水稻插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何 杰 朱金光 張智剛 羅錫文 高 陽(yáng) 胡 煉

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510642；2.雷沃重工股份有限公司， 濰坊 261200)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的必然趨勢(shì)是智能化[1-2]。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)作業(yè)是智能農(nóng)機(jī)的重要組成部分，也是農(nóng)機(jī)智能化發(fā)展的必然要求[3-4]。目前，國(guó)外農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化水平較高，駕駛操控都采用電子控制。近年來(lái)，無(wú)人農(nóng)場(chǎng)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展比較迅速，2017年英國(guó)Harper Adams大學(xué)進(jìn)行了小麥播種和收獲的無(wú)人農(nóng)場(chǎng)示范。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)一般都采用人工操作桿的控制方式[5]，亟需開(kāi)展農(nóng)機(jī)自動(dòng)作業(yè)研究。我國(guó)“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃將農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代化、智能化和規(guī)模化列入重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃[6]。

國(guó)內(nèi)外水稻插秧機(jī)的智能化研究主要集中在自動(dòng)導(dǎo)航和自動(dòng)作業(yè)[7-10]方面，其中插秧機(jī)GNSS自動(dòng)導(dǎo)航的研究較為深入。插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)主要包括插植機(jī)構(gòu)的自動(dòng)操作和油門(mén)、擋位組成的變速機(jī)構(gòu)的自動(dòng)操作。相較拖拉機(jī)而言，對(duì)水稻插秧機(jī)作業(yè)操控部分電子控制的研究較少。胡煉等[11]、偉利國(guó)等[12]和郭娜等[13]對(duì)插秧機(jī)的操控機(jī)構(gòu)進(jìn)行了電控研究，采用直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或電動(dòng)推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)插秧機(jī)操作桿實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化操作，取得了較好的效果。但還存在以下不足：①采用電機(jī)后，操縱桿手動(dòng)控制不方便。②方案采用的是專用設(shè)備，未開(kāi)放電控接口，不便于與上位系統(tǒng)(無(wú)人駕駛系統(tǒng)等)集成。③插秧機(jī)各作業(yè)操控相互獨(dú)立，未考慮聯(lián)合作業(yè)相互配合的控制方法。

為此，本文以井關(guān)PZ-60型水稻插秧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)插秧機(jī)插植操作機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)手自一體改造方案，實(shí)現(xiàn)以手動(dòng)操作優(yōu)先的水稻插秧機(jī)插植機(jī)構(gòu)和變速機(jī)構(gòu)的自動(dòng)控制；根據(jù)插秧機(jī)自主作業(yè)的要求，設(shè)計(jì)插秧機(jī)速度控制算法和插值機(jī)構(gòu)控制算法、插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)速度和插值機(jī)構(gòu)的聯(lián)合控制策略；在水泥路面和水田環(huán)境下試驗(yàn)驗(yàn)證自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 插秧機(jī)作業(yè)操作機(jī)構(gòu)

井關(guān)PZ-60型水稻插秧機(jī)為6行乘坐式插秧機(jī)，如圖1所示。其主要作業(yè)操作機(jī)構(gòu)包括變速桿和插植操作桿。其中，插秧機(jī)的油門(mén)和靜液壓無(wú)級(jí)變速器(Hydro static transmission, HST)通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)相連，由變速桿進(jìn)行操控，油門(mén)開(kāi)度和HST變速聯(lián)動(dòng)；變速分為前進(jìn)、中立和后退3擋；插植操作分為上升、中立、下降和插秧4個(gè)擋位。PZ-60型插秧機(jī)變速系統(tǒng)以及插植操作部分均為純機(jī)械操控，沒(méi)有電控接口。為實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)，需針對(duì)其機(jī)械式操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行電控改造設(shè)計(jì)。本文采用電控手柄(包括電位計(jì)操作桿和開(kāi)關(guān)量操作桿)、推桿電機(jī)和作業(yè)控制器對(duì)插秧機(jī)的作業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行電控設(shè)計(jì)，并開(kāi)發(fā)CAN總線電控接口。總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 插秧機(jī)操作機(jī)構(gòu)Fig.1 Diagrams of rice transplanter operating mechanism1.插植操作桿 2.變速桿 3.方向盤(pán)

