機械接觸式導航控制系統的研究與試驗

陳 剛，周 平，何青海，孫宜田，李青龍，孫永佳

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100；2.濰坊工商職業學院，山東 濰坊 262234)

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機械接觸式導航控制系統的研究與試驗

陳 剛1，周 平2，何青海1，孫宜田1，李青龍1，孫永佳1

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100；2.濰坊工商職業學院，山東 濰坊 262234)

研制了一種機械接觸式導航控制系統，該系統利用LabVIEW編程，采用PID控制方式進行對行調節，根據自動對行作業的具體需要，設計了機械接觸式導向機構，并通過匹配性試驗確定了轉向輪偏轉角度α與轉向輪轉動速度ω的取值。該系統以WP-500Y型高地隙噴藥機為載體進行田間試驗，結果表明：轉向輪偏轉角度為0.115rad、轉向輪轉動速度為0.357rad/s、作業速度為4km/h時，自動對行作業穩定性最好。

機械接觸式導航；自動對行；PID控制；LabVIEW

0 引言

玉米等硬秸稈作物在噴藥、收獲等作業環節需要進行對行作業。目前，農業機械的對行問題大多采用GPS導航、視覺導航、電磁導航、激光導航、超聲波導航及機械接觸式導航等[1-4]，而機械接觸式導航憑借成本低、實用性強、可靠性高、易于維護等特點在實際生產中獨具優勢[5]。盡管我國機械接觸式農機自動導航系統的研究取得了一定成果，但還沒有出現能夠解決玉米噴藥、收獲作業對行問題的導航控制系統。

為此，設計了一種適用于玉米自動對行作業的機械接觸式導航控制系統。根據對行作業的特點，設計了機械接觸式導向機構；系統根據導向機構的觸發信號判斷機具對行狀態，轉向輪實際調整角度作為反饋量輸入到控制系統，通過PID控制方式調節機具轉向輪的轉向，使機具實現自動對行作業。該機械接觸式導航控制系統不僅可以降低操作者的工作強度，且可以提高對行作業的效率和質量。

1 導航控制系統硬件結構

機械接觸式導航控制系統包括導航控制和狀態監測兩部分。導航控制裝置包括控制器、觸摸屏、電液比例換向閥及轉向液壓缸等部件；狀態監測裝置包括導向機構和角位移傳感器等部件，在工作過程中，角位移傳感器檢測轉向輪的偏轉角度，導向機構檢測機具是否偏離作物種植行。

機械接觸式導航控制系統在玉米聯合收獲機上的安裝示意圖如圖1所示。導向機構在玉米聯合收獲機割道內，為了保證檢測精度，兩個導向機構前端距離10～15cm左右；角位移傳感器安裝在收獲機后輪的轉向軸上，方便檢測轉向輪的偏轉角度；控制器和觸摸屏安裝在駕駛室內，方便駕駛員操作。

1.右導向機構 2. 左導向機構 3.角度傳感器 4.轉向液壓缸

機械接觸式導航控制系統在高地隙噴藥機上的安裝示意圖如圖2所示。導向機構成對安裝在一側行走輪的前端，兩個導向機構前端距離可調；角位移傳感器安裝在前輪轉向機構上； 控制器和觸摸屏安裝在駕駛室內。

導向機構是導航控制系統狀態檢測元件，由殼體和觸碰組件構成。其中，觸碰組件包含旋轉軸、觸片、觸點及接觸桿，如圖3所示。旋轉軸采用絕緣材質，表面設有凹槽，垂直安裝在殼體底部，旋轉軸上套接有扭簧，扭簧一端掛接在接觸桿上，扭簧另一端掛靠在殼體上；觸片固定在殼體內壁，觸點鑲嵌在旋轉軸的凹槽中；接觸桿穿裝在旋轉軸的徑向通孔內，并穿過殼體延伸至殼體外部呈弧形彎曲；接線柱下部與旋轉軸軸線方向的孔配合相連，接線柱的螺母與接線柱上部螺紋相配合[6]。

