太陽能渠道式噴灌機自主導航研究

劉柯楠　吳普特,　朱德蘭,　韓文霆　代文凱

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院， 陜西楊凌 712100)

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太陽能渠道式噴灌機自主導航研究

劉柯楠1吳普特1,2朱德蘭1,2韓文霆2代文凱1

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院， 陜西楊凌 712100；2.西北農林科技大學中國旱區節水農業研究院， 陜西楊凌 712100)

以自行研制的太陽能渠道式多噴頭噴灌機為試驗平臺，利用偏角傳感器和電子羅盤進行農業機械裝備的自動導航研究。增加了噴灌機精準灌溉控制系統、噴灑域可控系統，實現了噴灌機的自動控制。根據偏角傳感器、電子羅盤和車輪轉速傳感器獲取的噴灌機姿態信息，構建了噴灌機自主導航模糊控制器。噴灌機通過調節兩側驅動輪轉速差的方式實現轉向閉環控制，完成了噴灌機沿渠道的自動行走，并進行了導航跟蹤試驗。試驗結果表明，噴灌機在以0.5 m/min和1.0 m/min速度進行自主導航過程中均能消除橫向偏差，具有一定的精度和可靠性，可滿足噴灌機作業使用要求。

太陽能； 渠道式噴灌機； 導航； 自動控制； 精準灌溉

引言

平移式噴灌機是連續直線移動式噴灌機,無論在噴灌強度的均勻性還是耕作管理方式的適應性方面都比其他型式的噴灌機(如雙臂式、中心支軸式、絞盤牽引式等)有更多的優點。然而目前平移式噴灌機主要在內蒙、東北等地區使用，并且多為大型平移式噴灌機，針對我國農業生產特點(小農戶和一些種植大戶為主)的輕小型移動式噴灌機研究較少。作為能在農田中移動的智能作業平臺, 噴灌機應能按照提前規劃的預定路線自主進行灌溉。要實現自動作業的精確控制, 即要對作業路徑進行自主導航。目前，在農業機械導航領域應用的導航方式有機器視覺、GPS、地磁、激光和接觸式等[1]。與衛星和機器視覺等其他導航方式相比，采用機械接觸的導航方式具有機構簡單、 成本低、 易維護、且在行間作業過程中具有較強實用性和易于推廣等特點。

國內外眾多學者對農機導航進行了研究[2-19]。這些研究雖然都是對農業機械自動導航，但大多都是基于拖拉機、插秧機等傳統農業機械裝備或是一些用于農業方面的機器人平臺，有關輕小型移動式噴灌機導航方面的研究還鮮有報道。為滿足農田灌溉的農藝需求，本研究將太陽能技術與噴灌技術進行集成，采用模糊控制算法研發一種基于渠道導航(屬于機械接觸式)的太陽能驅動自走懸臂式噴灌機，并在此基礎上增加噴灌機精準灌溉控制系統和噴灑域可控系統，以期實現噴灌機沿預定路線的自主導航控制。

1　噴灌機總體結構

作為一種能夠在田間自主作業的智能移動平臺，噴灌機應能按照預定的作業路徑在田間自動行走，即具有自主導航功能。基于渠道導航的太陽能自走懸臂式噴灌機(以下簡稱噴灌機)由機械本體、變量作業系統和自動導航控制系統3部分組成，圖1為噴灌機整體結構示意圖。

圖1　渠道式噴灌機結構示意圖Fig.1　Structure diagram of canal feed sprinkler irrigation machine 1.供水渠道　2.取水過濾裝置　3.吸水軟管　4.減速驅動電動機　5.驅動輪　6.轉向裝置　7.主梁　8.自吸泵　9.控制柜　10.太陽能光伏發電系統　11.蓄電池　12.主供水管道　13.桁架　14.低壓噴頭　15.泡沫擋板　16.施肥罐　17.流量表　18.壓力表　19.噴槍

噴灌機機械本體部分是整個噴灌機的硬件主體，包括整個噴灌機主體機架部分、行走驅動部分和太陽能供電部分。主機架部分由上部長50 m的輸水桁架和底部支撐部分構成。輸水桁架由主輸水管、橫支撐、斜支撐組成倒三角架結構焊接而成，在其上等間距地布置用于噴灌的灌水器(噴頭)。噴灌機可根據農作需要，更換灌水器進行噴水、噴肥、噴藥等操作；底部支撐部分采用邊梁式，用斷面為100 mm×100 mm的方鋼焊接而成，同時為了提高土地利用率，不影響作物生長，兩前輪間與兩后輪之間均無連接軸。為了保持噴灌機具有較好的通過性和承載能力，噴灌機外形尺寸設計為左右輪距3.36 m, 前后軸距2.7 m，車梁離地間隙1.3 m，桁架離地間隙1.8 m。

