與預(yù)瞄范圍內(nèi)任一點(diǎn)Pa形成的航向角φ集合，航向角集合計(jì)算公式為

(7)

式中 (xpa,ypa)、(xpt,ypt)——點(diǎn)Pa、Pt坐標(biāo)

判斷預(yù)瞄范圍為直線(xiàn)段或者曲線(xiàn)段，在預(yù)瞄范圍內(nèi)取中間點(diǎn)Pm,計(jì)算此點(diǎn)與點(diǎn)Pmax、Pmin間的斜率K1、K2，三點(diǎn)共線(xiàn)則為直線(xiàn)段，否則為曲線(xiàn)段。

基于阿克曼轉(zhuǎn)向模型得到前輪轉(zhuǎn)角ψ，計(jì)算公式為

(8)

基于自適應(yīng)預(yù)瞄算法路徑跟蹤模型，采用Python軟件進(jìn)行仿真，仿真效果如圖8所示，仿真結(jié)果橫向誤差如圖9所示。

圖8 路徑跟蹤仿真效果Fig.8 Path tracking renderings

圖9 仿真結(jié)果誤差曲線(xiàn)Fig.9 Error curve of simulation results

3 決策層設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

拖拉機(jī)機(jī)組無(wú)人作業(yè)集成控制策略需要根據(jù)播種農(nóng)藝要求，協(xié)同控制拖拉機(jī)油門(mén)踏板、制動(dòng)器、離合器、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和機(jī)具提升機(jī)構(gòu)。聯(lián)合控制策略由播種機(jī)組橫向運(yùn)動(dòng)控制、縱向運(yùn)動(dòng)控制和播種機(jī)具升降控制組成。結(jié)合農(nóng)藝操作要求，無(wú)人播種作業(yè)集成控制規(guī)則如表2所示。

3.1 定向運(yùn)動(dòng)作為我國(guó)高校體育教育引進(jìn)的新興項(xiàng)目，發(fā)展迅速，具有區(qū)別于其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。普通高校定向運(yùn)動(dòng)可持續(xù)發(fā)展需要以人為本，善于運(yùn)用一切資源，聯(lián)合一切力量，多交流、多溝通、多學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)普通高校定向運(yùn)動(dòng)的自治和規(guī)范，以促進(jìn)普通高校定向運(yùn)動(dòng)可持續(xù)發(fā)展。

播種機(jī)組作業(yè)時(shí)序圖如圖10所示，圖中，V0為停止速度，V1為中速，V2為低速。在起點(diǎn)位置控制機(jī)具下降至設(shè)定播深位置，按照表2中播種作業(yè)控制邏輯控制拖拉機(jī)播種機(jī)組田間作業(yè)；拖拉機(jī)路徑跟蹤過(guò)程中，檢測(cè)到播種暫停標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，拖拉機(jī)播種機(jī)組按照表2轉(zhuǎn)向段導(dǎo)航控制邏輯進(jìn)行協(xié)同控制；拖拉機(jī)播種機(jī)組完成轉(zhuǎn)向后，檢測(cè)到播種開(kāi)始標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，拖拉機(jī)播種機(jī)組按照表2中播種作業(yè)控制邏輯控制拖拉機(jī)播種機(jī)組田間作業(yè)。為了提高播種品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)播種深度一致，在進(jìn)行作業(yè)過(guò)程涉及播種機(jī)提升/下降控制，拖拉機(jī)需要靜止。

表2 集成控制規(guī)則Tab.2 Integrated control job logic query

圖10 播種機(jī)組作業(yè)集成控制流程圖Fig.10 Flow chart of operation integrated control of seeding unit

3.2 仿真分析

采用Python軟件編制拖拉機(jī)播種機(jī)組無(wú)人作業(yè)集成控制系統(tǒng)，模擬拖拉機(jī)組無(wú)人播種。首先在工控機(jī)輸入田塊的經(jīng)/緯度坐標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)生成播種路徑，基于自適應(yīng)預(yù)瞄算法進(jìn)行路徑跟蹤，設(shè)定前視距離范圍為1～2 m，模擬播種機(jī)組路徑起點(diǎn)為上線(xiàn)點(diǎn)，直線(xiàn)作業(yè)速度設(shè)定10 km/h，轉(zhuǎn)向段速度設(shè)定5 km/h。由于拖拉機(jī)是簡(jiǎn)化質(zhì)點(diǎn)模型，當(dāng)檢測(cè)到拖拉機(jī)質(zhì)點(diǎn)位于標(biāo)志位，拖拉機(jī)制動(dòng)停止，機(jī)具模擬執(zhí)行升降動(dòng)作。

