偉利國，胡小安，王麗麗

(1.土壤植物機器系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083;2.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，北京 100083)

隨著國家開發(fā)利用鹽堿地、提高土地綜合生產(chǎn)能力等相關(guān)舉措的實施，暗管改堿技術(shù)在我國北方以及沿海地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。暗管改堿技術(shù)中的一項重要內(nèi)容是暗管鋪設(shè)、濾水排堿［1-5］。開溝鋪管機是專用于暗管改堿技術(shù)的大型工程機械，可將滲管以精確的高程和坡度埋入地下，而滲管鋪設(shè)的直線度，一般采取人為在地頭兩端豎立標志桿的方式，指引開溝鋪管機上的駕駛員直線行駛［6］。由于田間作業(yè)風沙大，駕駛員的駕駛水平及長時間枯燥乏味的跟蹤駕駛，對開溝鋪管作業(yè)的直線度有很大影響。而采取類似攤鋪機左右鏈輪同速控制方法，保證直線行走，由于田間地面凹凸不平，很難收到理想的效果。筆者通過對開溝鋪管機行走機構(gòu)進行電控設(shè)計改造，結(jié)合GPS技術(shù)與智能控制策略，使開溝鋪管機能跟蹤預(yù)設(shè)直線路徑行走，實現(xiàn)開溝鋪管自動導航作業(yè)，可有效地減輕駕駛員的勞動強度，減少勞動力，提高滲管鋪設(shè)直線度精度。

1 電液控制驅(qū)動行走系統(tǒng)設(shè)計

開溝鋪管機采用液壓驅(qū)動，履帶式行走機構(gòu)，左右履帶各有一套液壓驅(qū)動裝置，通過調(diào)節(jié)伺服閥開度來改變驅(qū)動馬達上的液壓流量，從而控制左右履帶行走速度。驅(qū)動馬達上安裝有測速編碼器，通過采集編碼器數(shù)字脈沖信號，可推算出左右履帶行走速度。行走機構(gòu)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 行走機構(gòu)電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

開溝鋪管機行走控制器由微控制器、信號采集、U/I轉(zhuǎn)換和進退換向電路等部分組成。微控制器采用Microchip公司的PIC18F2580。該處理器采用納瓦技術(shù)，功耗低，抗干擾能力強，外圍接口豐富，如 CCP模塊(PWM)、MSSP模塊(SPI，I2C)、EUSART模塊、ECAN模塊、AD模塊等，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用需求［7］。信號采集模塊通過對測速編碼器數(shù)字脈沖信號進行單位時間計數(shù)，推算出當前車輛左右履帶行進速度V，即:

式中:N為單位時間脈沖數(shù);n1為編碼器轉(zhuǎn)一圈脈沖數(shù);i為驅(qū)動馬達到履帶驅(qū)動齒輪的傳動比;d為履帶驅(qū)動齒輪的分度圓直徑。

U/I轉(zhuǎn)換電路負責將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號范圍為20～80 mA，用于驅(qū)動電磁閥線圈，調(diào)整電磁閥的開度，從而達到調(diào)節(jié)驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速的目的。通過數(shù)模D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，D/A轉(zhuǎn)換器采用TLC5615，與微控制器采用3線串行輸入，10位數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出，其參考電壓源3 V由芯片AD780提供，D/A轉(zhuǎn)換分辨率為3 mV/bit，使系統(tǒng)具有較高的轉(zhuǎn)換輸出精度。進退換向電路負責改變輸入電磁閥線圈的電流方向，控制驅(qū)動馬達的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)左右履帶行走前進或倒退。行走控制器通過CAN總線與車載計算機進行數(shù)據(jù)通信，布線簡單，通信可靠性高。整個系統(tǒng)采用24 V工作電壓，低功耗設(shè)計，與外部設(shè)備的接口進行光電隔離，降低外部干擾，提高系統(tǒng)工作可靠性。

2 自動導航系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開溝鋪管機自動導航系統(tǒng)包括GPS、車載計算機、行走控制器、傳感器及各執(zhí)行機構(gòu)等部分，系統(tǒng)組成如圖2所示。開溝鋪管機自動導航系統(tǒng)具備兩方面的功能:一是定位，即精確判斷車輛當前相對于已知參考點的位置以及車輛的姿態(tài);二是控制，即決策和執(zhí)行必要的操縱控制量，使開溝鋪管機可以在預(yù)定的路線上行走［8-12］。

圖2 開溝鋪管機自動導航系統(tǒng)