行走驅動部分采用四輪獨立驅動，用4個48V200W1800RPM的直流電動機分別為4個車輪提供動力，直流電動機的輸出扭矩經減速比i=36的行星齒輪減速器后，再經傳動比為1∶25的蝸輪蝸桿減速器，然后傳遞給電磁離合器進而傳送給車輪。同時4個直流電動機均配有用于控制轉速的驅動控制器，通過PWM技術輸入不同占空比的調節電壓控制電動機轉速。電動機及驅動器的電源采用48 V、120 A·h的蓄電池進行供電。輪胎選用8.3-20型普通人字形農用輪胎, 采用控制兩側驅動輪轉速差的轉向方式實現轉向。

太陽能光伏供電系統是整個系統的能量來源，主要由太陽能光伏組件、免維護鉛酸蓄電池和太陽能控制器組成，為行走驅動部分、各傳感器和控制系統部分進行供電。本機配備金源電子電器公司制造的CS5M32-260型太陽能板，峰值功率260 W、峰值電壓49.71 V，峰值電流5.25 A，開路電壓60.49 V，短路電流5.57 A；蓄電池組選用4塊河北風帆蓄電池股份有限公司生產的190H52型閥控式全密封鉛酸蓄電池串聯而成，電池規格12 V/120 A·h；太陽能控制器為供電系統的監控部件，負責對光伏組件的發電狀態和蓄電池的充、放電狀態進行監控，太陽能控制器選用合肥尚碩新能源公司生產的SS48V50A型最大功率跟蹤太陽能控制器。

2　變量作業系統

噴灌機變量作業部分由噴灑域可控和精準灌溉控制2部分組成， 可根據事先制定的處方圖進行變量灌溉。

2.1噴灑域可控

由于農田環境的非結構性和復雜性，噴灌機在實際應用過程中所遇到的地形不一定呈標準的矩形。噴灑域可控技術是將主輸水管上的噴頭分為多個組，沿臂架寬度方向，每邊設置 4個電磁閥，通過電磁閥開關控制每組噴頭啟閉。在噴灌機運行中若是遇到地邊、籬笆、路面等不需要噴灑的區域，可選擇性地關閉左邊或者右邊的電磁閥縮小噴灑寬度，以適應不同地塊形狀、地邊緣區域、路面等特殊避讓要求。同時根據噴灑寬度變化，位于控制柜中的控制器會自動計算調節水泵轉速，保證在不同噴灑寬度的情況下，確保單位面積噴水量恒定。

2.2精準灌溉控制

噴灌機在運行過程中可通過無線模塊接收土壤墑情檢測傳感器采集的數據，分析、計算出作物所需的水量，控制水泵按所需水量進行供水，實現對灌溉水量的自動精準控制。精準灌溉控制分為手動控制和自動控制。手動模式時，可直接通過噴灑量旋鈕來調節水泵轉速調節泵的流量，進而控制噴灑量。自動模式時，數字控制器通過檢測噴灌機當前的行駛速度、寬度、土壤墑情傳感器采集數據等參數，自動計算出當前理論水流量；然后控制器將理論水流量和電磁流量計測得的實際水流量進行比較得出噴灑誤差，根據誤差輸出信號控制噴灑泵，從而實現對流量的控制。在整個工作過程中，無論是噴灌機速度變化、噴灑寬度變化，噴灑量變化都會被這個閉環控制過程消除，如圖2所示。

圖2　精準灌溉控制框圖Fig.2　Block diagram of precision irrigation control

3　導航控制系統

噴灌機采用渠道供水方式，在沿渠道行走過程中通過從渠道中取水進行噴灑灌溉。噴灌機自主導航系統應具有兩方面功能：一是定位，確定噴灌機與預定路線之間的相對位置，即偏差；二是決策控制，根據導航控制算法決策出導航控制量并控制執行機構實現該控制量，使噴灌機可以沿預定路線自動行走。渠道式噴灌機自動導航系統采用機械接觸式導航方式，包括導航偏角傳感器、電子羅盤、主控制器、電動機驅動器、從控制器、轉速傳感器、電磁流量計、土壤墑情傳感器和各執行機構等，如圖3所示。