圖2 插秧機(jī)作業(yè)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of overall design structure of rice transplanter operation control system

1.2 變速機(jī)構(gòu)電控設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和高校進(jìn)行了插秧機(jī)變速機(jī)構(gòu)電控改造相關(guān)研究[14]，取得了較好的效果，但存在一些不足。本文針對(duì)井關(guān)PZ-60型插秧機(jī)HST和油門(mén)開(kāi)度聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)手動(dòng)優(yōu)先的手自一體電控變速裝置，保障出現(xiàn)異常時(shí)人工可快速接管插秧機(jī)的操控。設(shè)計(jì)基于SAE J1939協(xié)議的CAN通信接口，便于與自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)或無(wú)人駕駛系統(tǒng)集成。

圖3 變速機(jī)構(gòu)改造裝置示意圖Fig.3 Schematic of shifting mechanism1.作業(yè)控制器 2.擋位面板 3.TRC8型電控手柄 4.開(kāi)關(guān) 5.電位計(jì) 6.推桿電機(jī)

變速機(jī)構(gòu)改造裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。作業(yè)控制器采用SPC-STW-2612CMS型運(yùn)動(dòng)控制器，具有3路支持SAE J1939協(xié)議的CAN總線，4路12位A/D(模擬量/數(shù)字量)輸入，2路H橋驅(qū)動(dòng)電路，滿足本文變速機(jī)構(gòu)和插植機(jī)構(gòu)改造裝置的設(shè)計(jì)需求；具有IP67的防護(hù)等級(jí)，適用于農(nóng)田作業(yè)環(huán)境。變速機(jī)構(gòu)改造裝置采用電控手柄(臺(tái)潤(rùn)TRC8帶開(kāi)關(guān)型電位器操作桿)取代插秧機(jī)的操作桿實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，電控手柄輸出0～5V信號(hào)經(jīng)作業(yè)控制器的AD采樣標(biāo)定后對(duì)應(yīng)前進(jìn)、中立和后退擋位；采用帶電位計(jì)的推桿電機(jī)(力姆泰克LIM3-S2-100型)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝于插秧機(jī)機(jī)罩內(nèi)，驅(qū)動(dòng)變速手柄轉(zhuǎn)動(dòng)軸。推桿電機(jī)采用控制器的1路H橋驅(qū)動(dòng)，其控制信號(hào)有兩種，一是由控制器上的CAN總線接收上位系統(tǒng)(導(dǎo)航控制器等)控制命令，二是接收電控手柄的控制命令，分別實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)速度的自動(dòng)控制和手動(dòng)控制。兩種信號(hào)由TRC8型電控手柄頂部的開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。開(kāi)關(guān)接通，速度控制為手動(dòng)模式，優(yōu)先級(jí)最高；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，速度控制為自動(dòng)模式。

經(jīng)上述改造后，插秧機(jī)具備了基于CAN總線的電控接口。為了便于與其他系統(tǒng)的對(duì)接，基于SAE J1939協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)幀格式設(shè)計(jì)CAN自定義數(shù)據(jù)幀格式如表1、2所示(表中Byte2為0x01表示手動(dòng)，為0x00表示自動(dòng)；CRC8為8位CRC校驗(yàn)碼)。變速機(jī)構(gòu)將自身狀態(tài)量，包括手動(dòng)自動(dòng)狀態(tài)、推桿電機(jī)位置以及電位器操縱桿所處位置通過(guò)CAN總線發(fā)送給上位系統(tǒng)，同時(shí)接收上位系統(tǒng)發(fā)出的控制命令。

