仇　義，陳　智，莊新斌，宣傳忠，侯占峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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草籽噴播作業(yè)平臺(tái)導(dǎo)航控制系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)

仇義，陳智，莊新斌，宣傳忠，侯占峰

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：為提高草籽噴播效率，減少人為勞動(dòng)強(qiáng)度，應(yīng)實(shí)現(xiàn)噴播機(jī)自動(dòng)噴播。為此,以車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型作為理論依據(jù)，依靠Labview圖形化編程語(yǔ)言對(duì)GPS和電子羅盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為草籽噴播作業(yè)平臺(tái)導(dǎo)航系統(tǒng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)采用模糊控制策略為導(dǎo)航系統(tǒng)順利工作提供保障。仿真和初步試驗(yàn)結(jié)果表明:該草籽噴播機(jī)作業(yè)平臺(tái)導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究是可行的,具有廣闊的前景。

關(guān)鍵詞：草籽噴播；作業(yè)平臺(tái)；自動(dòng)導(dǎo)航；數(shù)據(jù)采集；模糊控制

0引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化給耕種帶來(lái)了極大的方便，而且隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)用機(jī)械也在逐步向智能化、高端化方向發(fā)展。人們希望提高工作效率的同時(shí)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，這對(duì)草籽噴播機(jī)控制系統(tǒng)研究提出了更深層次的要求。

氣候變化與不合理的土地利用方式導(dǎo)致草原植被嚴(yán)重退化，造成地表土壤養(yǎng)分、有機(jī)質(zhì)的大量流失，土地生產(chǎn)力下降，影響草原植被的正常生長(zhǎng)，產(chǎn)生大范圍的沙塵暴災(zāi)害和大氣環(huán)境污染，影響人類身體健康。因此，高效減緩草原植被退化速度和實(shí)現(xiàn)草原植被正向演替就顯得尤為重要。

為此，在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)退化草原的地形地貌，開(kāi)發(fā)草籽噴播作業(yè)平臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，為噴播技術(shù)快速修復(fù)退化草原植被提供可靠的技術(shù)保障。

1車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

采用四輪電動(dòng)車作為試驗(yàn)平臺(tái),轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)利用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)來(lái)控制。噴播機(jī)運(yùn)動(dòng)模型如圖1所示。當(dāng)試驗(yàn)平臺(tái)直線行走時(shí)，特定的導(dǎo)航基準(zhǔn)線AB(簡(jiǎn)稱導(dǎo)航線AB)進(jìn)行導(dǎo)航跟蹤；導(dǎo)航線AB可由GPS接收儀采集的經(jīng)緯度坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)確定，赤道和中央子午線117°的交點(diǎn)O作為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸是高斯克呂格中的Y軸，Y軸是高斯克呂格中的X軸，建立直角坐標(biāo)系。其模糊控制器采用二維控制器，即2個(gè)輸入、1個(gè)輸出。導(dǎo)航線AB與試驗(yàn)區(qū)中央子午線的夾角為α1，α1可以由GPS接收儀采集A、B經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化為平面坐標(biāo)確定；車輛的行走方向線EF與試驗(yàn)區(qū)的中央子午線的正北方向的夾角用α2來(lái)表示，其值可由三維電子羅盤(pán)來(lái)確定。α1與α2的差值作為航向角α。α作為第一個(gè)輸入量，有

α=α1-α2

(1)

在直角坐標(biāo)系中，以車輛所在的位置點(diǎn)P(x,y)到航向線AB的距離λ作為第2個(gè)輸入量，則點(diǎn)P到直線AB的距離為

(2)

圖1　噴播機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2數(shù)據(jù)采集

2.1　GPS數(shù)據(jù)采集程序

GPS遵循NMES-0183協(xié)議，是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)為海用電子設(shè)備指定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前已經(jīng)成為GPS導(dǎo)航設(shè)備的RTCM(Radio Technical Commission for Maritime services)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該協(xié)議總共分7種命令，分別是$GPGGA(全球定位數(shù)據(jù))、$GPGSA(衛(wèi)星PRN數(shù)據(jù))、$GPGSV*3(衛(wèi)星狀態(tài)信息)、 $GPRMC(運(yùn)輸定位數(shù)據(jù))、$GPVTG(地面速度信息)、$GPGLL(大氣坐標(biāo)信息)、$GPZDA(UTC時(shí)間和日期)[1]。通過(guò)圖形化編程語(yǔ)言Labview對(duì)GPS進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得出GPS的3個(gè)主要參數(shù)經(jīng)度、緯度及高程。GPS的后面板程序如圖2所示。

