任　玲，張長龍，王月林

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向操縱控制精度的試驗(yàn)研究

任玲，張長龍，王月林

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：轉(zhuǎn)向操縱控制系統(tǒng)執(zhí)行效果的優(yōu)劣決定了導(dǎo)航車輛工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為此，以試驗(yàn)的方法對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)航系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向操縱控制平臺(tái)進(jìn)行硬件測(cè)試、角度傳感器標(biāo)定、步進(jìn)電機(jī)測(cè)試和角度傳感器精度測(cè)試試驗(yàn)，提出從硬件上提高精度的方法。同時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)向操縱控制器中執(zhí)行機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)存在的小角度難以響應(yīng)的問題，進(jìn)行了控制電路設(shè)計(jì)和仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小角度信號(hào)的快速響應(yīng)，為提高導(dǎo)航操縱控制器精度提供了思路。

關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)；導(dǎo)航；轉(zhuǎn)向操縱控制；精度提高

0引言

拖拉機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的動(dòng)力機(jī)械，可與附裝的、懸掛的或牽引的農(nóng)機(jī)具一起完成大部分的田間作業(yè)。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，作業(yè)精度不斷提高，對(duì)拖拉機(jī)行走速度和航行精度提出了更高的要求[1]。自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能導(dǎo)航控制的關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。轉(zhuǎn)向操縱控制系統(tǒng)是指根據(jù)上位機(jī)控制指令，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)到指定角度的自動(dòng)控制系統(tǒng),其執(zhí)行效果的優(yōu)劣決定了導(dǎo)航車輛工作的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[3]。

在系統(tǒng)給出車輛當(dāng)前定位數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)要做的工作就是決定下一步車輛該向哪里走以及如何實(shí)現(xiàn)的問題。在國內(nèi)外的相關(guān)研究中，導(dǎo)航控制系統(tǒng)普遍被分解成導(dǎo)航控制器和操縱控制器兩個(gè)部分[4]。導(dǎo)航控制器主要完成車輛定位和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角計(jì)算，操縱控制器則完成期望轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角的執(zhí)行。轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角是操縱控制器的控制輸入量，其計(jì)算多采用PID、模糊控制及最優(yōu)控制等方法[5]。

1研究思路

在操縱控制器方面，研究人員致力于開發(fā)電液操控系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向動(dòng)作或通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制電機(jī)帶動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)完成操縱控制動(dòng)作。轉(zhuǎn)向操縱控制器和轉(zhuǎn)向控制算法的實(shí)現(xiàn)也是多種多樣的。從執(zhí)行效果方面來說，在整個(gè)控制過程中，轉(zhuǎn)向輪易出現(xiàn)震蕩和超調(diào)的情況，尤其是在大角度轉(zhuǎn)彎處，轉(zhuǎn)向輪的震蕩表現(xiàn)得更加嚴(yán)重。因此，系統(tǒng)控制的精度和穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的提高。

從轉(zhuǎn)向控制方法方面來說，目前常用的方法有基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的控制方法，此方法僅針對(duì)車輛低速運(yùn)動(dòng)的情況；基于動(dòng)力學(xué)模型的控制方法，運(yùn)用非線性動(dòng)力學(xué)模型，采用優(yōu)化校正的方法，僅適合拖拉機(jī)沿正弦曲線前進(jìn)；基于智能控制的方法，此方法不需精確的數(shù)學(xué)模型就能解決許多不確定的、非線性的自動(dòng)化問題；基于PID控制的方法，由于算法簡單、魯棒性好和可靠性高被廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制。

這些控制方法在控制精度以及環(huán)境因素要求等方面均存在一定的局限性，算法忽略了系統(tǒng)的重要特性，對(duì)系統(tǒng)沒有清楚的認(rèn)識(shí)，也沒有對(duì)系統(tǒng)非線性因素進(jìn)行測(cè)試。

從系統(tǒng)硬件方面來說，系統(tǒng)目前使用的控制電路有提升的空間。因此，有必要結(jié)合現(xiàn)有的試驗(yàn)平臺(tái)，在硬件選型和電路設(shè)計(jì)上找原因，從優(yōu)化控制算法的角度出發(fā)，提高操縱控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)精度和響應(yīng)速度。

2硬件測(cè)試試驗(yàn)和影響因素分析

2.1角位移傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

角位移傳感器的作用是將拖拉機(jī)前輪的轉(zhuǎn)向角轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后輸入到轉(zhuǎn)向控制器，作為控制器的反饋信號(hào)。前輪轉(zhuǎn)角標(biāo)定試驗(yàn)主要用來標(biāo)定前輪轉(zhuǎn)角傳感器輸出信號(hào)與前輪轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]，采用實(shí)際測(cè)量計(jì)算與信號(hào)采集共用的方法，其標(biāo)定原理如圖1所示。

