基于模糊控制的農機自動導航控制系統研究

摘要：為實現農用拖拉機的自動導航控制，提高農用拖拉機智能化、自動化水平，以福田雷沃M1000-D拖拉機為平臺，研究農機路徑導航的自適應模糊控制策略，開發農機自動導航系統的CAN數據收發模塊、北斗定位模塊、角度信息采集模塊以及轉向控制模塊等關鍵CAN節點的軟硬件技術。現場試驗表明，運用模糊控制算法策略，設計的農機自動導航控制系統能夠快速、準確地跟蹤預設路徑。

關鍵詞：模糊控制；CAN網絡；自動導航；控制

中圖分類號： TP273+.5文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0241-05

收稿日期：2017-02-27

基金項目：2016年度廣西壯族自治區中青年教師基礎能力提升項目（編號：KY2016YB628）。

作者簡介：張葉茂（1983—）男，廣西南寧人，碩士研究生，講師，研究方向為智能控制、嵌入式應用。E-mail：zhangyemaocg@126.com。近年來，“精細化農業”的概念隨著計算機和信息技術的發展被廣泛認可和推廣。農用拖拉機被廣泛應用在牽引和掛載農具實現耕地、播種、收割、施肥等日常的農田工作。農機的自動化是實現精細化農業的關鍵技術之一[1]。將自動導航駕駛技術應用在農機設備上，一方面可以讓生產工人從單一、重復而繁重的勞動中解放出來，另一方面可以有效降低生產過程中人為造成的重復作業及漏作業等現象，提高農業施工精度。拖拉機系統本身是一個非線性的時變復雜系統，農田地況復雜，加之輪胎與地面相互作用的高度非線性，難以建立精確的數學模型，本研究采用自適應模糊控制算法決策出前輪期望轉角，以北斗導航及各種CAN網絡節點模塊為研究對象，構建拖拉機自動導航控制系統。

1系統總體設計

農機自動導航控制系統可以分為多個功能單元節點，主要包括車載終端節點、定位節點、轉向控制節點等。采用CAN總線將各個節點連接起來形成分布式控制系統，ISO11783協議作為各節點數據通信及接口設計標準。系統總體設計框圖如圖1所示。

系統工作時，定位節點首先通過北斗導航接收模塊和電子羅盤獲得機車當前位置、姿態方位信息，并將這些信息通過CAN總線傳輸給車載終端節點，車載終端節點將車輛當前位置、姿態和預設路徑進行比對，運用自適應模糊控制策略決策出前輪期望轉角。轉向控制節點的角度傳感器模塊負責實時采集前輪實際轉向角，以前輪實際轉向角和期望轉角為輸入量，運用模糊PID算法決策出合適的輸出量，控制轉向執行機構動作跟蹤期望轉角，實現農機自動路徑導航控制。車載終端節點除了實現導航路徑期望轉角決策外，還實現人機交互功能，操作員可以通過工控觸摸屏進行信息顯示、預設路

徑及其他功能設置等。

2農機路徑導航的自適應模糊控制策略

農用拖拉機的轉向控制精度是實現農機自動導航的關鍵因素之一。農業場地路況復雜，拖拉機輪胎與地面之間接觸關系非線性，加之拖拉機本身的時變性和不確定性等因素的原因，難以建立精確的數學模型。自適應模糊控制策略具有不依賴精確數學模型，能夠在控制過程中不同階段進行參數調整，有較好的魯棒性的優點。

本研究的研究平臺為福田雷沃M1000-D拖拉機。假定拖拉機按照預設基準線AB進行導航跟蹤。由北斗接收器接收A、B點的經緯度便可以計算出基準線AB與中原地區中央子午線正北方的夾角θ1，由車載三維電子羅盤可以計算出當前拖拉機行走方向與中原地區中央子午線正北方的夾角θ2，則實際航向角偏差e=θ1-θ2。通過接收拖拉機當前位置的經緯度，可以計算出當前機車位置與基準線AB的實際橫向偏差d。將e和d分別量化后得到航向角偏差量化值E和橫向偏差量化值D，作為二維模糊控制器的輸入，以拖拉機前輪的期望輸出轉角為輸出，并用U和u分別表示輸出值的模糊量和精確量。設計的路徑導航自適應模糊控制器原理圖如圖2所示[2]。其中Ke為航向角偏差的量化因子，Kd為橫向偏差量化因子，Ku為期望輸出轉角的量化因子。α和β均為調節加權因子，其定義域為[0，1]。

