高速插秧機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研制

印 祥，劉崗微，楊騰祥，金誠謙,

(1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000；2. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京 210014)

0 引言

隨著自動控制技術(shù)和導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)裝備的自動化程度和智能化水平也在不斷提高。作為農(nóng)業(yè)裝備智能化的重要支撐技術(shù)，基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS, Global Navigation Satellite System)的農(nóng)機自動導(dǎo)航越來越多地應(yīng)用于拖拉機、自走式聯(lián)合收獲機及乘坐式高速插秧機等田間行走機械的作業(yè)過程中[1-4]。農(nóng)機自動導(dǎo)航系統(tǒng)主要由衛(wèi)星定位接收裝置、姿態(tài)測量裝置、自動轉(zhuǎn)向裝置、導(dǎo)航控制器與操作界面、速度自動控制裝置和CAN總線通信控制系統(tǒng)組成。其中，自動轉(zhuǎn)向是實現(xiàn)農(nóng)機自動導(dǎo)航的基礎(chǔ)和前提。目前，針對輪式拖拉機的自動轉(zhuǎn)向，主要通過在原有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上并聯(lián)電磁比例閥和電磁換向閥的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)向油缸的自動控制[3,5]；而乘坐式高速插秧機大多采用整體式液壓助力轉(zhuǎn)向裝置，不能通過并聯(lián)油路的方式實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向[6-8]。在采用步進(jìn)電機提供轉(zhuǎn)向力矩以帶動方向盤轉(zhuǎn)動的情況下，因步進(jìn)電機具有保持力矩，需要在步進(jìn)電機和轉(zhuǎn)向軸之間安裝離合機構(gòu)以切斷步進(jìn)電機的動力，便于緊急情況下的人工操作。

本文針對高速插秧機自動轉(zhuǎn)向的上述問題，以無刷電機作為動力源研制了基于數(shù)字PID(比例-積分-微分)控制方法的高速插秧機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

筆者以市場上現(xiàn)有的乘坐式高速插秧機久保田SPV-6C為作業(yè)平臺，結(jié)合其底盤結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)的特點，研制了如圖1所示的高速插秧機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括帶減速器的無刷電機、電機驅(qū)動器、轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)角傳感器、傳動機構(gòu)及工控機等。轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)轉(zhuǎn)角傳感器的測量值和通過CAN總線接收到的轉(zhuǎn)向指令，實時計算無刷電機的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度并將指令信號發(fā)送至電機驅(qū)動器以控制無刷電機的動作。傳動機構(gòu)將無刷電機的旋轉(zhuǎn)力矩傳遞至插秧機液壓轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向管柱。轉(zhuǎn)角傳感器用以檢測前輪的轉(zhuǎn)向角度并將其反饋至轉(zhuǎn)向控制器。工控機通過CAN總線將轉(zhuǎn)向指令發(fā)送至轉(zhuǎn)向控制器。

圖1 自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Structure of automatic steering system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

將高速插秧機置于旱地、水田中，采用扭力扳手測量并記錄旋轉(zhuǎn)方向盤過程中的扭矩變化，其最大值為9.6 N·m。考慮到水田作業(yè)過程中泥腳深、易陷車等因素會導(dǎo)致方向盤旋轉(zhuǎn)阻力增大，該文選用12V、200W的無刷減速電機，減速比為30，額定輸出扭矩和轉(zhuǎn)速分別為18N·m和100r/min。

如圖2所示：為便于機械部分的安裝，采用鏈條鏈輪傳動機構(gòu)將無刷減速電機的輸出傳遞至插秧機轉(zhuǎn)向管柱，同時保留方向盤以滿足人工操作的需求。同時，無刷減速電機的輸出端安裝有摩擦式扭矩限制器以保證在緊急情況下操作人員能夠克服電機扭力轉(zhuǎn)動方向盤。

圖2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)及其安裝Fig.2 Installation of steering mechanism

2.2 轉(zhuǎn)向角測量

該文選用旋轉(zhuǎn)式精密電位計作為轉(zhuǎn)角傳感器測量轉(zhuǎn)向角度，其輸入軸通過同步帶傳動機構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸聯(lián)接。通過測量高速插秧機的轉(zhuǎn)向機構(gòu)運動特點以及前輪轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向軸的角度關(guān)系和旋轉(zhuǎn)范圍，選用了有效角度為360°、阻值5kΩ的旋轉(zhuǎn)電位計，并確定同步帶傳動的傳動比為3∶1，以保證測量角度在電位計的測量范圍之內(nèi)。

2.3 轉(zhuǎn)向控制器設(shè)計

轉(zhuǎn)向控制器是自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制核心，用以讀取轉(zhuǎn)向角傳感器的角度測量值，接收CAN總線上的轉(zhuǎn)向指令，并實時計算無刷電機的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)上述系統(tǒng)功能要求，本研究以PIC18F458單片機為中央處理器、PCA82C250為CAN總線接口芯片、MAX232為串口芯片設(shè)計并制作了如圖3所示的轉(zhuǎn)向控制器硬件電路。

轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度測量值為模擬信號(0～5V)，由中央處理器內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(0～1024)。中央處理器通過PCA82C250接收轉(zhuǎn)向指令，并通過MAX232輸出相關(guān)運算結(jié)果以便于調(diào)試與監(jiān)控程序的運行過程。引腳C2和D0分別輸出PWM信號和高/低電平信號至電機驅(qū)動器，以控制電機的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。

圖3 轉(zhuǎn)向控制器Fig.3 Automatic steering controller

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)向控制算法

本研究采用PID控制算法實時計算無刷電機的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，其控制原理如圖4所示。

圖4中，φd和φa分別為期望角度值和實際角度值，E(ti)為ti采樣時刻的角度誤差，則

E(ti) =φd-φa

(1)

文中，KP、KI和KD分別為比例運算、積分運算和微分運算的調(diào)整系數(shù)，則SO為

SO=KP·E(ti) +KI·[E(ti)-2E(ti-1)+E(ti-2)+

KD·[E(ti)-E(ti-1)]

(2)

調(diào)整系數(shù)KP、KI和KD的值需要通過轉(zhuǎn)向?qū)嶒灤_定，以保證自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在快速響應(yīng)的同時具有較小的超調(diào)量。當(dāng)SO>0時，無刷電機朝某一方向旋轉(zhuǎn)，使誤差E(ti)減小至0；當(dāng)SO<0時，無刷電機相反方向旋轉(zhuǎn)，使誤差E(ti)減小至0；當(dāng)SO=0時，無刷電機停止。

圖4 PID轉(zhuǎn)向控制算法Fig.4 PIC control algorithm for automatic steering

3.2 軟件設(shè)計

根據(jù)轉(zhuǎn)向控制器硬件電路、轉(zhuǎn)向控制算法、轉(zhuǎn)向控制器的輸入輸出信號等要求，基于MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境開發(fā)了轉(zhuǎn)向控制器程序，其工作流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后，首先接收CAN總線上的轉(zhuǎn)向指令，然后讀取角度傳感器的數(shù)值，根據(jù)PID轉(zhuǎn)向控制算法計算SO的值，判斷SO值的大小后向電機驅(qū)動器發(fā)送相應(yīng)的PWM信號和高低電平信號。

根據(jù)圖5所示的工作流程，本研究在基于C語言的PIC單片機編程環(huán)境下完成了程序編寫，利用PICkit3編程器進(jìn)行了程序下載和在線仿真測試。

圖5 轉(zhuǎn)向控制器工作流程圖Fig.5 Flow chart of steering controller

4 試驗與數(shù)據(jù)分析

如圖6所示：為了評價所研制的高速插秧機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作性能，將RTK-GNSS接收機安裝于高速插秧機的前橋上方，由工控機以10Hz的控制頻率給轉(zhuǎn)向控制器發(fā)送轉(zhuǎn)向角度指令，記錄不同前輪轉(zhuǎn)向角下的RTK-GNSS定位數(shù)據(jù)以描述其行駛軌跡。

圖6 轉(zhuǎn)向控制實驗Fig.6 Experiments for automatic steering

本研究規(guī)定左轉(zhuǎn)時的前輪轉(zhuǎn)向角為正、右轉(zhuǎn)時的前輪轉(zhuǎn)向角為負(fù)。角度指令在[-5°,+5°]范圍時，轉(zhuǎn)彎半徑較大，僅記錄其轉(zhuǎn)向誤差變化；角度指令在[-40°，-5°)和(+5°，+40°]范圍內(nèi)時，根據(jù)其行駛軌跡計算平均轉(zhuǎn)彎半徑，同時記錄轉(zhuǎn)向誤差變化。

表1為實驗過程中所記錄的測量數(shù)據(jù)。圖7所示為角度指令分別為-8°、-15°、-25°時高速插秧機的行駛軌跡。圖7中灰色線條為RTK-GNSS記錄的實際行駛軌跡，黑色線條為理論行駛軌跡。

表1 自動轉(zhuǎn)向?qū)嶒濼able 1 Automatic steering experiments

續(xù)表1

(a) φd=8°，Ra=7.49m

(b) φd=15°，Ra=4.35m

(c) φd=25°，Ra=2.50m圖7 行駛軌跡Fig.7 Movement trajectories

由角度的最大誤差、均方根誤差和行駛軌跡可知：本文所研制的電動自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在[-10°，10°]范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向控制誤差小于1°，具備良好的控制穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足高速插秧機田間自動導(dǎo)航的基本要求。

5 結(jié)論

1)研制了高速插秧機自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠通過CAN總線接收轉(zhuǎn)向指令，使前輪轉(zhuǎn)動至期望的角度值。

2)該系統(tǒng)采用直流無刷電機作為動力源，經(jīng)減速增扭和鏈輪鏈條傳動后帶動高速插秧機的轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)，機械結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝。

3)無刷電機的輸出端采用扭矩限制器，能夠保證緊急情況下的人工操作。

4)田間試驗表明：該系統(tǒng)在[-10°,+10°]范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向控制誤差小于1°，具備良好的控制穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足高速插秧機田間自動導(dǎo)航的基本要求。