農業自動導航系統移動試驗平臺的研制

印 祥，楊自棟，金誠謙,3，杜 娟

(1.山東理工大學，山東 淄博 255000；2. 浙江農林大學，浙江 臨安 650201；3.農業農村部 南京農業機械化研究所，南京 210014)

0 引言

當前，農業自動導航系統主要滿足于田間直線行駛的需求，隨著農業生產規模化和精細化的不斷發展，農業機械要求自動導航系統具備田間道路自動跟蹤、地頭自動轉彎、自主避障和路徑自動規劃等一系列功能，是實現農業機械無人駕駛的前提和基礎，也是農業自動導航領域的研究熱點[8-10]。為了驗證導航控制算法、評價導航系統的穩定性和導航精度，需要進行大量的田間試驗。若采用拖拉機、聯合收獲機等大型農業機械進行導航試驗測試，在機械日常維護保養、控制系統研制、試驗材料等方面的成本較高。

針對導航試驗成本較高的問題，本文研制了一種使用成本較低、便于操作與控制的農業自動導航系統移動試驗平臺。基于CAN總線通信網絡，該試驗平臺能夠接收農業自動導航系統的控制指令，完成自動轉向、自動巡航及前進后退自動切換等基本操作。

1 試驗平臺構成

以一臺四輪電動車為平臺原型，結合其機械執行機構和電氣操作系統的功能特點，研制出了農業自動導航系統移動試驗平臺，如圖1所示。

圖1 試驗平臺構成

該試驗平臺主要包括自動轉向系統、自動巡航系統、自動操作系統、數據處理與顯示終端、CAN總線通信網絡及其預留接口等。

自動轉向系統通過CAN總線接收轉向指令，將前輪轉動至指定角度；自動巡航系統根據速度指令，控制驅動電機的轉速以保持指定的行駛速度；數據處理與顯示終端用以發送或接收CAN總線數據，對試驗平臺的工作狀態進行實時監測；待測試的農業自動導航系統通過CAN總線預留接口向試驗平臺其它子系統發送控制指令，實現轉向、速度、前進后退等基本功能的自動控制。

2 控制系統設計

2.1 自動轉向系統

自動轉向系統接收農業自動導航系統發出的轉向指令，控制前輪轉動至所期望的角度，控制原理如圖2所示。系統主要包括轉向控制器、電機驅動器、轉向電機、角度傳感器及轉向機構等。

圖2 自動轉向原理框圖

為保證轉向機構的結構緊湊，采用電動助力轉向管柱代替試驗平臺原有的轉向管柱，如圖3所示。以其上所具有的12 V、270 W直流有刷電機作為轉向電機，通過蝸輪蝸桿傳動總成減速增扭以提供足夠大的轉向力矩，轉向管柱的動力輸出軸通過萬向節與轉向器的輸入軸聯接。

圖3 自動轉向機構

角度傳感器采用阻值為5Ω的精密導電塑料電位器，測量角度范圍是0°～180°，用于測量前輪的轉向角度。采用聯軸器和軟軸將轉向立柱和角度傳感器的輸入軸聯接，車輪轉向時角度傳感器的輸出值能夠直接反應其轉向角度，如圖4所示。

把所有護士在考核期間得到的數據用SPSS 19.0統計學軟件進行處理分析,計量資料用均數±標準差表示,比較用t檢驗,差異顯著(P﹤0.05)時,表示有統計學意義。

轉向控制器以PIC18F458單片機為核心，具有CAN總線收發、RS232串口通信、A/D轉換及D/A轉換等功能，能夠接收并識別出CAN總線上的轉向指令，同時讀取角度傳感器的數值。將設定角度和實際角度進行比較，采用如圖5所示的數字PID控制算法計算轉向電機的旋轉方向和旋轉速度，向電機驅動器發送相應的控制信號，使轉向機構動作以帶動前輪轉向。

圖4 角度傳感器安裝

圖5 轉向控制算法

2.2 自動巡航系統

在田間行駛過程中，因地面崎嶇不平、土壤緊實度不同，作業車輛所受地面阻力不斷變化，導致其行駛速率變化較大。為保證車輛以所期望的速度正常行駛，需要實時調整其動力輸出。自動巡航系統主要包括速度控制器、驅動電機控制器及車速傳感器等，如圖6所示。

圖6 自動巡航系統

車速傳感器采用600線增量式光電編碼器，將其輸入軸與左后輪的旋轉中心聯接。當車輪轉動時，輸出脈沖至速度控制器，如圖7所示。

在不考慮打滑的前提下，試驗平臺的實際行駛速率Sa為

(1)