根據(jù)表2設(shè)計(jì)的播種作業(yè)動(dòng)作的協(xié)同控制邏輯進(jìn)行播種作業(yè)仿真，結(jié)果如圖11所示，其中起點(diǎn)藍(lán)色質(zhì)點(diǎn)為簡(jiǎn)化車(chē)體模型，路徑中藍(lán)色/紅色點(diǎn)分別為機(jī)具下降/提升控制標(biāo)記點(diǎn)，路徑中青色段為播種工作段，紅色段為地頭轉(zhuǎn)向段。仿真結(jié)果表明：拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、提升機(jī)構(gòu)能夠按照預(yù)設(shè)播種農(nóng)藝要求進(jìn)行協(xié)同控制。

4 執(zhí)行層設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)無(wú)人作業(yè)，拖拉機(jī)的油門(mén)踏板、離合器、制動(dòng)器以及機(jī)具提升機(jī)構(gòu)需要協(xié)同控制。

4.1 轉(zhuǎn)向自動(dòng)控制

自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制原理如圖12所示，主要由轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)向電機(jī)、車(chē)輪角度傳感器、蝸輪蝸桿減速器以及全液壓轉(zhuǎn)向器組成[21]。工控機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)角指令至轉(zhuǎn)向控制器，轉(zhuǎn)向控制器輸出PWM方波控制直流電機(jī)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器控制前輪轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向控制采用PID控制算法，將車(chē)輪角度傳感器獲取的車(chē)輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角反饋至控制器形成閉環(huán)反饋，轉(zhuǎn)向控制結(jié)果如圖13所示。車(chē)輪±20°階躍信號(hào)平均偏差小于0.1°、最大偏差0.158°、超調(diào)量小于1%，可以滿(mǎn)足各種輪式農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航輔助駕駛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

圖12 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制原理圖Fig.12 Steering control schematic

圖13 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制結(jié)果Fig.13 Rendering of automatic steering control

圖14 播種機(jī)組速度控制原理圖Fig.14 Schematic of speed control of seeding unit

4.2 動(dòng)力系統(tǒng)控制

作業(yè)機(jī)組田間作業(yè)，需要對(duì)行走速度、發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出以及拖拉機(jī)行走/停止進(jìn)行聯(lián)合控制，機(jī)組動(dòng)力系統(tǒng)控制原理如圖14所示。在拖拉機(jī)油門(mén)踏板、離合器、制動(dòng)機(jī)構(gòu)上新增帶位置反饋的推桿電機(jī)，通過(guò)控制推桿電機(jī)伸縮完成動(dòng)力系統(tǒng)的聯(lián)合控制。動(dòng)力系統(tǒng)控制器采用PID控制算法，同時(shí)將北斗導(dǎo)航實(shí)時(shí)測(cè)速結(jié)果與推桿電機(jī)伸縮量反饋至控制器，實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)反饋。

根據(jù)動(dòng)力系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)方案，在不同工況下多次對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行速度控制測(cè)試，作業(yè)速度控制試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 速度控制試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of speed control

4.3 提升懸掛系統(tǒng)控制

機(jī)具精準(zhǔn)提升控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)播種作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，提升懸掛系統(tǒng)控制原理如圖15所示。采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升手柄完成機(jī)具提升動(dòng)作，采用PID控制算法消除誤差。在提升臂旋轉(zhuǎn)軸位置安裝角度傳感器獲取提升臂旋轉(zhuǎn)角，反饋給控制器完成上懸臂旋轉(zhuǎn)角精確控制。然后通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試后懸臂旋轉(zhuǎn)角與播種深度之間的關(guān)系，標(biāo)定播種深度。

圖15 提升臂控制原理圖Fig.15 Control schematic of lifting arm

給定20°階躍控制信號(hào)，提升臂控制響應(yīng)結(jié)果如圖16a所示，提升臂從0°旋轉(zhuǎn)至20°，耗時(shí)11 s，超調(diào)量為0.92°，當(dāng)提升臂旋轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)目標(biāo)值后，穩(wěn)定誤差為0.07°。提升臂旋轉(zhuǎn)角與播深關(guān)系如圖16b所示，播深與提升臂旋轉(zhuǎn)角近似為線(xiàn)性關(guān)系。

圖16 提升臂自動(dòng)控制結(jié)果Fig.16 Results of automatic control of lifting arm

5 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證播種機(jī)組自動(dòng)作業(yè)集成控制系統(tǒng)協(xié)同控制效果，2020年8月在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)肥東試驗(yàn)田(117°58′E、32°13′N(xiāo))對(duì)播種機(jī)組進(jìn)行田間試驗(yàn)。在黃海金馬554型拖拉機(jī)平臺(tái)上設(shè)計(jì)集成自動(dòng)導(dǎo)航與自動(dòng)播種作業(yè)協(xié)同控制系統(tǒng)?；?Python開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件，下位機(jī)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