圖3　導航控制系統結構Fig.3　Structure of navigation control system

電子羅盤和偏角傳感器作為導航用傳感器，實時檢測噴灌機與預定路線(渠道)之間的航向偏差與位置偏差。電子羅盤采用無錫北微傳感科技有限公司生產的SEC345型三維電子羅盤：航向精度1°，高傾角測量范圍±40°，具有硬磁、軟磁及傾角補償功能，標準RS232/RS485/TTL輸出接口，最高輸出頻率50 Hz；偏角傳感器選用日本MIDORI株式會社綠測器CP-2UTX型磁敏角度傳感器：有效電氣轉角±45°，獨立線性精度±1.5%。系統采樣頻率1 Hz，偏角傳感器與電子羅盤固定在噴灌機橫向對稱中心軸線上。當電子羅盤、偏角傳感器、電磁流量計和土壤墑情傳感器檢測出的數據傳入主控制器時，主控制器將采集到的數據進行分析、處理，進行導航控制量、需水量和電磁閥啟閉的計算和決策，并生成控制指令通過RS485與從控制器進行通信，將指令傳輸給從控制器。從控制器通過轉速傳感器實時檢測兩側車輪轉速，對兩側車輪轉速進行閉環控制，并根據主控制器傳送來的信息，對電磁閥和水泵等執行機構進行控制，使噴灌機可以沿著預定路線行走，完成自動導航作業。

所構建的噴灌機導航控制系統中,不同的導航控制量決策算法會對系統穩定性及路徑跟蹤效果產生重要影響。由于農田環境的非結構化特征，加上輪胎與土壤之間的相互作用十分復雜，要建立比較完善的運動學模型十分困難，因此在模型不十分明確的情況下進行噴灌機導航時,應該避免過分依賴車輛模型來設計導航控制器。考慮到系統穩定性和路徑跟蹤的精度要求，采用模糊控制算法構建了二維模糊控制器。二維模糊控制器以偏角傳感器檢測到的位置相對偏差eθ及電子羅盤檢測到的方向偏差eψ作為輸入量，經過導航決策，輸出控制兩側電動機轉速的 PWM 電壓增量Δu。采用模糊控制算法進行導航決策時甚至可以不需要任何模型知識，噴灌機與預定路徑間的航向偏差和位置偏差分別指示了噴灌機與引導路徑間的相對位姿。路徑跟蹤的目標是讓噴灌機與引導路徑間的偏差趨向零，使其沿著引導路徑行走。其控制結構如圖4所示。

圖4　模糊控制結構圖Fig.4　Diagram of fuzzy control structure

所構建的二維模糊控制器中輸入、輸出變量分別選用 7 個語言集作為模糊論域進行描述。 所選的7個模糊論域為：正大(PL)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZE)、負小(NS)、負中(NM)和負大(NL)。其中噴灌機與預定路徑間的位置偏差和航向偏差的基本論域都選取為[-30°, 30°]。經計算，量化因子為0.1。控制器輸出的電動機 PWM 控制變化值Δu基本論域選取為[-4.5, 4.5]。計算后，比例因子取1.5。以噴灌機運行方向為準，設定噴灌機沿預定路徑左偏為正，右偏為負。輸入、輸出均選用三角隸屬函數進行計算。模糊控制規則的制定以試驗所得的經驗知識為基礎。經多次試驗調整，所得二維模糊控制器的控制規則如表1所示。

表1　模糊控制規則Tab.1　Fuzzy control rules

模糊推理方法選用 Mamdani 方法，根據所制定的模糊控制規則進行模糊推理后便可得到控制輸出的模糊量, 再經過反模糊化后便可將模糊量轉換為精確量, 計算出所需要的控制輸出變量的精確值。系統反模糊化方法采用最大隸屬度平均值法進行計算。

模糊控制器的輸出量為兩側車輪轉速的調節電壓，導航控制器決策出該控制量后將其發送給從控制器，從控制器接收到主控制器發送的控制變量后，根據該控制變量調節噴灌機兩側電動機驅動器的輸入調節電壓，同時通過安裝在車輪驅動軸上的轉速傳感器對噴灌機兩側車輪轉速進行實時反饋，實現對驅動電動機轉速的精確控制，從而實現噴灌機預定路線的路徑跟蹤。本系統中加在電動機驅動器上的電壓由兩部分組成，一部分為uconst，另一部分為導航控制器輸出的轉速調節電壓Δu，得到左、右驅動輪的電壓分別為：