車載計算機是針對農(nóng)業(yè)工程智能裝備自主組裝開發(fā)的一款多功能PC一體機，作為系統(tǒng)的人機交互接口，可進行作業(yè)參數(shù)的設(shè)置，顯示農(nóng)業(yè)工程機械作業(yè)軌跡，通過處理GPS和左右履帶速度傳感器信息實現(xiàn)智能行為決策，輸出導航信息指令，并存儲相關(guān)作業(yè)過程數(shù)據(jù)。車載計算機集成了GPS定位模塊和3 G無線通信模塊，實現(xiàn)車輛的田間定位和遠程數(shù)據(jù)傳輸。集成ECAN通信模塊，RS232/422/485接口，可方便與現(xiàn)場控制檢測設(shè)備進行組網(wǎng)連接。壓鑄鋁殼體，適應(yīng)于惡劣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。GPS采用RTK定位方式，基準站為Trimble5700接收機，移動站為AgGPS332農(nóng)業(yè)型GPS接收機，靜態(tài)定位精度小于2 cm，定位信息輸出頻率設(shè)定為5 Hz。行走控制器根據(jù)車載計算機的導航信息指令，調(diào)整輸出信號的大小，控制驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速，從而對左右履帶行走車速進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)開溝鋪管機航向與前進速度的控制。

2.2 導航控制方法

開溝鋪管機自動導航控制中主要是對左右履帶行走速度控制，通過對左右履帶差速控制，實現(xiàn)開溝鋪管機航向的調(diào)整。為了模擬人工駕駛，采用模糊控制方法，構(gòu)建開溝鋪管機轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)，其自動導航控制框圖如圖3所示。首先車載計算機通過安裝在車輛上的傳感器組，獲取車輛位置姿態(tài)信息以及左右履帶行走速度，解算出車輛當前位置相對于預(yù)定路徑的偏航距離Ed、航向偏差Ea，作為二維模糊控制器的輸入變量。模糊控制器將偏差信息進行模糊量化處理，Ed和Ea的模糊集均為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，論域均為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。根據(jù)事先建立的模糊控制規(guī)則，采用Mamdani推理法進行模糊推理及非模糊化處理，給出左右履帶行走控制量u。車載計算機通過CAN總線將控制量u發(fā)送給行走控制器，然后由行走控制器輸出控制信號，調(diào)整左右驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速，從而控制車輛前進速度和轉(zhuǎn)向，達到直線行走的目的。

圖3 自動導航控制框圖

2.3 系統(tǒng)軟件

開溝鋪管機導航系統(tǒng)軟件包括導航路徑規(guī)劃、車輛位置信息解算、控制決策、傳感器數(shù)據(jù)采集顯示、數(shù)據(jù)保存與回放等功能模塊。導航路徑規(guī)劃模塊根據(jù)設(shè)定的路徑參數(shù)，自動生成預(yù)定作業(yè)路徑和路徑信息文件。車輛位置信息解算是通過GPS接收機提供的NEMA信息，解算出車輛當前的坐標位置。數(shù)據(jù)采集模塊完成車速、車輛姿態(tài)等傳感器信息的采集?？刂茮Q策系統(tǒng)根據(jù)車輛當前位置信息，解算出與預(yù)定路徑的偏差，生成控制策略，實時將當前的控制信息發(fā)送到現(xiàn)場控制器，達到控制開溝鋪管機行走系統(tǒng)直線作業(yè)的目的。軟件操作界面流程如圖4所示。

圖4 軟件操作界面圖

3 試驗

3.1 試驗地點

為了檢測開溝鋪管機實際作業(yè)時自動導航系統(tǒng)的導航精度，在山東省東營市廣饒縣丁莊鎮(zhèn)鹽堿地改造田塊，進行了開溝鋪管機自動導航作業(yè)試驗。

3.2 試驗步驟

首先在試驗田地兩端確定兩個點A、B，從而確定一條直線AB，即導航基準線。利用GPS接收機測定A、B點經(jīng)緯度信息，車載計算機內(nèi)路徑規(guī)劃軟件根據(jù)A、B點的經(jīng)緯度信息，自動生成預(yù)定行走的AB直線路徑。GPS導航天線安裝在開溝鋪管機中心軸線上，即開溝鋪管機正常作業(yè)開出的鋪管溝的中心線。然后發(fā)動開溝鋪管機，啟動導航控制系統(tǒng)，聯(lián)動開溝鋪管機構(gòu)，開溝鋪管機以正常的作業(yè)速度自動導航，同時開溝機構(gòu)在田地里開出一條400 mm寬的鋪管溝。開溝鋪管機整個行進過程分為上線和對行導航兩個階段。開始為上線過程，即行走路徑與預(yù)定路徑垂直誤差小于20 cm，持續(xù)時間大于3 s以上，開溝鋪管機即完成上線過程。接下來為對行導航過程，也是與預(yù)定路徑進行比較，衡量開溝鋪管機自動導航精度的過程。

