任　玲，張長龍，王月林

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000)

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拖拉機導航系統(tǒng)中轉向操縱控制精度的試驗研究

任玲，張長龍，王月林

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000)

摘要：轉向操縱控制系統(tǒng)執(zhí)行效果的優(yōu)劣決定了導航車輛工作的準確性和穩(wěn)定性。為此，以試驗的方法對現(xiàn)有導航系統(tǒng)中轉向操縱控制平臺進行硬件測試、角度傳感器標定、步進電機測試和角度傳感器精度測試試驗，提出從硬件上提高精度的方法。同時，根據(jù)轉向操縱控制器中執(zhí)行機構步進電機存在的小角度難以響應的問題，進行了控制電路設計和仿真，實現(xiàn)了對小角度信號的快速響應，為提高導航操縱控制器精度提供了思路。

關鍵詞：拖拉機；導航；轉向操縱控制；精度提高

0引言

拖拉機是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的動力機械，可與附裝的、懸掛的或牽引的農(nóng)機具一起完成大部分的田間作業(yè)。隨著精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，作業(yè)精度不斷提高，對拖拉機行走速度和航行精度提出了更高的要求[1]。自動轉向控制技術是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械智能導航控制的關鍵技術之一[1-2]。轉向操縱控制系統(tǒng)是指根據(jù)上位機控制指令，驅動轉向前輪轉到指定角度的自動控制系統(tǒng),其執(zhí)行效果的優(yōu)劣決定了導航車輛工作的準確性和穩(wěn)定性[3]。

在系統(tǒng)給出車輛當前定位數(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現(xiàn)的問題。在國內(nèi)外的相關研究中，導航控制系統(tǒng)普遍被分解成導航控制器和操縱控制器兩個部分[4]。導航控制器主要完成車輛定位和轉向輪轉角計算，操縱控制器則完成期望轉向輪轉角的執(zhí)行。轉向輪轉角是操縱控制器的控制輸入量，其計算多采用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)，用于實現(xiàn)轉向動作或通過直流電機驅動器來控制電機帶動方向盤轉動完成操縱控制動作。轉向操縱控制器和轉向控制算法的實現(xiàn)也是多種多樣的。從執(zhí)行效果方面來說，在整個控制過程中，轉向輪易出現(xiàn)震蕩和超調的情況，尤其是在大角度轉彎處，轉向輪的震蕩表現(xiàn)得更加嚴重。因此，系統(tǒng)控制的精度和穩(wěn)定性有待進一步的提高。

從轉向控制方法方面來說，目前常用的方法有基于運動學模型的控制方法，此方法僅針對車輛低速運動的情況；基于動力學模型的控制方法，運用非線性動力學模型，采用優(yōu)化校正的方法，僅適合拖拉機沿正弦曲線前進；基于智能控制的方法，此方法不需精確的數(shù)學模型就能解決許多不確定的、非線性的自動化問題；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用于過程控制和運動控制。

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，對系統(tǒng)沒有清楚的認識，也沒有對系統(tǒng)非線性因素進行測試。

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，有必要結合現(xiàn)有的試驗平臺，在硬件選型和電路設計上找原因，從優(yōu)化控制算法的角度出發(fā)，提高操縱控制器的動態(tài)響應精度和響應速度。

2硬件測試試驗和影響因素分析

2.1角位移傳感器標定試驗

角位移傳感器的作用是將拖拉機前輪的轉向角轉換為電壓信號，然后輸入到轉向控制器，作為控制器的反饋信號。前輪轉角標定試驗主要用來標定前輪轉角傳感器輸出信號與前輪轉角的對應關系[3]，采用實際測量計算與信號采集共用的方法，其標定原理如圖1所示。

圖1　角位移傳感器標定原理圖

其中，α為拖拉機前輪轉向角；R為拖拉機前輪半徑；L為拖拉機轉動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)。

因而通過測量不同轉角下的L值，便可得到此時的轉角大小。通過試驗傳感器采集程序可測到此傳感器的值，試驗結果如表1所示。

表1　角位移傳感器標定試驗數(shù)據(jù)表

續(xù)表1

試驗結論：角度傳感器的測量數(shù)據(jù)與傳感器的安裝位置有關，傳感器的標定試驗主要用來標定傳感器輸出的電壓信號與執(zhí)行機構位置之間的關系。由于接收的角度為AD轉換得來，控制器AD轉換精度度直接影響標定的準確性；應設法提高AD轉換精度，同時也要提高角度傳感器本身的精度。

