陳 康 周志峰 王永泉 陳 寧

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201600；2.上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 201100)

在國外,農(nóng)機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究較早，如Qiu H和Zhang Q設(shè)計了由液壓泵、比例換向閥及轉(zhuǎn)向控制器等組成的拖拉機電液操控系統(tǒng)[1]；美國天寶公司的Autopilot用GPS和GLONASS雙衛(wèi)星定位，控制農(nóng)機的轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，驅(qū)使農(nóng)機自動行駛；日本拓普康公司的System350使用GPS、GLONASS和Galileo多星一體化接收機并帶慣導(dǎo)傳感器。在國內(nèi),謝斌等基于ISO11783提出了一種CAN總線和GPS的分布式控制系統(tǒng)[2]；何卿等采用帶非線性補償?shù)腜ID控制器設(shè)計了雙層控制器接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)[3]；白曉鴿等設(shè)計了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拖拉機自動導(dǎo)航系統(tǒng)[4]；紀(jì)朝鳳等開發(fā)了基于CAN總線的農(nóng)業(yè)車輛自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)[5]；胡煉等設(shè)計了一種基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)[6]；張智剛等在久保田插秧機上開發(fā)了基于DGPS和電子羅盤的導(dǎo)航控制系統(tǒng)[7]。由于目前國內(nèi)外所有的自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)均不支持北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，因此筆者設(shè)計了一款支持北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的農(nóng)機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計①

筆者設(shè)計的農(nóng)機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)基準(zhǔn)站調(diào)制并發(fā)射無線電信號，安裝在農(nóng)機頂部的GNSS接收機接收GPS、BDS和GLONASS衛(wèi)星信號，駕駛室壁上的電臺解調(diào)無線電信號，工控機處理接收機和電臺接收的信號并發(fā)送轉(zhuǎn)向控制信號給轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)，該工控機固定于座位底部，使用觸摸屏設(shè)置農(nóng)機參數(shù)和行進(jìn)路線，在農(nóng)機原油路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造并增加電控比例液壓閥，在左前輪軸上安裝角度傳感器，實時采集前輪動向回饋給工控機。

圖1 農(nóng)機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 基準(zhǔn)站和接收機

三星定位，即接收機能接收到GPS、BDS和GLONASS的衛(wèi)星信號，保證在每一接收點至少可接收到9～12顆衛(wèi)星的信號,通過復(fù)雜的運算得到高精度的位置坐標(biāo)。基準(zhǔn)站指用作固定參考站的儀器，作業(yè)時基準(zhǔn)站將已知的精密坐標(biāo)和接收到的衛(wèi)星信息直接或經(jīng)過處理后實時發(fā)送給流動站接收機，即農(nóng)機頂部的接收機，流動站接收機在進(jìn)行GNSS觀測的同時，也接收到基準(zhǔn)站的信息，通過對結(jié)果進(jìn)行改正來提高定位精度。

接收機的OEM主板采用上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)有限公司的支持BDS(北斗導(dǎo)航衛(wèi)星)、GPS和GLONASS的三星八頻低功耗K508 GNSS OEM主板，該主板采用北斗三頻、GPS三頻及GLONASS雙頻進(jìn)行聯(lián)合定位，具有超遠(yuǎn)距離、超快速的高動態(tài)RTK解算引擎，且可獲得分米級定位精度，作業(yè)距離可達(dá)300km，可直接輸出PJK平面坐標(biāo)、高精簡報文。

1.2 工控機

設(shè)計中采用速率達(dá)720MHz的AM3359處理器、運行全面的Linux Angstrom操作系統(tǒng)和接口豐富的Beagle Bone作為工控機，保證了穩(wěn)定性和處理大量數(shù)據(jù)的速度。工控機通過RS232串口接收GNSS接收機和電臺的實時信息，通過CAN總線和下位機保持通信，通過RS232串口和LCD觸摸屏連接。工控機根據(jù)衛(wèi)星定位的坐標(biāo)和車輪的轉(zhuǎn)動情況，用雙通道PD算法通過判斷偏差信號的正負(fù)得出轉(zhuǎn)動方向，實時向液壓控制閥發(fā)送指令，通過控制液壓系統(tǒng)油量的流量和流向，控制農(nóng)機的行駛，確保農(nóng)機自動導(dǎo)航。工控機組成框圖如圖2所示。