圖1　角位移傳感器標(biāo)定原理圖

其中，α為拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角；R為拖拉機(jī)前輪半徑；L為拖拉機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后前輪最外端距初位置的距離。

由于L=AB，R=OA=OB，α=∠AOB，則有sin(α/2)=L/2R。

所以，α=360/π·arcsin(L/2R)。

因而通過測(cè)量不同轉(zhuǎn)角下的L值，便可得到此時(shí)的轉(zhuǎn)角大小。通過試驗(yàn)傳感器采集程序可測(cè)到此傳感器的值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1　角位移傳感器標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

試驗(yàn)結(jié)論：角度傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)與傳感器的安裝位置有關(guān)，傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)主要用來標(biāo)定傳感器輸出的電壓信號(hào)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置之間的關(guān)系。由于接收的角度為AD轉(zhuǎn)換得來，控制器AD轉(zhuǎn)換精度度直接影響標(biāo)定的準(zhǔn)確性；應(yīng)設(shè)法提高AD轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)也要提高角度傳感器本身的精度。

利用上述標(biāo)定方法可以簡單、方便對(duì)前輪角度傳感器進(jìn)行標(biāo)定，方法可行，易操作，標(biāo)定結(jié)果能達(dá)到自動(dòng)轉(zhuǎn)向的要求。

2.2步進(jìn)電機(jī)測(cè)試試驗(yàn)

步進(jìn)電機(jī)是由電脈沖控制的同步電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)供電脈沖，都產(chǎn)生一個(gè)恒定量的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，即在一定頻率連續(xù)脈沖供電時(shí)可以得到恒定的轉(zhuǎn)速，與負(fù)載無關(guān)。所以,控制步進(jìn)脈沖信號(hào)的頻率就可以對(duì)電機(jī)精確調(diào)速，控制步進(jìn)脈沖的個(gè)數(shù)，從而對(duì)電機(jī)精確定位。

為了使電機(jī)更精確更穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇了細(xì)分?jǐn)?shù)為4 000脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)、控制器中的脈寬調(diào)制器PWM輸出單邊沿的脈沖信號(hào)，在控制板中編寫好步進(jìn)電機(jī)控制程序，利用RAM5749的GPIO輸出口來輸出控制信息。PH0為控制脈沖輸出口，PB4為方向控制信號(hào)，通過全液壓轉(zhuǎn)向器的具體參數(shù)來設(shè)定速度，通過實(shí)際轉(zhuǎn)向來調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的速度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2、圖2所示。

表2　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向測(cè)試數(shù)據(jù)表

圖2　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向測(cè)試數(shù)據(jù)圖

結(jié)論：步距角是步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)，是每給一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，有必要通過步進(jìn)電機(jī)的選型PWM信號(hào)的調(diào)理來提高控制精度；步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，嚴(yán)格按照程序控制運(yùn)轉(zhuǎn)的，安全性較高，可以用來控制自動(dòng)轉(zhuǎn)向。步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)和換向有一定的時(shí)間延遲，控制時(shí)需要充分給予考慮；針對(duì)小目標(biāo)轉(zhuǎn)角的響應(yīng)能力和相應(yīng)速度也是提高控制精度重要因素。

2.3角度傳感器精度測(cè)試試驗(yàn)

角度傳感器是自動(dòng)轉(zhuǎn)向的反饋裝置，其精度和平滑性直接影響自動(dòng)轉(zhuǎn)向的控制過程。角度傳感器的輸出量為模擬量(電壓)，通過ARM5749對(duì)其進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換的過程中通過適當(dāng)?shù)臑V波處理，可以提高其平滑性和精度，進(jìn)而提高自動(dòng)轉(zhuǎn)向的精度。為此，采用中值濾波的方法對(duì)角度傳感器的輸出結(jié)果進(jìn)行處理，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

結(jié)論：比較兩次數(shù)據(jù)，可以看出采用中值濾波的方法可以明顯的提高精度和平滑性。對(duì)角度傳感器進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波處理是提高其控制精度的重要因素。

3硬件電路的設(shè)計(jì)與仿真

3.1電路設(shè)計(jì)

采用深圳宏晶公司生產(chǎn)的8位微處理器STC90C516RD+，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)。它是轉(zhuǎn)向控制器的核心，具有3個(gè)基本的重要功能：一是實(shí)時(shí)地采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，即把傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)；二是根據(jù)傳感器計(jì)算得到目標(biāo)轉(zhuǎn)角和傳感器測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較，得出需要的偏差信號(hào)，從而控制步進(jìn)電機(jī)完成轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的操作；三是利用CAN總線實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。