1.角度傳感器 2.導向機構

1.盤頭螺釘 2.觸片 3.觸點 4.旋轉軸 5.殼體 6.接觸桿

2 導航控制系統軟件設計

2.1 控制原理及控制方法

機具對玉米進行自動對行作業時以一行玉米為基準行，導向機構通過對基準行的檢測，判斷機具是否對行作業。當機具正常作業時，導向機構不會碰觸到基準行玉米秸稈，無信號輸入到控制器，執行機構不動作；當機具偏離基準行時，導向機構碰觸到玉米秸稈，觸發信號反饋到控制器，控制器判斷機具偏轉方向，調節電液比例換向閥，轉向液壓缸的動作，使機具轉向輪發生偏轉，同時角位移傳感器檢測轉向輪的偏轉角度，并將檢測值反饋到控制器；當轉向輪偏轉角度達到設定值后，控制器控制轉向液壓缸使轉向輪回正；當角位移傳感器檢測到轉向輪回正到設定的中位值時，控制器停止對轉向輪的調節，導航控制系統完成一次導航控制動作。

2.2 軟件設計

本導航控制系統采用自主研發的控制器，該控制器核心芯片采用TI公司的TMS320F28335數字信號處理器，控制程序采用LabVIEW編寫，自動對行調節采用離散PID控制方式[7]。 機具轉向輪的偏轉與回正是導航控制系統控制的關鍵，轉向輪的偏轉角度、轉向輪回正時的中位值這兩個參數需要在控制程序中設定，分別記為α、θ，設定(θ-α,θ)為轉向輪左偏轉動作區間，(θ,θ+α)為轉向輪右偏轉動作區間，角位移傳感器通過對轉向輪角度的檢測，判斷轉向輪的區間位置。根據機具轉向方式的不同，具體的控制程序流程圖如圖4和圖5所示，導航控制系統框圖如圖6所示，導航控制系統的程序圖如圖7所示。

3 導航控制系統試驗研究

本文以3WP-500Y型高地隙噴藥機為載體，對機械接觸式導航控制系統進行試驗研究。人工對行作業時，根據駕駛員操作經驗，影響對行效果的因素主要是轉向輪偏轉角度、轉向輪轉動速度、機具作業速度，分別記為α、ω、v。其中，α、ω為系統控制參數，通過匹配性試驗選取這兩個參數的取值，并結合機具作業速度進行導航控制系統穩定性試驗。

圖4 后輪轉向控制程序流程圖

圖5 前輪轉向控制程序流程圖

θ-設定中位值，α1-調整角度，α2-轉向角度。

圖7 導航控制系統程序圖

3.1 控制參數匹配性試驗

根據3WP-500Y高地隙噴藥機的機械特性及相關操作經驗，控制參數分別取α值為500、600、700、800、900、1 000，取ω值為700、800、900、1 000、1 100、1 200。噴藥機靜止狀態下，在非硬化路面上測得控制參數α和ω取值所對應的實際物理含義如表1所示。

表1 α和ω取值對應表

試驗過程中，每個數據測量5次，取平均值。衡量參數為轉向輪完成偏轉和回正動作的時間t(s)和轉向輪回正時在中位值位置振蕩的次數n(次)。試驗數據如表2所示。α、ω與振蕩次數n、時間t的關系如圖8和圖9所示。

表2 α 和ω參數值匹配驗證

從圖8和圖9可以看出：①ω為定值，轉向輪偏轉角度值α越大，轉向輪回正到中位值時產生的振蕩次數n越少。這說明，轉向輪在固定的轉動速度時，轉向輪偏轉的角度越大，轉向輪回正過程越不容易產生振蕩。②α≤700時，轉向輪轉動速度ω越大，轉向輪完成偏轉和回正動作的時間t越長；α>700時，轉向輪轉動速度ω越大，轉向輪完成偏轉和回正動作的時間t越短。這說明，轉向輪偏轉角度在一定范圍內，轉向輪轉動越迅速，轉向輪完成偏轉和回正動作的時間越短，若轉向輪偏轉角度太小，轉向輪回正時發生超調，容易在中位值位置產生振蕩，轉向輪完成偏轉和回正動作的時間反而變長。

根據試驗情況，當n<2次、t<2s時，導航系統對轉向輪的調節效果良好，這種狀態下控制參數ω取值為800、900、1 000、1 100，α取值為700、800、900、1 000。