為簡化運算，模糊控制器輸入輸出量的隸屬函數均采用三角形隸屬函數。設定航向角偏差量化值E和橫向偏差量化值D以及期望輸出角度模糊量U劃分為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}7個模糊子集，并分別用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}表示[3]。設定橫向偏差d的基本論域為[-30 cm，30 cm]，量化因子Kd為0.5，量化等級為[-15，-14，-13，-12，-11，-10，-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15]。航向角度偏差e的基本論域為[-20°，20°]，量化因子Ke為0.75，量化等級與橫向偏差的量化等級相同。期望輸出轉角u基本論域為[-15°，15°]，量化因子Ku為1，則量化等級與橫向偏差的量化等級相同。當前車輛位于基準線AB左側時，橫向偏差量化等級取負號，否則取正號；當航向角度偏差<0時，航向角度偏差量化等級取負號，否則取正號；當前輪期望輸出角度需逆時針轉動時，期望輸出轉角量化等級取負號，否則取正號。對于二維模糊控制器，當輸入變量和輸出變量的論域劃分相等時，模糊規則查詢可以按照以下解析式（1）運算查詢。

U=-<αD+（1-α）E>。（1）

從解析式（1）及圖2可知，通過調節α的值，可以調節橫向偏差和航向角偏差的權重。當橫向偏差較大時，通過增大α的值可以提高橫向偏差的加權，盡快消除橫向偏差，同時增大β的值，使系統有較大的控制輸出，快速減少和期望路徑的距離。當橫向偏差較小時，減少α的值，即可提高航向角度偏差調節的權值，快速調整機車姿態角，同時減少β的值，采用微小控制輸出，使系統盡快平穩。可采用粒子群算法和遺傳算法對模糊控制的修正因子和輸出比例因子進行在線整點，以達到自適應控制的目的。采用解析式的模糊控制器可以更加進一步細化變量論域，提高計算效率，避免常規模糊控制的繁瑣查表法，提高系統的精度。endprint

3系統硬件電路設計

系統的硬件設計主要包括車載終端節點、定位節點和轉向控制節點的設計。各節點處理器均采用32位高性能處理器STM32F103ZET6，CAN收發電路均采用TJA1050T芯片設計。車載終端節點主要實現導航期望角決策和人機交互功能，采用廣州大彩電子有限公司10.4″工控串口觸摸屏進行路徑預設和功能設置。定位節點主要采集拖拉機當前位置和姿態角，硬件包括北斗接收模塊電路和電子羅盤，本研究采用的HEC365是慧聯科技的一款高精度全姿態三維電子羅盤，在360°傾角范圍都能提供高精度的航向信息，精度達到 ±0.3°。轉向控制節點實現拖拉機前輪轉向，硬件包括前輪轉向角度測試電路和轉向控制模塊。

3.1CAN收發電路

CAN總線作為一種支持實時分布式控制的串行總線，被廣泛地應用于工業自動化、船舶、農業機械等方面。ISO11783是ISO為農業機械設備數據通信及接口設計所定義的在CAN2.0B上實現的高層協議[4]。本研究應用基于ISO11783標準的CAN總線構建農機自動導航的通信網絡。CAN總線通信硬件原理如圖3所示。本設計中，節點處理器STM32F103ZET6內置CAN總線協議控制器，外接PHILIP公司的TJA1050T CAN總線驅動芯片和適當的抗干擾電路就很容易建立一個CAN總線智能監控節點。控制器的CAN信號接收引腳RX和發送引腳TX采用高速光耦6N137進行電氣隔離后連接到TJA1050T的RXD和TXD端[5]。光耦部分的VA和VB必須通過DC-DC模塊或者是帶有多個隔離輸出的開關電源模塊進行隔離。為防止過流沖擊，TJA1050T的CANH和CANL引腳各通過一個5 Ω的電阻連接到總線上，并在CANH和CANL腳與地之間并聯2個30 P的電容用于濾除總線上高頻干擾。而防雷擊管D1和D2可以起到發生瞬變干擾時的保護作用。TJA1050T的第8腳連接到STM32F103ZET6的一個端口用于模式選擇，TJA1050T有2種工作模式用于選擇，分別為高速模式和靜音模式。TJA1050T正常工作在高速模式，而在靜音模式下，TJA1050T的發送器被禁能，執行只聽功能，可用于防止由于CAN控制器失控而造成的網絡阻塞[6]。