左電動機驅動電壓

ul=uconst±Δu

右電動機驅動電壓

ur=uconst?Δu

ul、ur作為兩側車輪轉速驅動電壓的期望值，與兩側車輪轉速傳感器構成單位負反饋形成小閉環控制，通過小閉環對兩側車輪轉速的反饋控制可以完全獲得兩側車輪轉速的狀態。

4　試驗及結果分析

為測試噴灌機導航控制系統性能，進行了噴灌機沿導航預定路線跟蹤試驗。噴灌機在應用時要求在田間留有寬度50 cm左右的機行道，并對其進行水泥平整或其他硬化處理，由于噴灌機在水泥平整、硬化后的田間機行道運行狀況與在水泥路面運行狀況相似，故選擇在西北農林科技大學旱區節水農業研究院操場進行渠道式噴灌機自主導航試驗。進行自主導航試驗前，在渠道一側距渠道1 m處沿渠道方向拉一條細白線作為參考路徑。采用滴水的方式記錄噴灌機的行走軌跡。調整噴灌機至起點，車頭對準渠道方向，開啟導航系統后，滴水式劃線器隨噴灌機一同沿預定路徑行走，并實時記錄噴灌機的真實行走軌跡。將滴水式劃線器記錄的行走軌跡與預定路線進行比較，使用卷尺測量兩者之間的垂直偏移距離。圖5為試驗場景。

根據機組設計流量和灌溉制度所確定的噴灌機正常作業時的行進速度為0～1.0 m/min，試驗時沿路徑跟蹤方向, 每間隔30 cm測量一個點, 如果某測量點處存在軌跡突變, 則用兩相鄰點距離偏差平均值代替。圖6為噴灌機以0.5 m/min和1.0 m/min速度自主導航行駛過程中跟蹤偏差隨行駛距離變化曲線。

圖5　試驗場景Fig.5　Test scenario

圖6　誤差變化曲線Fig.6　Changing curves of error

由圖6可知，噴灌機導航控制系統可消除側向偏差，行進速度為1 m/min時噴灌機行駛6.6 m可消除側向偏差，測試過程中偏差出現負值，并有一定振蕩；行進速度為0.5 m/min時，偏差穩定減小直至0，并無振蕩現象，但由于行進速度減小，噴灌機消除誤差所行駛距離較長。這表明所設計的噴灌機導航控制系統具有良好的控制精度和穩定性，能夠滿足噴灌機自主導航的作業要求。

5　結論

(1)以電子羅盤和偏角傳感器作為導航傳感器構建了渠道式噴灌機導航控制系統，避免了應用GPS、機器視覺等傳感器造成的成本過高問題，且機構簡單、實用性較強、易于推廣。

(2)采用模糊控制算法，以偏角傳感器檢測到的位置偏差eθ和電子羅盤檢測的航向偏差eψ為輸入量，輸出量為控制兩側電動機轉速的 PWM 電壓增量Δu，構建了渠道式噴灌機進行自主導航的模糊控制器，實現了噴灌機的自主導航。

(3)在以0.5 m/min和1.0 m/min行進速度進行自主導航試驗過程中，噴灌機均可以消除側向偏差，基本能夠跟蹤預定導航路線。導航控制系統具有一定的精度和可靠性，能夠滿足噴灌機的使用要求。

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Autonomous Navigation of Solar Energy Canal Feed Sprinkler Irrigation Machine

Liu Ke’nan1Wu Pute1,2Zhu Delan1,2Han Wenting2Dai Wenkai1

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China2.InstituteofWater-savingAgricultureinAridAreasofChina,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

In view of the planting characteristics which are mainly consisted of small farmers and some large growing farmers in China, the solar energy technology was combined with spray irrigation technology together. In addition, a light and small solar energy canal feed sprinkler irrigation machine was developed. An autonomous navigation system was developed on self-developed solar energy canal feed sprinkler machine. Under different working conditions, angle sensor and electronic compass were adopted for the autonomous navigation test. The precision irrigation control system and spraying domain control system were integrated to realize automatic control of sprinkler machine. According to the attitude information of the sprinkler machine acquired from angle sensor, electronic compass and wheel speed sensor, a fuzzy controller for autonomous navigation was built. By adjusting the speed of driving wheels on both sides, a close-loop feedback control system of steering was also built. Besides, to verify the navigation accuracy of the system, a tracking experiment was carried out. The results indicated that the lateral tracking error could be well eliminated with travelling speeds of 0.5 m/min and 1.0 m/min, which showed that the sprinkler machine was provided with high reliability and stability. In other words, the control system can well meet the demand of spraying work.

solar energy; canal feed sprinkler irrigation machine; navigation; automatic control; precision irrigation

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.021

2016-02-22

2016-04-06

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD22B01-02)、國家國際科技合作項目(2014DFG72150)和高等學校學科創新引智計劃(111計劃)項目(B12007)

劉柯楠(1986—)，男，博士生，主要從事農業機械自主導航研究，E-mail： kenan_liu@126.com

吳普特(1963—)，男，研究員，博士生導師，主要從事水土保持與節水農業研究，E-mail： gjzwpt@vip.sina.com

TP242.4

A

1000-1298(2016)09-0141-06