1.3 插植機(jī)構(gòu)電控設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)插秧機(jī)插植機(jī)構(gòu)電控改造研究除手動(dòng)/自動(dòng)切換不便外，還缺少對(duì)插秧機(jī)具升降高度的閉環(huán)控制[11,13]。采用具有CAN通信接口的手自一體改造方案可實(shí)現(xiàn)插植機(jī)構(gòu)閉環(huán)自動(dòng)控制。插植機(jī)構(gòu)改造裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，采用TRC5型電控手柄(臺(tái)潤(rùn)TRC5帶開(kāi)關(guān)型開(kāi)關(guān)量操縱桿)替換原有的操作桿，TRC5型電控手柄共有4路開(kāi)關(guān)量，分別代表上升、中立、下降和插秧4個(gè)擋位；采用推桿電機(jī)的電位計(jì)對(duì)TRC5型電控手柄的4個(gè)擋位進(jìn)行標(biāo)定，獲得上升、中立、下降和插秧?yè)跷粚?duì)應(yīng)的AD值；自動(dòng)控制時(shí)，推桿電機(jī)的電位計(jì)輸出作為插秧機(jī)具高度的反饋信息，形成閉環(huán)控制。為確認(rèn)插植機(jī)構(gòu)是否執(zhí)行到位，采用安裝于插秧機(jī)三點(diǎn)懸掛旋轉(zhuǎn)軸處的BEI DUNCAN9360型角度傳感器(BEI傳感器)，檢測(cè)插秧機(jī)具的實(shí)際位置。插植機(jī)構(gòu)的手動(dòng)操作、自動(dòng)操作及切換方式與變速機(jī)構(gòu)相同。

圖4 插植機(jī)構(gòu)改造裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of operating mechanism1.BEI DUNCAN9360型角度傳感器 2.作業(yè)控制器 3.擋位面板 4.TRC5型電控手柄 5.開(kāi)關(guān) 6.電位計(jì) 7.推桿電機(jī)

插植機(jī)構(gòu)CAN總線自定義數(shù)據(jù)幀格式如表3、4所示(表中，Byte2為0x01表示手動(dòng)，為0x00表示自動(dòng)；TRC5開(kāi)關(guān)量：0x08為上升，0x04為中立，0x02為下降，0x01為插秧，其他值無(wú)效；CRC16表示16位CRC校驗(yàn)碼)。插植機(jī)構(gòu)的手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)、插秧機(jī)具位置(BEI傳感器輸出AD值)以及機(jī)具插植擋位信息(即TRC5的值)通過(guò)CAN總線發(fā)送至上位系統(tǒng)，用于上位系統(tǒng)確認(rèn)插植機(jī)構(gòu)操作是否到位。插植機(jī)構(gòu)接收上位機(jī)發(fā)出的指令，執(zhí)行自動(dòng)或手動(dòng)控制。

2 自動(dòng)作業(yè)控制軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)水稻插秧機(jī)作業(yè)過(guò)程中速度變化特性和插植機(jī)構(gòu)控制要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制算法和聯(lián)合控制策略。

表3 插植機(jī)構(gòu)CAN總線發(fā)送指令格式Tab.3 Format of sending command

表4 插植機(jī)構(gòu)CAN總線接收指令格式Tab.4 Format of receiving command

2.1 速度控制算法設(shè)計(jì)

張碩等[15]和張雁等[16]的研究表明，速度變化會(huì)導(dǎo)致農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制精度的變化。插秧機(jī)的行駛速度受發(fā)動(dòng)機(jī)功率、田間行駛阻力和粘附力、泥底層地形等因素的影響，是一個(gè)時(shí)變非線性過(guò)程，沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型[17-18]。為實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)速度的穩(wěn)定控制，設(shè)計(jì)了專家PID控制算法。專家PID控制算法無(wú)需知道被控對(duì)象的精確模型，利用專家知識(shí)或者操作人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)時(shí)變非線性及滯后系統(tǒng)有較優(yōu)的控制效果[19-21]。插秧機(jī)速度控制系統(tǒng)原理如圖5所示，圖中，v(k)為導(dǎo)航控制器給出的目標(biāo)速度，Δv(k)為速度偏差，Δy(k)為電動(dòng)推桿伸縮量偏差，y(k)為電動(dòng)推桿伸縮量，vc(k)為GNSS實(shí)測(cè)插秧機(jī)速度，其中目標(biāo)速度為導(dǎo)航控制器下發(fā)，GNSS測(cè)速環(huán)為導(dǎo)航控制器接收GNSS信號(hào)獲得的插秧機(jī)速度實(shí)測(cè)值。