以STC單片機(jī)為核心，利用其本身帶的功能模塊，通過角位移傳感器獲取轉(zhuǎn)向輪實(shí)際轉(zhuǎn)角，然后單片機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角與目標(biāo)轉(zhuǎn)角相比較得出轉(zhuǎn)向輪的偏差信號(hào)。由PID控制算法根據(jù)偏差信號(hào)得出控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的步進(jìn)脈沖周期，再由脈寬調(diào)制器計(jì)算得到的脈沖周期向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而控制轉(zhuǎn)向輪快速地跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向。系統(tǒng)控制電路硬件框圖如圖5所示。

圖3　無濾波處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4　有濾波處理試驗(yàn)結(jié)果

圖5　控制電路硬件框圖

3.2試驗(yàn)和仿真

在此，對(duì)電路進(jìn)行了小目標(biāo)轉(zhuǎn)角的測(cè)試試驗(yàn)，轉(zhuǎn)角范圍選擇在-6°～6°，當(dāng)輸入目標(biāo)轉(zhuǎn)角和實(shí)際轉(zhuǎn)角，經(jīng)過處理后得出偏差角度。當(dāng)偏差角度為分別為1°、2°、3°、4°、5°、6°(見圖6)，在示波器上顯示出步進(jìn)電機(jī)四相的脈沖波形。

圖6　系統(tǒng)仿真結(jié)果

試驗(yàn)證明：采用STC單片機(jī)作為轉(zhuǎn)向控制器的核心，利用角位移傳感器獲取轉(zhuǎn)向輪實(shí)際轉(zhuǎn)角，然后單片機(jī)將實(shí)際轉(zhuǎn)角與目標(biāo)轉(zhuǎn)角相比較得出轉(zhuǎn)向輪的偏差信號(hào)作為輸入信號(hào)；由PID控制算法根據(jù)偏差信號(hào)得出控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的步進(jìn)脈沖周期，再由脈寬調(diào)制器計(jì)算得到的脈沖周期向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送PWM脈沖；把PWM脈沖作為輸出信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而控制轉(zhuǎn)向輪快速地跟蹤目標(biāo)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)向。此方法初步解決了轉(zhuǎn)向過程中震蕩和超調(diào)的問題，實(shí)現(xiàn)了小角度轉(zhuǎn)向的快速響應(yīng)，為提高導(dǎo)航操縱控制器的精度提供了思路。

4結(jié)論

對(duì)拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向操縱控制精度進(jìn)行了研究，從硬件角度入手，開發(fā)設(shè)計(jì)了硬件的測(cè)試和精度測(cè)試試驗(yàn)。同時(shí)，針對(duì)小角度轉(zhuǎn)向中具有延遲現(xiàn)象的問題進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)了小目標(biāo)轉(zhuǎn)角的電路仿真和開發(fā)板的硬件測(cè)試、小角度轉(zhuǎn)向的快速響應(yīng)。步進(jìn)電機(jī)的控制具有延時(shí)現(xiàn)象，具體的延時(shí)過程要通過算法的優(yōu)化去研究，下一步主要從軟件和算法的角度對(duì)控制效果進(jìn)行精度分析試驗(yàn)測(cè)定，并通過仿真分析的方法對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，尋求更合理的算法。

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Experimental Research of Directional Steering Control Precision on Tractor Navigation System

Ren Ling, Zhang Changlong, Wang Yuelin

(Mechanical and Electrical Engineering College， Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：The merits of the steering control system executed effect determines the navigation accuracy and stability of the vehicle work.This paper introduced the experiment method of existing steering control platform in the navigation system hardware test.Angle sensor calibration experiment,stepper motor test and angle sensor precision test are designed and conducted. Improve the precision of factors from the view of hardware is put forward. At the same time we performed the control circuit design and simulation for the difficult to response to the problem of small angle in stepper motor which is steering control actuators.The test achieved the small angle signal of fast response, provided ideas for improving accuracy of navigation control controller.

Key words：tractor； navigation； the steering control； precision improving

文章編號(hào)：1003-188X(2016)03-0163-04

中圖分類號(hào)：S219.032.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：任玲(1978-),女，江蘇連云港人，副教授，碩士，(E-mail) 2542958572@qq.com。

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA102307)；石河子大學(xué)優(yōu)秀青年項(xiàng)目(2013ZRKXYQ05)

收稿日期：2015-02-09