圖2　GPS數(shù)據(jù)采集后面板程序

2.2　三維電子羅盤(pán)數(shù)據(jù)采集程序

電子羅盤(pán)的協(xié)議中標(biāo)示符固定為68H，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度指的是從標(biāo)示符到校驗(yàn)和的所有字符的長(zhǎng)度，模塊的默認(rèn)地址是00，數(shù)據(jù)域根據(jù)命令字不同內(nèi)容和長(zhǎng)度相應(yīng)的變化，校驗(yàn)和指的是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、地址碼、命令字和數(shù)據(jù)域的和(不考慮進(jìn)位)。 電子羅盤(pán)LabVIEW后面板程序框圖如圖3所示。

圖3　電子羅盤(pán)的LabVIEW后面板程序

3模糊控制策略

3.1　模糊控制器設(shè)計(jì)

結(jié)合試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行情況，確定其航向偏差α的基本論域?yàn)閇-30°，+30°]，導(dǎo)航線左邊為負(fù)，右邊為正；設(shè)定橫向位置偏差λ的基本論域?yàn)閇-5m，+5m]，導(dǎo)航線左邊為負(fù)，右邊為正。由于試驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角范圍為(-15°，+15°)，所以設(shè)定轉(zhuǎn)向輪期望轉(zhuǎn)角的基本論域?yàn)閇-15°，+15°]，左轉(zhuǎn)為負(fù)，右轉(zhuǎn)為正。

3.2　模糊控制規(guī)則

模糊控制是人類控制行為的一種語(yǔ)言描述，需要設(shè)計(jì)者去總結(jié)、歸納，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄笏季S，或者分析系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，歸納總結(jié)，并不斷地修正。面對(duì)復(fù)雜的控制對(duì)象，設(shè)計(jì)者不能主觀臆斷[2]，要向通過(guò)實(shí)踐和試驗(yàn)建立合乎實(shí)際的模糊控制規(guī)則。語(yǔ)言型的模糊規(guī)則為一系列的模糊條件語(yǔ)句組成，即有許多模糊蘊(yùn)含關(guān)系“如果A則B”(if A then B)構(gòu)成。A、B分別為模糊規(guī)則的先件和后件[3]。常見(jiàn)的控制規(guī)則有“如果A則B” (if A then B)；“如果A且B則C”(if A and B then C)；“如果A則B否則C”(if A then B else C)等。本研究的控制器采用的是雙輸入單輸出的形式，那么采用第2種，將兩個(gè)輸入作為控制規(guī)則的先件，輸出作為控制規(guī)則的后件。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出如下的控制規(guī)則：

如果航向角偏差α是負(fù)大、橫向位置偏差λ為負(fù)大，則噴播機(jī)模型期望轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為正大(if α=NB and λ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是負(fù)中、橫向位置偏差λ為負(fù)大，則噴播機(jī)模型期望轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為正大(ifα=NM and λ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是負(fù)小、橫向位置偏差λ為負(fù)大，則噴播機(jī)模型期望轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為正大(ifα=NS andλ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是零、橫向位置偏差λ為負(fù)大，則噴播機(jī)模型期望轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為正大(ifα=ZO andλ=NB then n=PB)。

如果航向角偏差α是正小、橫向位置偏差λ為負(fù)大，則噴播機(jī)模型期望轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為正小(ifα=PS andλ=NB then n=PS)。

如果航向角偏差α是正中、橫向位置偏差λ為負(fù)大，則噴播機(jī)模型期望轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為正小(ifα=PM andλ=NB then n=PS)。

如果航向角偏差α是正大、橫向位置偏差λ為負(fù)大，則噴播機(jī)模型期望轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)n為正小(ifα=PB andλ=NB then n=ZO)。

如此排列，共有49條這樣的控制規(guī)則，現(xiàn)將以上的控制規(guī)則整理成表，如表1所示。

表1　模糊控制規(guī)則

4系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

4.1　系統(tǒng)基本功能測(cè)試結(jié)果

用LabVIEW軟件進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，對(duì)GPS、電子羅盤(pán)進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試試驗(yàn)點(diǎn)選擇內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)西區(qū)工科大樓西側(cè)馬路上的A、B兩點(diǎn)，把直線AB作為試驗(yàn)平臺(tái)模擬跟蹤路徑。電子羅盤(pán)North端指向電動(dòng)四輪車的行進(jìn)方向。仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

把A、B兩點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)輸入導(dǎo)航系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)程序的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和控制算法的計(jì)算，得到試驗(yàn)平臺(tái)在直線AB的右側(cè)，到直線AB的距離為1.577 6m，電子羅盤(pán)偏離直線AB右側(cè)的角度為13.4°；此時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)為-2，即試驗(yàn)平臺(tái)需向左轉(zhuǎn)動(dòng)2次轉(zhuǎn)向輪來(lái)跟蹤直線AB。