圖5 插秧機(jī)速度控制原理圖Fig.5 Schematic of rice transplanter speed control

直接專家PID控制器直接對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)在線運(yùn)行。專家PID控制器設(shè)計(jì)的核心是控制規(guī)則集，根據(jù)插秧機(jī)速度控制誤差及其變化規(guī)律設(shè)計(jì)控制規(guī)則。

令ev(k)、ev(k-1)和ev(k-2)分別表示k、k-1和k-2時(shí)刻的插秧機(jī)速度誤差；Δev(k)=ev(k)-ev(k-1)表示k時(shí)刻的誤差變化量，Δev(k-1)=ev(k-1)-ev(k-2)表示k-1時(shí)刻的誤差變化量；Mmax、Mmid和Mmin分別表示速度偏差最大值、較大值和極小值；ymax和ymin分別表示電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)最大值和縮短最小值，evm(k)為誤差ev的第k個(gè)極值，k1為增益放大系數(shù)，k1>1；k2為抑制系數(shù)，kp、ki、kd為PID控制系數(shù)。

控制規(guī)則如下：

(1)|ev(k)|>Mmax，表明絕對(duì)偏差值很大，此時(shí)以最大(最小)控制量輸出，迅速調(diào)整誤差，對(duì)出現(xiàn)極限情況下，控制器快速響應(yīng)。控制規(guī)則為

(1)

(2)|ev(k)|0或Δev(k)=0，表明系統(tǒng)在控制偏差范圍內(nèi)運(yùn)行，但是速度誤差在朝著絕對(duì)值增大的方向變化或者為某一固定的誤差值。此時(shí)，若|ev(k)|>Mmid，表明插秧機(jī)速度誤差較大，需采用強(qiáng)作用控制方法，快速減小絕對(duì)值誤差，控制規(guī)則為

y(k)=y(k-1)+k1[kp(ev(k)-ev(k-1))+
kiev(k)+kd(ev(k)-2ev(k-1)+ev(k-2))]

(2)

若|ev(k)|

y(k)=y(k-1)+kp(ev(k)-ev(k-1))+
kiev(k)+kd(ev(k)-2ev(k-1)+ev(k-2))

(3)

(3)ev(k)Δev(k)<0且Δev(k)Δev(k-1)>0或者ev(k)=0，表明插秧機(jī)速度偏差的絕對(duì)值向減小的方向變化，或者已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)保持控制器輸出不變

y(k)=y(k-1)

(4)

(4)ev(k)Δev(k)<0且Δev(k)Δev(k-1)<0，表明插秧機(jī)速度偏差處于極限狀態(tài)。若|ev(k)|>Mmid，即速度偏差的絕對(duì)值較大，采用較強(qiáng)控制，增大kp，控制規(guī)則為

y(k)=y(k-1)+k1kpevm(k)

(5)

若|ev(k)|

y(k)=y(k-1)+k2kpevm(k)

(6)

(5)|ev(k)|

y(k)=y(k-1)+kp(ev(k)-ev(k-1))+kiev(k)

(7)

根據(jù)田間測(cè)試結(jié)果，令專家PID控制器的初始化參數(shù)為：速度偏差最大值Mmax=0.2 m/s，速度偏差較大值Mmid=0.1 m/s，速度偏差最小值Mmin=0.01 m/s；電動(dòng)推桿最長(zhǎng)ymax=0.08 m，電動(dòng)推桿最短ymin=0.01 m；k1=2，k2=0.5，kp=2，ki=0.1，kd=0.3。

2.2 插植機(jī)構(gòu)控制算法設(shè)計(jì)