3.2北斗定位模塊設計

北斗導航系統自從2012年正式向亞太區域提供服務以來，作為戰略性產業，經過數年的發展，形成了覆蓋基礎產業、應用端口、系統應用以及運營服務等比較完善的產業鏈。國產的北斗核心芯片、模塊等關鍵技術取得迅速發展，其性能已經和國際同類產品性能相當，到2020年，我國將建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統[7]。北斗導航系統不僅可以對移動的目標進行定位，同時在不需要其他通信模塊的情況下可實現雙向通信功能，每次支持最大36個漢字指令，控制室的操作人員可以通過導航系統直接對拖拉機進行遠程控制， 極大

地方便無人駕駛拖拉機的遠程控制。本研究采用SkyTraq公司推出的S1216F8-BD北斗/GPS雙模接收器，該接收器具備167追蹤頻道，跟蹤靈敏度為-165 dbm，冷啟動定位時間為29 s，熱啟動定位時間為1 s，具有2.5 m圓概率誤差精度等優良特點。圖4為北斗接收器芯片與處理器連接電路原理圖。S1216F8-BD支持多種通信波特率，默認波特率為 38 400，也可以通過串口設置，并保存在模塊內部FLASH中。S1216F8-BD模塊采用3.3 V供電，其PPS引腳為時鐘脈沖輸出引腳，端口輸出特性可以通過程序設定，當電路中 PPS_LED 指示燈常亮時，表示模塊未定位。當PPS_LED指示燈閃爍時（500 ms亮，500 ms滅），表示定位成功。圖中IPX端口用來外接有源天線，有源天線放在農機車輛頂端，更好地利于接收北斗信號。本電路BAT可充電后備電池可以維持半小時的北斗/GPS星歷數據的保存，支持熱啟動，從而實現快速定位。模塊的RXD和TXD引腳接120 Ω電阻，主要用于輸出電平兼容處理。定位模塊的RXD和TXD端分別與STM32F103ZET6串口3的TX1和RX1端口連接。通過工控觸摸屏，可以獲得北斗/GPS信息，包括精度、緯度、高度、速度、用于定位的衛星數量、可見衛星數、UTC時間等信息。

3.3角位移信息采集模塊

角位移傳感器在自動轉向控制中為反饋元件，實時采集方向輪轉動的轉角值。在自動導航駕駛時，轉向控制節點接收定位節點傳來的期望轉角值，并與角位移傳感器測得的拖拉機前輪當前角度進行比對，得出轉角差值，控制轉向執行機構自動轉向。依據角位移傳感器工作電壓、量程、精度、分辨率、輸出信號等主要參數入手，本研究采用北京通磁偉業傳感技術有限公司的WYT-AT-3-360無觸點角度傳感器采集車輛前輪轉角值。該傳感器可以將機械轉動化為標準電信號輸出，可全量程無觸點地測量轉角的角度變化，并具有耐水、耐油、抗震動和壽命長的特點，非常適合農業場地的作業環境。在安裝時，應保證角度傳感器的軸與前輪轉動軸同軸心，并保證工作電源電壓穩定在要求范圍內。由于WYT-AT-3-360是電流輸出型傳感器，輸出信號為4～20 mA，采用電流環接收芯片RCV420將傳感器產生的電流信號直接轉換成電壓信號，再經過OP07放大電路將電壓按比例轉換成0～3.3 V 后送入轉向控制節點處理器的AD采集端口。節點處理器STM32F103ZET6自帶8路10位分辨率的AD，完全滿足系統精度要求。角度信息采集電路設計原理如圖5所示。

3.4轉向控制模塊

在自動導航過程中，經過車載終端節點計算出期望轉角后，將該值通過CAN總線傳送給轉向控制節點，轉向控制節點不斷比對期望值與角度傳感器采集的前輪反饋值，控制轉向機構，實現自動轉向。轉向控制主要是通過油缸推動活塞桿來驅動方向輪。本研究在保留原有液壓轉向系統不變的情況下，并聯同型號的全液壓轉向器（BZZ1-100轉向器）。通過安裝兩位三通電磁換向閥實現手動和自動轉向控制。人工駕駛模式下，電磁閥斷電不動作，液壓油由液壓泵流出進入方向盤聯動的轉向器，實現人工轉向；當自動導航模式下，電磁閥通電動作，液壓油由液壓泵流出進入并聯的全液壓轉向器。endprint

