劉志剛，吳東明， 汪小志

(1.南昌大學(xué)，南昌　330031；2.焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 焦作　454000；3.南昌工學(xué)院，南昌　330108)

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線(xiàn)性天線(xiàn)陣列自抗擾的田間輪式小車(chē)控制系統(tǒng)研制

劉志剛1,3，吳東明2， 汪小志1,3

(1.南昌大學(xué)，南昌330031；2.焦作師范高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 焦作454000；3.南昌工學(xué)院，南昌330108)

摘要：隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，陣列技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，并形成了智能天線(xiàn)的研究領(lǐng)域，而具有自適應(yīng)和抗干擾能力的線(xiàn)性陣列天線(xiàn)是研究的熱點(diǎn)。為此，提出了一種具有自抗擾能力的田間追隨小車(chē)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了小車(chē)的機(jī)械與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。該小車(chē)?yán)镁€(xiàn)性陣列天線(xiàn)可以簡(jiǎn)單而靈活地操作控制信號(hào)，從而可以獲得理想的空間定向波束，充分高效地利用用戶(hù)信號(hào)，并刪除或者抑制干擾信號(hào)。設(shè)計(jì)了田間追蹤小車(chē)的樣車(chē)，并設(shè)計(jì)了一個(gè)由N個(gè)天線(xiàn)單元組成的線(xiàn)性陣列。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：小車(chē)在受外界轉(zhuǎn)矩干擾后，系統(tǒng)的橫向和縱向通道仍然能夠很好地追隨各自的設(shè)定值，具有較好的魯棒性，可以保證在田間復(fù)雜環(huán)境和信號(hào)干擾的情況下，具有較高的作業(yè)效率和精度。

關(guān)鍵詞：追隨小車(chē)；線(xiàn)性陣列；抗干擾；自適應(yīng)；魯棒性

0引言

導(dǎo)航技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)之一，近10年來(lái)國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究。由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)環(huán)境開(kāi)放性較高，盡管研究人員設(shè)計(jì)了很多傳感器和監(jiān)控設(shè)備，但仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在開(kāi)放的環(huán)境中獨(dú)立自主地工作。要完全實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主導(dǎo)航，還需要進(jìn)行大量的研究工作。出于對(duì)成本和安全的考慮，研究一種無(wú)人操作的自動(dòng)追隨小車(chē)具有重要的意義。追隨小車(chē)可以自動(dòng)跟隨駕駛員駕駛的母車(chē)進(jìn)行作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)田間的自動(dòng)化作業(yè)。

田間追隨小車(chē)在進(jìn)行作業(yè)過(guò)程中，由于野外環(huán)境的復(fù)雜性，輪胎和地面、輪子和驅(qū)動(dòng)力、回轉(zhuǎn)力都是非線(xiàn)性變化的，時(shí)刻面臨障礙物、振動(dòng)及惡劣的自然條件，使追隨小車(chē)的控制存在很多未知的干擾因素，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)很難滿(mǎn)足小車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。線(xiàn)性陣列天線(xiàn)具有自適應(yīng)和抗干擾能力，具有較好的魯棒性，能夠保證小車(chē)在復(fù)雜環(huán)境下控制的穩(wěn)定性，將其應(yīng)用在田間追隨小車(chē)的控制系統(tǒng)中，可以產(chǎn)生較好的控制效果。

1田間輪式追隨小車(chē)結(jié)構(gòu)模型

田間輪式追隨小車(chē)的控制系統(tǒng)是一個(gè)時(shí)變非線(xiàn)性的多輸入多輸出的耦合系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的成果。水稻自動(dòng)追隨小車(chē)的作業(yè)實(shí)際效果如圖1所示。

圖1　水稻收割自動(dòng)追隨小車(chē)

該小車(chē)采用精度較高的RTK-GPS來(lái)控制兩臺(tái)收割機(jī)的行走軌跡。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在作業(yè)速度達(dá)到0.3m/s時(shí)，子機(jī)的追隨的橫向和縱向偏差分別為8cm和19cm。

圖2為田間追隨小車(chē)的結(jié)構(gòu)示意圖。工作時(shí)，電機(jī)首先帶動(dòng)減速齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，然后利用前后轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)錐齒輪，最后帶動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。其密封性能好，傳動(dòng)比大，扭矩高，適合在田徑復(fù)雜的地塊下進(jìn)行作業(yè)。

2轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

田間輪式追隨小車(chē)的轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，是保證小車(chē)能正常換壟的關(guān)鍵。其萬(wàn)向軸的兩個(gè)軸線(xiàn)之間存在夾角，連接的兩個(gè)軸可以做連續(xù)的回轉(zhuǎn)，并將轉(zhuǎn)矩和運(yùn)動(dòng)傳遞。田間輪式追隨小車(chē)的傳動(dòng)屬于低扭矩傳動(dòng)，因此可以選擇萬(wàn)向節(jié)的形式，其軸的材料選用的是45鋼，并做調(diào)質(zhì)處理，最小軸徑的計(jì)算表達(dá)式為

(1)

其中，C值可以通過(guò)查表得到，n2表示轉(zhuǎn)速，P2表示功率。軸的兩端進(jìn)行打孔，假設(shè)孔的直徑為dh，則最后軸徑為

d1=dmin+dh

(2)

車(chē)輛的轉(zhuǎn)向主要是依靠轉(zhuǎn)向杯來(lái)帶動(dòng)車(chē)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，而旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以利用連桿轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。其轉(zhuǎn)換原理如圖3所示。

1.電機(jī)　2.球籠式萬(wàn)向聯(lián)軸器　3.軸承

1～5. 活動(dòng)構(gòu)件　1～7.低運(yùn)動(dòng)副

將虛約束去掉后，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。為了順利地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，需要對(duì)自由度進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為

F=3n-2PL-PH

(3)

其中，n為活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目；PL為低運(yùn)動(dòng)副；PH為高運(yùn)動(dòng)副。由圖3可以得出田間追隨小車(chē)的自由度為1，但田間作業(yè)環(huán)境比較顛簸，為了防止小車(chē)構(gòu)件受顛簸影響，將自由度放寬為3。其原理如圖4所示。

圖4　三自由度轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

添加運(yùn)動(dòng)副后，將裝置的自由度進(jìn)行了放寬處理，使田間追隨小車(chē)在作業(yè)過(guò)程中可以平穩(wěn)轉(zhuǎn)向。最終機(jī)構(gòu)立體效果如圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)立體示意圖

田間追隨小車(chē)在追隨的過(guò)程中，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在接受轉(zhuǎn)向信號(hào)時(shí)往往會(huì)受到干擾，因此需要采取必要的手段消除田間作業(yè)干擾。本研究采用線(xiàn)性相控天線(xiàn)陣控制模型，可以有效地增強(qiáng)小車(chē)的抗干擾能力，提高轉(zhuǎn)向的可靠性。

3線(xiàn)性相控天線(xiàn)陣控制模型

根據(jù)小車(chē)的尺寸，其動(dòng)力選擇市場(chǎng)上最常用的RC模型方案，小車(chē)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)母機(jī)和子機(jī)車(chē)載工控機(jī)都選用Atmel公司生產(chǎn)的ATmega128單片機(jī)，其主控系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

控制系統(tǒng)主要包括I/O結(jié)構(gòu)、電源電路、晶振復(fù)位電路、JTAG接口和中控芯片。其中，電機(jī)使用RC模型的無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力輸出，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖7　無(wú)刷電機(jī)示意圖

無(wú)線(xiàn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小、轉(zhuǎn)速高、噪聲小和使用壽命長(zhǎng)，并且有較強(qiáng)的續(xù)航能力。根據(jù)以上優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了追隨小車(chē)的動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)，其原理如圖8所示。

圖8　電機(jī)動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)示意圖

為了提高小車(chē)的自抗擾性能，信號(hào)的傳輸采用線(xiàn)性陣列天線(xiàn)，天線(xiàn)陣列是一個(gè)由N個(gè)天線(xiàn)單元組成的線(xiàn)性陣列，均勻地排成一條線(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

其中，天線(xiàn)在y方向上等間距均勻分布，間距為d，每個(gè)天線(xiàn)單元的激勵(lì)電流為Ii,i=(0,1,2,…,N-1)。其中，輻射電場(chǎng)的強(qiáng)度與激勵(lì)電流Ii成正比，天線(xiàn)單元方向函數(shù)假設(shè)為fi=(θ,φ)，則第i個(gè)線(xiàn)性單元對(duì)追隨小車(chē)在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為

(4)

其中，ki為第i個(gè)線(xiàn)性單元的輻射場(chǎng)比例系數(shù)；ri為第i個(gè)線(xiàn)性單元到追隨小車(chē)的距離。每個(gè)天線(xiàn)單元的激勵(lì)電流為

Ii=aie-jiΔφB

(5)