由于在開溝鋪管作業(yè)過程中會破壞事先確定的AB基準線，因此在自動導航作業(yè)之前需要分別在A、B兩點處用直角尺作AB直線的垂線，垂直距離為4 m，得到A1、B1兩點，從而確定一條平行AB直線的導航基準線，用于后續(xù)測量實際導航偏差，評估導航系統(tǒng)的導航控制精度。

3.3 結(jié)果分析

開溝鋪管機自動導航完成后，以剛開出的鋪管溝中心與事先確定的導航基準線進行比較，使用米尺測量兩者之間的垂直偏移距離。圖5為試驗開溝作業(yè)圖。經(jīng)試驗檢測，當開溝鋪管機行走速度不大于0.4 m/s時，自動導航誤差小于10 cm。

圖5 試驗開溝作業(yè)圖

開溝鋪管機按照預(yù)定AB直線行走跟蹤軌跡與導航誤差如圖6所示。圖6(a)為實際跟蹤軌跡圖，其中實線為預(yù)定路徑，虛線為開溝鋪管機實際跟蹤軌跡，S點為開溝鋪管機初始位置。從圖中可看出，開溝鋪管機起始作業(yè)點與預(yù)定路徑具有較大的距離偏差，為2.6 m，自動導航系統(tǒng)可快速地跟蹤到預(yù)定路徑。實際跟蹤偏航誤差如圖6(b)所示。試驗結(jié)果表明，開溝鋪管機在對行導航過程中，偏航誤差控制在10 cm以內(nèi)，自動導航系統(tǒng)具有良好的控制精度和穩(wěn)定性，能夠滿足開溝鋪管機的高精度直線作業(yè)要求。

圖6 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)為了滿足開溝鋪管直線作業(yè)精度的要求，對開溝鋪管機行走機構(gòu)進行手控與自動控制設(shè)計，研制了基于計算機監(jiān)控技術(shù)和GPS技術(shù)的控制器，實現(xiàn)了開溝鋪管機的自動導航作業(yè)。

(2)自動導航控制采用了模糊控制方式，閉環(huán)反饋控制方法實現(xiàn)了開溝鋪管機行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自動跟蹤控制。

(3)開溝鋪管機在田間試驗時，GPS采用RTK定位方式，在車輛行進速度不大于0.4 m/s時，直線跟蹤誤差小于10 cm，基本滿足開溝鋪管機自動對行的精度要求。

(4)開溝鋪管機高程控制目前普遍使用激光制導系統(tǒng)，但因激光發(fā)射和接收受天氣環(huán)境、距離等因素影響較大，能否結(jié)合GPS高程信息進行控制，還需要進一步試驗研究。

［1］李建平，林妙玲.自動導航技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用研究進展［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2006，22(9):232-236.

［2］李恩輝.暗管改堿技術(shù)要點及應(yīng)用前景分析［J］.中國科技信息，2011(10):142-144.

［3］周和平，張立新，禹鋒，等.我國鹽堿地改良技術(shù)綜述及展望［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007(11):159-161.

［4］李廣波，李學森，遲道才.國內(nèi)外暗管排水的發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)［J］.農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2003，23(3):65-70.

［5］牛東玲，王啟基.鹽堿地治理研究進展［J］.土壤通報，2002，33(6):449-450.

［6］江創(chuàng)華.WG300型履帶式全液壓挖溝機［J］.工程機械，2002，33(10):7-8.

［7］李中華，張雨濃，陳卓怡，等.PIC技術(shù)寶典［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2008:54-98.

［8］YOSHISADA N，NAONOBU U，YUTAKA K，et al.Autonomous guidance for rice transplanting using global positioning and gyroscopes［J］.Computers and Electronics in Agriculture，2004(43):223-234.

［9］籍穎，劉兆祥，劉剛，等.基于Kalman濾波農(nóng)用車輛導航定位方法［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40(z1):13-16.

［10］CHO S I，KI N H.Autonomous speed sprayer guidance using machine vision and fuzzy logic［J］.ASAE，1999，42(4):1137-1143.

［11］李士勇.模糊控制·神經(jīng)控制和智能控制論［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1998:34-102.

［12］應(yīng)火冬，HAGRAS H，CALLAGHAN V，et al.農(nóng)業(yè)機器的模糊邏輯控制導航［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2000，31(3):31-34.