全液壓轉向器的轉動由加裝的步進電機聯動，處理器根據期望轉角大小和角度傳感器測得的實際轉角之間的偏差值，計算出給定步進電機驅動器的脈沖個數和頻率來調節步進電機的轉角和轉速，從而控制前輪的轉角與轉速，實現自動轉向。兩位三通電磁換向閥供電參數為DC24 V，額定功率30 W，最大流量為50 L/min。為保證駕駛模式切換安全快速，設計電磁換向閥驅動電路，如圖6所示。其中，光耦6N137為信號隔離保護電路，三極管Q1和R2電阻組成光電信號放大電路，二極管D2是防止繼電器線圈反向感應電壓擊穿三極管。本研究采用的步進電機型號為TEC1115三相步進電機，該電機的步距角為1.2°，靜力矩為12 NM。微處理器通過給定脈沖數可以改變步進電機的轉角值，通過改變脈沖頻率可以控制電機的轉動速度。

4系統軟件設計

4.1CAN數據收發

農機自動導航控制系統的各節點采用CAN網絡實現數據交互，根據ISO11783標準，數據幀報文最長為8字節，當傳輸的報文數據>8字節時，需要分2個數據幀格式傳輸。導航數據以ASC-Ⅱ碼的形式進行傳輸，北斗導航經緯度及路徑坐標數據信息都以2個數據幀進行傳輸。CAN總線的通信程序編寫主要包括CAN接收報文和CAN發送報文2個主要部分。CAN通信協議通過STM32F103ZET6相關報文寄存器與CAN控制器進行報文交互。CAN通信程序首先要對CAN控制器及接收與發送緩沖器進行初始化，主要涉及通信波特率、驗收波特率等參數的設置。節點從CAN總線接收報文時，只有接收數據標志位和驗收濾波器相同時，才進行FIFO緩沖區空間判斷，當緩沖區未滿時，進行數據接收，接收完畢后釋放緩沖區。節點發送報文時，先讀取狀態寄存器SR，當標志位為非忙時，再判斷緩沖區是否為空，為空時，將要發送數據的報文類型、報文長度、報文ID號以及報文數據依次寫入緩沖區，再開啟發送。CAN總線接收和發送數據處理流程如圖7所示。

4.2北斗信息解析

北斗衛星模塊接收信號后，導航芯片將所接收到信號處理成字段頭為$BD的NMEA-0183標準報文格式后，通過串口發送給定位CAN節點處理器STM32F103ZET6。處理器接收到串口數據后，將數據分割成以導航語句為基本單元的多個片段，然后，在相應的數據域的對應字段中提取導航的定位參數，并對一部分數據進行數據轉換，完成導航數據的解析。圖8為北斗導航數據解析軟件流程圖[8]。

4.3角度信息采集

角位移傳感器以電流信號形式輸出，經過電流-電壓電路轉換后，送入轉向控制CAN節點處理器的AD輸入口。STM32F103ZET6具有8路10位分辨率的ADC采集接口，采樣電壓測試范圍為0～3.3 V。A/D轉換的計算公式如式（2）所示：

D1 024=VIN-VAGNDVREF-VAGND。（2）

式中：VIN為輸入通道的電壓，VAGND為A/D轉換的模擬地，VREF為A/D轉換的模擬參考電壓3.3 V，D為轉換的結果。ADC角度信息采集程序流程圖如圖9所示。為提高數據的采樣精度和平滑性，轉換結果采用中值濾波進行數據處理，圖中i表示連續采樣數據的次數，最后取中間值為此時刻的輸出。本研究設定拖拉機前輪打正時，角度傳感器的輸出角度為零度，右轉為正方向，左轉為負。準確的零度位置和精確的角度反饋是自動轉向精度的保障，所以需要先對角度傳感器進行標定。傳統的人工標定受傳感器安裝的誤差影響使得零度位置不夠精確。本研究介紹一種角度傳感器自動標定方法：利用北斗衛星確定拖拉機從起點到終點的作業直線，每隔0.5 m自動存儲拖拉機當前位置坐標及角度傳感器的值，篩選出處于直線上的值，并剔除位置坐標誤差超過±5%所對應的角度傳感器的值。對取得的數據進行中值濾波處理，最后得到的值為拖拉機自動導航過程中的角度中位標定參考位置。

5結論

運用CAN總線作為通信網絡，設計集車載終端節點、定位節點和轉向控制節點于一體的農用拖拉機分布式自動導航控制系統。采用模糊自適應控制策略，實現轉向控制系統對期望轉角值的實時穩態跟蹤。經過農田試驗測試表明：系統可以實時接收控制指令、采集并處理各傳感器模塊數據，各節點通過CAN網絡進行數據交互，有效實現農用拖拉機自動導航控制。該系統穩定可靠，可快速、準確跟蹤預設路徑。

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