插秧機(jī)插植機(jī)構(gòu)操作在上升、中立、下降和插秧4個(gè)擋位之間切換。實(shí)際擋位操作時(shí)存在一定范圍的死區(qū)，且一般不出現(xiàn)超調(diào)和振蕩。根據(jù)插植機(jī)構(gòu)的操控特性，采用帶死區(qū)的增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)插植機(jī)構(gòu)的控制。

y(k)=y(k-1)+kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+
kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(8)

式中e(k)——k時(shí)刻誤差

e(k-1)——k-1時(shí)刻誤差

e(k-2)——k-2時(shí)刻誤差

y(k-1)——k-1時(shí)刻輸出

控制算法實(shí)現(xiàn)時(shí)，對(duì)目標(biāo)擋位的位置與對(duì)應(yīng)的電動(dòng)推桿的伸長(zhǎng)量(電位計(jì)AD值)進(jìn)行了標(biāo)定，并設(shè)置了±50個(gè)AD值作為控制死區(qū)。控制原理如圖6所示。

圖6 插植機(jī)構(gòu)控制原理圖Fig.6 Schematic of rice transplanter operating mechanism

2.3 聯(lián)合控制策略

水稻插秧機(jī)的田間操作有一定的規(guī)范，依照人工駕駛操作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)插秧機(jī)速度和插植操作聯(lián)合控制邏輯，如表5所示。

表5 聯(lián)合作業(yè)控制邏輯Tab.5 Combined operation control strategy

如表5所示，插植操作和速度控制頻繁，操控效果將直接影響插秧作業(yè)質(zhì)量。根據(jù)插秧機(jī)田間作業(yè)要求，插秧機(jī)具需接觸泥面后才開(kāi)始插秧動(dòng)作，保證秧苗入泥，且插秧機(jī)具接觸泥面時(shí)需“軟著陸”，猛烈撞擊泥面會(huì)導(dǎo)致分秧爪、仿形浮板等倒灌泥漿，影響插秧作業(yè)質(zhì)量；插秧機(jī)的機(jī)具提升受油門(mén)和田間泥漿的粘附力等因素影響，插植機(jī)構(gòu)提升插秧部件至一定高度所需時(shí)間不確定，且提升動(dòng)作結(jié)束后擋位必須回中立，否則會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)過(guò)熱，造成故障。此外，插秧作業(yè)速度不連續(xù)，轉(zhuǎn)向時(shí)速度過(guò)大等操作會(huì)影響路徑跟蹤的精度。因此，插秧機(jī)速度和插植操作的控制需按照插秧作業(yè)要求和作業(yè)時(shí)插秧部件升降執(zhí)行情況聯(lián)合調(diào)整。圖7所示為插秧聯(lián)合作業(yè)控制流程。

圖7 插秧機(jī)聯(lián)合作業(yè)流程Fig.7 Flow chart of rice transplanter operating mechanism

插秧機(jī)作業(yè)開(kāi)始時(shí)，插植機(jī)構(gòu)下降，確認(rèn)機(jī)具下降至泥面后(采用BEI傳感器反饋機(jī)具實(shí)際位置)，開(kāi)始以vL速度插秧，作業(yè)穩(wěn)定后(自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)時(shí)，絕對(duì)誤差小于0.05 m)加速到vH；距離終點(diǎn)前S2時(shí)(導(dǎo)航作業(yè)時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)和規(guī)劃路徑判斷)，減速到vL，以vL速度行駛到終點(diǎn)，同時(shí)提升插秧部件，停止插秧作業(yè)，直至插秧部件上升完成，然后操作擋位至中立，切斷液壓提升器的操作；插秧機(jī)以vL速度完成調(diào)頭轉(zhuǎn)向，在倒車(chē)點(diǎn)停車(chē)，速度擋為空擋；然后以vNL速度開(kāi)始倒車(chē)S3距離，倒車(chē)前確認(rèn)插植部件處于上升位，否則執(zhí)行上升操作；到達(dá)倒車(chē)結(jié)束點(diǎn)后停車(chē)，開(kāi)始第2行作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)。

3 試驗(yàn)