規(guī)劃播種路徑為10行，在速度1.5 m/s下進(jìn)行直線(xiàn)段運(yùn)動(dòng)，速度1.0 m/s下進(jìn)行地頭轉(zhuǎn)向動(dòng)作。試驗(yàn)過(guò)程：①設(shè)定機(jī)組作業(yè)參數(shù)，首先自動(dòng)生成播種作業(yè)路徑，機(jī)組初始上線(xiàn)位置偏差為1 m，路徑跟蹤前視距離范圍為1～2 m。②自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中通過(guò)對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行集成控制，完成直線(xiàn)段播種動(dòng)作、地頭轉(zhuǎn)向?qū)π袆?dòng)作、速度變化等操作。③試驗(yàn)過(guò)程中記錄機(jī)組位置信息、預(yù)瞄點(diǎn)位置信息、航向角、前輪轉(zhuǎn)角、橫向偏差、機(jī)具提升角、速度信息以及離合器、制動(dòng)器、油門(mén)踏板狀態(tài)信息。

拖拉機(jī)播種機(jī)組作業(yè)路徑結(jié)果見(jiàn)圖17，機(jī)組按照預(yù)設(shè)路徑完成作業(yè)，播種機(jī)組路徑跟蹤時(shí)直線(xiàn)段橫向誤差均值為0.035 m，轉(zhuǎn)向段橫向誤差最大值為0.11 m。

圖17 無(wú)人播種路徑Fig.17 Unmanned seeding path

拖拉機(jī)播種機(jī)組無(wú)人作業(yè)協(xié)同控制結(jié)果如圖18所示，上位機(jī)通過(guò)CAN總線(xiàn)向下位機(jī)分別發(fā)送轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、離合器、油門(mén)踏板、機(jī)具提升機(jī)構(gòu)控制指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠按照設(shè)定指令準(zhǔn)確動(dòng)作，完成無(wú)人播種作業(yè)。

拖拉機(jī)播種機(jī)組無(wú)人作業(yè)過(guò)程，轉(zhuǎn)向車(chē)輪執(zhí)行角如圖18a所示，車(chē)輪轉(zhuǎn)向控制平均誤差0.45°、最大誤差2.53°。

拖拉機(jī)離合器和油門(mén)踏板控制結(jié)果如圖18b所示，離合執(zhí)行結(jié)構(gòu)和制動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)同步控制，離合執(zhí)行百分比100%表示離合器完全分離，制動(dòng)機(jī)構(gòu)完全執(zhí)行，拖拉機(jī)播種機(jī)組停車(chē)。當(dāng)離合執(zhí)行百分比為0時(shí)，表示離合器結(jié)合，拖拉機(jī)無(wú)制動(dòng)，此時(shí)拖拉機(jī)行駛作業(yè)。拖拉機(jī)播種機(jī)組直線(xiàn)播種階段，油門(mén)開(kāi)度控制目標(biāo)為80%，地頭轉(zhuǎn)向階段，油門(mén)開(kāi)度控制目標(biāo)為30%，油門(mén)開(kāi)度控制結(jié)果與預(yù)設(shè)控制目標(biāo)一致。

圖18 集成控制系統(tǒng)協(xié)同控制結(jié)果Fig.18 Cooperative control results of integrated control system

機(jī)具提升機(jī)構(gòu)控制效果如圖18c所示，機(jī)具提升響應(yīng)時(shí)間為1.2 s、機(jī)具提升轉(zhuǎn)角超調(diào)量小于1.5°。

6 結(jié)論

(1)以拖拉機(jī)播種機(jī)組為研究對(duì)象，將拖拉機(jī)機(jī)組無(wú)人作業(yè)協(xié)同控制系統(tǒng)劃分為規(guī)劃層、決策層和執(zhí)行層。根據(jù)播種作業(yè)農(nóng)藝基本要求和拖拉機(jī)底盤(pán)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性規(guī)劃播種作業(yè)路徑，制定拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛與播種作業(yè)動(dòng)作協(xié)同控制策略，設(shè)計(jì)了無(wú)人播種作業(yè)集成控制系統(tǒng)。編制了無(wú)人播種作業(yè)集成控制仿真軟件，模擬拖拉機(jī)機(jī)組田間播種作業(yè)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了無(wú)人播種作業(yè)的可行性，提高了研發(fā)效率。

(2)完成了拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、機(jī)具提升機(jī)構(gòu)、油門(mén)踏板、制動(dòng)器、離合器等機(jī)構(gòu)的線(xiàn)控設(shè)計(jì)，無(wú)人播種作業(yè)集成控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)播種機(jī)組協(xié)同控制。田間試驗(yàn)表明：拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、油門(mén)踏板、離合器、制動(dòng)器、機(jī)具提升機(jī)構(gòu)嚴(yán)格根據(jù)規(guī)劃層與決策層制定的控制指令協(xié)同動(dòng)作。試驗(yàn)過(guò)程轉(zhuǎn)向控制平均誤差0.45°，直線(xiàn)段橫向誤差均值為0.035 m，轉(zhuǎn)向段橫向誤差最大值為0.11 m；機(jī)具提升響應(yīng)時(shí)間為1.2 s、機(jī)具提升轉(zhuǎn)角超調(diào)量小于1.5°；油門(mén)踏板、制動(dòng)器、離合器均根據(jù)決策指令完成操縱動(dòng)作。