圖2 工控機組成框圖

1.3 轉(zhuǎn)向控制

工控機通過處理GNSS接收機、無線電臺和前輪轉(zhuǎn)向角傳感器實時信息實現(xiàn)智能行為決策,產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信息指令，轉(zhuǎn)向控制ECU驅(qū)動電控比例液壓閥動作，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn),進(jìn)而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向動作。設(shè)計采用模糊自適應(yīng)PID控制方法[8]，首先計算實際航向與目標(biāo)航向的偏差,然后減去實際的前輪轉(zhuǎn)角,將其作為轉(zhuǎn)向控制ECU的輸入,轉(zhuǎn)向控制ECU輸出車輪的目標(biāo)轉(zhuǎn)角。該目標(biāo)轉(zhuǎn)角和實際轉(zhuǎn)角作為電控比例液壓閥的輸入,電控比例液壓閥控制油缸執(zhí)行動作,消除轉(zhuǎn)角偏差,從而達(dá)到自動導(dǎo)航的目的(圖3)。

圖3 轉(zhuǎn)向控制框圖

1.4 切換方向盤

農(nóng)機遇到突發(fā)情況時，需迅速切換到人工駕駛，為此設(shè)計一個方向盤，方向盤套(圖4)內(nèi)的壓力傳感器帶有長形皮管，人用在壓力管上的壓力最大為30N，管的橫截面積為300mm2，則最大壓力量程為100kPa。筆者選擇飛思卡爾傳感器(型號MPX5100AP，精度±2.5%，量程100kPa)。當(dāng)人手握住方向盤時，壓力傳感器的壓力管受到擠壓，壓力變化,傳感器輸出信號給工控機，從而實現(xiàn)無人和人工駕駛的迅速切換。

圖4 方向盤套子示意圖

2 導(dǎo)航算法

本設(shè)計采用帶定位誤差校正的粒子濾波(PF)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[9]，可削弱GNSS跳變引起的誤差，且可獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位信息。粒子退化問題在粒子濾波過程中不可避免，因此引入無跡卡爾曼濾波方法(UKF)，采用不同重采樣方法，且對重要密度函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，從而有效抑制了粒子退化，又增加(馬爾科夫鏈蒙特卡羅)MCMC步驟，減少了樣本枯竭現(xiàn)象。

2.1 定位誤差校正

農(nóng)機在田間作業(yè)時,因地面凹凸不平,不可避免地產(chǎn)生俯仰角和橫滾角，GNSS天線端與車體中心不重合，使測得的GNSS數(shù)據(jù)存在誤差、定位精度下降，影響了初始狀態(tài)，導(dǎo)致濾波發(fā)散，因此必須加以校正[10]。

首先計算車體在橫軸和縱軸方向產(chǎn)生的定位誤差：

(1)

(2)

式中H——GNSS天線的距地高度；

θ——俯仰角度，車體縱向中軸線與地平面的夾角；

?——橫滾角度，車體橫向軸線與地平面的夾角。

(3)

(4)

式中φ——航向角度，車體縱向前進(jìn)方向與高斯平面坐標(biāo)系橫軸之間的夾角。

使用該定位誤差即可對GPS原始定位數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜校正。

2.2 PF-UKF-MCMC方法

(5)

狀態(tài)更新的表達(dá)式為：

(9)

(10)

式中pk——協(xié)方差；

3 試驗測試

為檢測所設(shè)計的農(nóng)機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的精度，在江蘇省鹽城市大豐縣四岔河農(nóng)場，將設(shè)計的系統(tǒng)安裝到New Holland T1554農(nóng)機上，然后預(yù)定好行走的直線和曲線路線，設(shè)置農(nóng)機速度為1m/s進(jìn)行試驗。GNSS接收機記錄農(nóng)機行走實時位置的經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，繪制實際跟蹤軌跡。進(jìn)行多次試驗，對導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行評價和分析。

直線行走時跟蹤結(jié)果如圖5所示，最大橫向偏差16cm，平均橫向偏差小于8cm。

圖5 一次直線行走的跟蹤結(jié)果

曲線行走時跟蹤結(jié)果如圖6所示，最大橫向偏差31cm，平均橫向偏差小于14cm。

圖6 一次曲線行走的跟蹤結(jié)果

試驗結(jié)果表明，安裝該自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的農(nóng)機能夠滿足農(nóng)田作業(yè)要求。

4 結(jié)論

4.1使用上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)有限公司的三星八頻GNSS接收機，可以接收GPS、GLONASS和北斗衛(wèi)星，優(yōu)化以前接收機收星少、精準(zhǔn)度不高及易受障礙物干擾等缺點。

4.2采用帶傳感器的特制方向盤，有效解決了以前自動導(dǎo)航系統(tǒng)在遇到突發(fā)情況時，切回人工駕駛模式有延遲的問題。

4.3采用帶定位誤差校正的粒子無跡卡爾曼濾波方法，削弱了因田地復(fù)雜環(huán)境引起的GNSS跳變誤差，使導(dǎo)航定位更加準(zhǔn)確。

4.4試驗表明，農(nóng)機行進(jìn)速度1m/s時，該自動導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤最大誤差小于16cm，且具有良好的控制精度和穩(wěn)定性。