圖4　左轉(zhuǎn)測(cè)試仿真結(jié)果

圖5　右轉(zhuǎn)測(cè)試仿真結(jié)果

試驗(yàn)平臺(tái)右轉(zhuǎn)測(cè)試仿真結(jié)果如圖5所示。試驗(yàn)平臺(tái)偏離直線AB左側(cè)的角度為11.1°，在直線AB的左側(cè)，距離直線3.061 4m；此時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)需要向右轉(zhuǎn)動(dòng)2次轉(zhuǎn)向輪來(lái)跟蹤直線AB。

4.2　試驗(yàn)驗(yàn)證

按照測(cè)試仿真結(jié)果進(jìn)行了初步試驗(yàn)，選取內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)西區(qū)體育場(chǎng)為試驗(yàn)區(qū)域，試驗(yàn)路線如圖6所示。

圖6　試驗(yàn)區(qū)域

用GPS在體育場(chǎng)東側(cè)跑道定位點(diǎn)A和點(diǎn)B，從而得到A點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)為111°42.02180′，緯度坐標(biāo)為40°48.13524′；B點(diǎn)經(jīng)度坐標(biāo)為111°42.03480′，緯度坐標(biāo)為40°48.11776′。 把A、B兩點(diǎn)的經(jīng)緯度輸入到測(cè)試系統(tǒng)相應(yīng)位置，A、B兩點(diǎn)的距離為100m，試驗(yàn)平臺(tái)以3.6km/h的速度從A點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行到B點(diǎn)，每隔3s在試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行路徑處做標(biāo)記，進(jìn)行4次重復(fù)性試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7　噴播機(jī)模型軌跡散點(diǎn)圖

4次跟蹤試驗(yàn)中，最大偏移量的WGS84坐標(biāo)分別為：M點(diǎn)的經(jīng)度111°42.023 70，緯度40°48.127 59；N點(diǎn)的經(jīng)度111°42.033 85，緯度40°48.117 51；P點(diǎn)的經(jīng)度111°42.022 73，緯度40°48.130 47；Q點(diǎn)的經(jīng)度111°42.025 99，緯度40°48.129 46。根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)的運(yùn)行軌跡的散點(diǎn)圖，運(yùn)用最小二乘擬合法擬合該散點(diǎn)圖的擬合直線A′B′。GPS接收儀的精度在3～5m，擬合的直線A′B′(圖1中虛線)和既定直線AB存在一定的差異。 通過(guò)試驗(yàn)研究得出：當(dāng)試驗(yàn)平臺(tái)以3.6km/h的速度運(yùn)行時(shí)，相對(duì)于直線AB的最大偏移量為3.51m，與GPS的精度(3～5m)基本相符，基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)平臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)航功能的設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

針對(duì)草原荒漠化及植被覆蓋度低等問(wèn)題，提出了草籽噴播機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的控制方法，從幾何角度建立了車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，采用模糊控制策略對(duì)航向角和橫向位置偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。試驗(yàn)表明：當(dāng)車速在3.6km/h的速度運(yùn)行時(shí)，試驗(yàn)平臺(tái)相對(duì)于直線AB的最大偏移量約為3.51m，與GPS的精度(3～5m)相比基本符合要求。因此，作業(yè)平臺(tái)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是完全可行的。

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Seed-spraying Work Platform Navigation Control System Simulation and Test

QiuYi, Chen Zhi, Zhuang Xinbin, Xuan Chuanzhong, Hou Zhanfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering ，Inner Mongolia Agricultural University ，Hohhot 010018，China)

Abstract：In order to enhance working efficiency ,reduce labor intensity. To realize automatic spraying of spray-seeding machine. According to vehicle kinematic model as the theoretical basis, relying on Labview graphical programming language making data acquisition for GPS and electronic compass , providing relevant data for Seed-spraying Work Platform Navigation System; At the same time using fuzzy control strategy to provide good protection for working successful. Simulation and preliminary test results show that seed-spraying platform automatic navigation control system is available and broad prospect.

Key words：seed-sparaying; work platform; automatic navigation; data acquisition; fuzzy control

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0150-05

作者簡(jiǎn)介：仇義(1992-),男，吉林東豐人，碩士研究生，(E-mail)775877826@qq.com。通訊作者：陳智(1962-)，男，內(nèi)蒙察右前旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)sgchenzhi@imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41161045)

收稿日期：2015-09-21