其中，ai為激勵(lì)電流幅度的加權(quán)系數(shù)；ΔφB為線(xiàn)性陣列中兩個(gè)相鄰單元的反饋電位差。在線(xiàn)性陣列天線(xiàn)發(fā)射和接受信號(hào)的過(guò)程中，其信號(hào)波的波束指向迅速且非常靈活，還可以實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)波束的并行工作，雷達(dá)的自適應(yīng)能力較強(qiáng)。

圖9　線(xiàn)性相控天線(xiàn)陣原理圖

4自抗擾實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證田間追隨小車(chē)的自抗擾性，設(shè)計(jì)了追隨小車(chē)的樣車(chē)。實(shí)驗(yàn)樣車(chē)采用直流電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，電機(jī)輸出的動(dòng)力通過(guò)減速器傳遞給車(chē)輪，并利用萬(wàn)向軸進(jìn)行方向的控制，實(shí)現(xiàn)田間母機(jī)的追隨。具體實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖10所示。

圖10　田間追隨實(shí)驗(yàn)小車(chē)

為了測(cè)試小車(chē)的抗干擾性能，建立了半波陣子矩形平面相控陣天線(xiàn)模型，并對(duì)有無(wú)故障時(shí)的最大增益、最大副瓣電平及輻射功率等輻射特性參數(shù)的變化情況進(jìn)行了測(cè)量，得到了如表1所示的結(jié)果。

表1　故障前后相控陣天線(xiàn)模型參數(shù)特性

由表1的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出：隨著故障單元數(shù)目的增大，天線(xiàn)的增益有所下降，最高電平有所抬高；但輻射的功率有所降低，這種變化可以通過(guò)小車(chē)的自抗擾進(jìn)行削弱。

圖11為在無(wú)外界干擾的情況下追隨小車(chē)輸出偏差值。由圖11可以看出：在無(wú)外界干擾時(shí)，追隨小車(chē)的橫向誤差和縱向誤差都比較小，小車(chē)對(duì)母車(chē)的追隨精度較高。

圖11　無(wú)外界干擾下追隨小車(chē)車(chē)間距輸出偏差值

圖12為對(duì)追隨小車(chē)控制系統(tǒng)施加轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)后得到的小車(chē)橫向和縱向偏差曲線(xiàn)。由圖12可以看出：受外界干擾后，小車(chē)系統(tǒng)的橫向和縱向通道仍然能夠很好地追隨各自的設(shè)定值，系統(tǒng)具有較好的魯棒性，可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制要求。

圖12　有外界干擾下追隨小車(chē)車(chē)間距輸出偏差值

5結(jié)論

依據(jù)天線(xiàn)陣列理論，根據(jù)自主導(dǎo)航原理，提出了一種具有自抗擾能力的田間追隨小車(chē)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了小車(chē)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。對(duì)實(shí)驗(yàn)小車(chē)故障前后相控陣天線(xiàn)模型參數(shù)特性進(jìn)行了測(cè)量，由測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著故障單元數(shù)目的增大，天線(xiàn)的增益有所下降，最高電平有所抬高，但輻射的功率有所降低。對(duì)小車(chē)的抗干擾性測(cè)試發(fā)現(xiàn)：小車(chē)在受外界轉(zhuǎn)矩干擾后，系統(tǒng)的橫向和縱向通道仍然能夠很好地追隨各自設(shè)定值，具有較好魯棒性，為田間追隨式小車(chē)的研究提供了可靠的理論依據(jù)和技術(shù)參考。

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Control System Development for the Wheeled Field Vehicle of Auto-disturbance Rejection Based on Linear Antenna Array

Liu Zhigang1,3, Wu Dongming2, Wang Xiaozhi1,3

(1.Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2.Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000, China;3.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

Abstract：With the development of mobile communication technology, array technology has been widely used, and formed the research field of smart antenna, which has adaptive and anti-jamming capability of linear array antenna is a hot research. Based on this, a field with the auto disturbance rejection ability of the field to follow the car control system, and the design of the car's mechanical and transmission structure. The vehicle can be used to control the signal with simple and flexible operation, so as to obtain the ideal spatial directional beam, and make full use of the user's signal, and delete or inhibit the interference signal. Design of experiment of tracing robot prototype, and the design of a linear array of composed of N number of antenna elements, found by testing, car after external interference torque, system of horizontal and vertical channels can still good follow their respective set value, has better robustness, can guarantee in the field of complex environment and signal interference, with high working efficiency and precision.

Key words：follow the car; linear array; anti jamming； adaptive; robustness

中圖分類(lèi)號(hào)：S237；TN958

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0202-05

作者簡(jiǎn)介：劉志剛(1980-)，男，湖北天門(mén)人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41505015)

收稿日期：2015-12-04