圖8 α、ω與振蕩次數n的關系

圖9 α、ω與時間t的關系

3.2 穩定性試驗

3WP-500Y高地隙噴藥機采用無級變速，工作速度為0～6 km/h。在不同作業速度下選用不同的α和ω值，進行導航控制穩定性試驗。試驗過程以200m距離內噴藥機導航失效次數N為衡量參數，以5次試驗結果的平均值作為試驗數據。導航控制系統穩定性試驗數據如表3所示，不同作業速度下α、ω與N之間的關系如圖10～圖12所示。

表3 導航控制系統穩定性試驗

續表3

圖10 v=3km/h時α、ω與導航失效次數N的關系

圖11 v=4km/h時α、ω與導航失效次數N的關系

圖12 v=5km/h時α和ω與導航失效次數N的關系

從圖10～圖12可以看出：

1)機具作業速度v和轉向輪偏轉角度值α不變時，轉向輪轉動速度ω越大，則導航失效次數N越多。原因是：ω值越大，轉向輪轉動越快，在轉向輪回正到中位值時越容易發生超調，短時間內無法完成對行動作，導致導航失效次數增多。

2) 機具作業速度v和轉向輪轉動速度ω不變時，α>700時，導航失效次數N隨著α值的增大而增多。原因是：α越大，轉向輪回正調節需要的時間越長，無法在較短時間內完成對行動作，導致對行失效。α=700時，雖然轉向輪偏轉角度較小，但轉向輪回正調節時容易發生超調，完成對行動作的時間反而變長，導航失效次數增多。

3) 轉向輪轉動速度ω和轉向輪偏轉角度值α不變時，機具作業速度v越快，則導航失效次數N越多。原因是：作業速度越快，對行調節動作需要快速完成，若在相應時間內對行動作無法完成，機具就會偏離作業行，使導航動作失效。

試驗結果表明: 安裝機械接觸式導航控制系統的3WP-500Y高地隙噴藥機，當控制參數α=800、ω=800、v=4km/h時，即轉向輪偏轉角度為0.115rad、轉向輪轉動速度為0.357rad/s、作業速度為4km/h時，自動對行作業穩定性最好。

4 結論

本文設計的機械接觸式導航控制系統在3WP-500Y高地隙噴藥機上最佳的控制參數為：α=800，ω=800，v=4km/h。該導航控制系統具有安裝靈活、擴展性好等特點，今后還需要在不同型號、不同轉向方式的機具上進行試驗。通過優化程序和建立不同機具的控制參數數據庫，相信該控制系統能夠在多種機具上得到推廣和應用，屆時玉米等硬秸稈作物自動對行作業將可以通過該機械接觸式導航控制系統完成，這將大大降低操作者的勞動強度，提高對行作業的質量和效率。

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[7] 徐陶祎，劉琴濤.基于PID控制算法的智能控制試驗平臺系統設計[J].制造業自動化，2014(11):70-72.

The Research and Experiment of Mechanical Contact Navigation Control System

Chen Gang1, Zhou Ping2， He Qinghai1, Sun Yitian1, Li Qinglong1, Sun Yongjia1

(1.Shandong Agricultural Machinery Research Institute, Jinan 250100, China; 2.Weifang Business Vocational College，Weifang 262234, China)

This paper develops a mechanical contact type navigation control system. The system uses LabVIEW programming, uses PID control method to adjust the line，designs mechanical contact type guide mechanism According to the specific needs of the automatic operation of the line , determines the steering wheel deflection angleαand the steering wheel rotational speedωvalue according to the matching test. The system uses WP-500Y type high clearance spraying machine for field experiment carrier , the results show that when the steering wheel deflection angle is 0.115rad, the steering wheel rotation speed is 0.357rad/s, the operation speed is 4km/h, the stability of the operation is the best.

mechanical contact type navigation; automatic on-line; PID control； LabVIEW

2016-06-23

山東省科技發展計劃項目(2014GNC112009)；山東省農機裝備研發創新計劃項目(2015YB107)

陳 剛(1983-)，男，山東淄博人，工程師，工學碩士，(E-mail)cngn2007gx@126.com。

S127

A

1003-188X(2017)08-0186-05