其中，D為輪子直徑；N為編碼器線數；T為采樣間隔時間；P為T時間內的脈沖數。

圖7 自動巡航系統

速度控制器接收并識別CAN總線上的車速指令，計算實際車速Sa與期望車速Sd的差值e(i)，采用如公式(2)計算并輸出合適的模擬電壓信號至驅動電機控制器，以保證移動試驗平臺維持既定的車速。

Vi+1=Vi+kPe(i+1)+kI[e(i+1)-2e(i)+e(i-1)]+kD[e(i+1)-e(i)]

(2)

其中，KP、KI、KD分別為PID數字控制器的比例、積分、微分項的3個參數，在試驗測試時根據試驗平臺的動態性能進行調整。

2.3 自動操作系統

在田間作業過程中，除轉向和變速外農業機械需要具備前進、后退、剎車等基本功能。為此，本文在車輛原有電氣操控系統的基礎上，開發了自動操作系統，主要包括自動控制單元、繼電器及手自動切換開關等，如圖8所示。

圖8 自動操作系統

圖8中，K1、K2、K3為車輛原有手動開關，R1、R2、R3為繼電器開關，Q1、Q2、Q3為手動自動切換開關。驅動電機控制器的3個端口D0、D1、D2分別為前進、后退、剎車控制端口，當端口接通高電平+5V時，執行相應的操作。在自動控制模式下，自動控制單元接收并識別CAN控制指令，通過數字I/O口向繼電器Q1、Q2、Q3的控制端發送高/低電平信號，以接通繼電器開關R1、R2、R3，完成前進、后退、剎車等功能的自動控制。

3 試驗測試與結果分析

將本文所研制的自動控制裝置集成到試驗平臺上，以工控電腦作為數據處理與顯示終端，進行了自動轉向、自動巡航等系統的試驗測試，對試驗平臺綜合性能進行評價。

3.1 自動轉向測試

自動轉向試驗的目的是測定一系列轉向指令下前輪的轉向角，獲得車輪實際轉向角與數字指令間的關系曲線，對轉向系統進行標定，以提高其轉向控制精度。如圖9所示，將劃線桿固定于左前輪安裝盤上，通過工控電腦向CAN總線發送一系列轉向指令，同時將前輪的實際轉向位置記錄于A0圖紙上。

1.角度傳感器 2.聯軸器 3.軟軸 4.前懸掛 5.安裝盤 6.劃線桿

自動轉向的測量記錄如圖10(a)所示。因A0圖紙上的測量線條較多且分布密集，相鄰線條之間的夾角用量角器無法準確測量其角度。本研究中，采用掃描儀將測量圖紙掃描成圖片，將掃描圖片導入CAXA制圖軟件中，用直線命令對圖片上的線條進行逐一描繪，用CAXA標注角度命令標注所有線條與0°線之間的角度，結果如圖10所示。

本研究中，車輪右轉角度值為正，左轉角度值為負。最后，將CAXA中的角度值輸出并保存至文件中，得到了轉向角測量的全部數據。角度測量曲線如圖11所示，其回歸方程為Y=-0.29X+42.0。角度分辨率最大為0.4°，最大誤差為1.0°。由此可以看出，自動轉向系統的控制精度和線性度能夠滿足農業自動導航系統測試的基本要求。

圖10 自動轉向測試

圖11 角度測量曲線和回歸曲線

3.2 自動巡航測試

自動巡航測試的主要目的是評價試驗平臺在自動行走時能否維持設定的車速及車速控制的穩定性。試驗過程中，由工控電腦向CAN總線發送一系列車速指令，并通過其RS232串口實時接收并記錄速度控制器輸出的實際車速測量值，從而得到每個車速指令所對應的實際車速。圖12所示為速度理論值Sd和實際車速Sa平均值的比較曲線，其最大誤差為0.3m/s。因此，自動巡航系統能夠以較高的精度保持試驗平臺以設定車速自動行駛。

圖12 自動巡航測試

4 結論

1)采用直流電機作為動力源、角度傳感器作為前輪轉向角度反饋單元，以PIC18F458單片機為轉向控制核心，研制了電動自動轉向系統。采用增量式編碼器測量行駛速度，以數字PID算法為基礎，完成了自動巡航系統的開發。

2)在保留試驗平臺手動操作功能的前提下，采用并聯繼電器的方式，由自動控制單元的數字I/O口控制繼電器開關，實現了試驗平臺基本操作功能的自動控制。

3)試驗測試表明：所研制的農業機械自動導航移動試驗平臺能夠接收CAN總線上的轉向指令和速度指令，完成試驗平臺的自動轉向和自動巡航，在控制精度和可靠性方面能夠滿足農業機械自動導航系統測試的基本要求。