為驗(yàn)證插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性和聯(lián)合控制的效果，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城試驗(yàn)基地采用自動(dòng)導(dǎo)航駕駛方式分別在水泥路面和水田中進(jìn)行了試驗(yàn)，以考察速度控制和插植機(jī)構(gòu)操作的控制精度和穩(wěn)定性以及聯(lián)合控制的性能。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在井關(guān)PZ-60型插秧機(jī)平臺(tái)上集成自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)和自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，如圖8所示。其中，自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)為試驗(yàn)提供作業(yè)路徑和作業(yè)速度反饋。

圖8 插秧機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Rice transplanter test platform1.GNSS主天線 2.TRC5型插植電控手柄 3.作業(yè)控制器 4.插植推桿電機(jī) 5.變速推桿電機(jī) 6.導(dǎo)航控制器 7.TRC8型變速電控手柄 8.GNSS副天線

根據(jù)插秧機(jī)作業(yè)的特點(diǎn)，試驗(yàn)研究分兩部分：①考慮到插秧機(jī)作業(yè)時(shí)速度受環(huán)境干擾大，為考察速度控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，在平坦的水泥路、泥底層平坦(泥腳深約20 cm)的水田和泥底層不平(泥腳深約40 cm)的水田環(huán)境中以0.6 m/s的速度進(jìn)行插秧機(jī)速度控制的精確性試驗(yàn)。②為考察插秧機(jī)插植機(jī)構(gòu)控制的準(zhǔn)確性、自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)的整體性能以

及速度和插植機(jī)構(gòu)聯(lián)合控制性能，在泥底層平坦的水田環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)聯(lián)合控制效果。

3.2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.2.1速度控制測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城試驗(yàn)基地內(nèi)平坦水泥路、泥底層平坦的水田和泥底層不平的水田環(huán)境中以0.6 m/s的速度進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)航控制系統(tǒng)引導(dǎo)插秧機(jī)沿預(yù)設(shè)AB直線路徑自動(dòng)行走長(zhǎng)約35 m的距離，獲得試驗(yàn)結(jié)果如圖9和表6所示。

由表6可得，在不同工況下，隨著作業(yè)環(huán)境的惡化，插秧機(jī)速度控制精度呈下降趨勢(shì)。分析圖9可得，在3種試驗(yàn)環(huán)境下，速度平均誤差分別為3.25%、5.40%和8.01%，速度最大波動(dòng)分別為16.0%、15.8%和39.2%，速度平均誤差不超過(guò)10%的概率分別為98.6%、90.1%和68.0%。速度試驗(yàn)結(jié)果表明，采用GNSS測(cè)量的速度作為反饋，對(duì)插秧機(jī)的作業(yè)速度進(jìn)行自動(dòng)控制，在泥底層平坦的水田中，控制穩(wěn)定性較好，與在平坦的水泥路面控制效果相近；在泥底層不平且泥腳深的水田作業(yè)，速度控制穩(wěn)定性下降，但速度平均絕對(duì)誤差不超過(guò)0.05 m/s，平均誤差超過(guò)10%的概率為32%，滿足插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)速度控制精度和穩(wěn)定性的要求。

圖9 速度試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Results of speed test

工況平均絕對(duì)誤差最大誤差水泥路面 0.01950.0967泥底層平坦水田0.03240.0947泥底層不平水田0.04810.2353

3.2.2聯(lián)合控制測(cè)試

插秧機(jī)速度和插植操控聯(lián)合控制的作業(yè)流程如圖7所示，vL=0.5 m/s，vH=0.6 m/s，vNL=-0.3 m/s，S2=S3=3 m，試驗(yàn)設(shè)計(jì)作業(yè)兩行。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10、11。

圖10 插秧機(jī)聯(lián)合作業(yè)試驗(yàn)Fig.10 Combined operation test of rice transplanter

圖11 聯(lián)合作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Result of combined operation test

如圖11所示，A和B表示作業(yè)的起點(diǎn)和終點(diǎn)。插植操作以開(kāi)關(guān)量輸出表示，縱坐標(biāo)1、2、3、4分別表示插植機(jī)構(gòu)上升、中立、下降和插秧4個(gè)操作；a～h表示插秧機(jī)作業(yè)狀態(tài)改變的時(shí)刻。在a時(shí)刻，插秧機(jī)起步，以0.3 m/s左右的速度行走，機(jī)具執(zhí)行插秧操作，穩(wěn)定后速度升至0.6 m/s；b時(shí)刻，插秧機(jī)開(kāi)始減速，插秧狀態(tài)不變，以0.5 m/s左右的速度行駛至B點(diǎn)；c時(shí)刻，插秧機(jī)具上升，由于插秧機(jī)分配動(dòng)力用于提升作業(yè)，作業(yè)速度受到干擾，c時(shí)刻后速度有約5%的下降；d時(shí)刻，上升結(jié)束，插植擋回中立位，插秧機(jī)速度增加約5%；c時(shí)刻和d時(shí)刻插植機(jī)構(gòu)的操作對(duì)插秧機(jī)速度有影響，但專家PID算法能迅速工作，控制速度在小范圍波動(dòng)，最大誤差為0.09 m/s；e時(shí)刻，插秧機(jī)減速至零后，迅速過(guò)渡到f時(shí)刻，以-0.3 m/s的速度倒車(chē)至第2行起點(diǎn)；g時(shí)刻，插秧機(jī)速度基本為零，插植機(jī)構(gòu)操作機(jī)具下降，變速機(jī)構(gòu)操作插秧機(jī)前進(jìn)；h時(shí)刻執(zhí)行插秧操作，此時(shí)插秧機(jī)已加速至0.6 m/s開(kāi)始插秧作業(yè)；g時(shí)刻和h時(shí)刻的操作，先下降機(jī)具，再掛擋加油門(mén)啟動(dòng)插秧機(jī)的同時(shí)插秧操作開(kāi)始，作業(yè)操控動(dòng)作與人工操作一致。試驗(yàn)結(jié)果表明，插秧機(jī)速度和插植聯(lián)合控制效果良好。

4 結(jié)論

(1)以井關(guān)PZ-60型水稻插秧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)插秧機(jī)機(jī)械式變速和插植機(jī)構(gòu)的特性，設(shè)計(jì)了具有 CAN通信接口的手自一體的改造方案；采用電子手柄、推桿電機(jī)和作業(yè)控制器等作為變速機(jī)構(gòu)和插植機(jī)構(gòu)的硬件，構(gòu)建了插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了基于SAE J1939協(xié)議的自定義數(shù)據(jù)幀CAN通信接口，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

(2)根據(jù)水稻插秧機(jī)作業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)作業(yè)控制算法：由于作業(yè)過(guò)程中速度波動(dòng)受作業(yè)工況的影響較大，基于專家控制思想設(shè)計(jì)了專家PID控制算法，細(xì)化了速度波動(dòng)過(guò)程中的控制規(guī)則；設(shè)計(jì)了帶死區(qū)PID控制算法，實(shí)現(xiàn)插植機(jī)構(gòu)的閉環(huán)位置控制；由于變速和插植作業(yè)需相互配合才能滿足插秧機(jī)作業(yè)要求，故設(shè)計(jì)了聯(lián)合控制策略。

(3)分別進(jìn)行了水泥路面、泥底層平坦的水田和泥底層不平且泥腳較深的水田速度控制試驗(yàn)以及泥底層平坦的水田聯(lián)合控制試驗(yàn)。速度控制試驗(yàn)表明，3種工作環(huán)境下，速度平均誤差分別為3.25%、5.40%和8.01%，速度平均誤差不超過(guò)10%的概率分別為98.6%、90.1%和68.0%；聯(lián)合控制試驗(yàn)表明，插秧機(jī)作業(yè)狀態(tài)改變時(shí)，速度控制和插植控制配合合理，作業(yè)操控動(dòng)作與人工操作相當(dāng)，聯(lián)合控制效果良好；試驗(yàn)結(jié)果表明，插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)滿足插秧機(jī)在無(wú)人駕駛時(shí)自動(dòng)作業(yè)的需求。