利用上述標定方法可以簡單、方便對前輪角度傳感器進行標定，方法可行，易操作，標定結果能達到自動轉向的要求。

2.2步進電機測試試驗

步進電機是由電脈沖控制的同步電動機，對應每一個供電脈沖，都產(chǎn)生一個恒定量的步進運動，即在一定頻率連續(xù)脈沖供電時可以得到恒定的轉速，與負載無關。所以,控制步進脈沖信號的頻率就可以對電機精確調速，控制步進脈沖的個數(shù)，從而對電機精確定位。

為了使電機更精確更穩(wěn)定地轉動，選擇了細分數(shù)為4 000脈沖數(shù)/轉、控制器中的脈寬調制器PWM輸出單邊沿的脈沖信號，在控制板中編寫好步進電機控制程序，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，通過全液壓轉向器的具體參數(shù)來設定速度，通過實際轉向來調整步進電機的速度。試驗數(shù)據(jù)如表2、圖2所示。

表2　步進電機轉向測試數(shù)據(jù)表

圖2　步進電機轉向測試數(shù)據(jù)圖

結論：步距角是步進電機的一個重要參數(shù)，是每給一個脈沖電機轉過的角度，有必要通過步進電機的選型PWM信號的調理來提高控制精度；步進電機的轉向，嚴格按照程序控制運轉的，安全性較高，可以用來控制自動轉向。步進電機的啟動和換向有一定的時間延遲，控制時需要充分給予考慮；針對小目標轉角的響應能力和相應速度也是提高控制精度重要因素。

2.3角度傳感器精度測試試驗

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

結論：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。對角度傳感器進行適當?shù)臑V波處理是提高其控制精度的重要因素。

3硬件電路的設計與仿真

3.1電路設計

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。它是轉向控制器的核心，具有3個基本的重要功能：一是實時地采集數(shù)據(jù)并進行處理，即把傳感器輸出的模擬信號轉換為計算機可以進行處理的數(shù)字信號；二是根據(jù)傳感器計算得到目標轉角和傳感器測得的實際轉角進行比較，得出需要的偏差信號，從而控制步進電機完成轉向和轉速的操作；三是利用CAN總線實現(xiàn)上下位機之間的數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸。

以STC單片機為核心，利用其本身帶的功能模塊，通過角位移傳感器獲取轉向輪實際轉角，然后單片機實際轉角與目標轉角相比較得出轉向輪的偏差信號。由PID控制算法根據(jù)偏差信號得出控制步進電機轉速的步進脈沖周期，再由脈寬調制器計算得到的脈沖周期向步進電機驅動器發(fā)送PWM脈沖，控制步進電機的轉速和轉向，從而控制轉向輪快速地跟蹤目標轉角，實現(xiàn)準確轉向。系統(tǒng)控制電路硬件框圖如圖5所示。

圖3　無濾波處理實驗結果

圖4　有濾波處理試驗結果

圖5　控制電路硬件框圖

3.2試驗和仿真

在此，對電路進行了小目標轉角的測試試驗，轉角范圍選擇在-6°～6°，當輸入目標轉角和實際轉角，經(jīng)過處理后得出偏差角度。當偏差角度為分別為1°、2°、3°、4°、5°、6°(見圖6)，在示波器上顯示出步進電機四相的脈沖波形。

圖6　系統(tǒng)仿真結果

試驗證明：采用STC單片機作為轉向控制器的核心，利用角位移傳感器獲取轉向輪實際轉角，然后單片機將實際轉角與目標轉角相比較得出轉向輪的偏差信號作為輸入信號；由PID控制算法根據(jù)偏差信號得出控制步進電機轉速的步進脈沖周期，再由脈寬調制器計算得到的脈沖周期向步進電機驅動器發(fā)送PWM脈沖；把PWM脈沖作為輸出信號，控制步進電機的轉速和轉向，從而控制轉向輪快速地跟蹤目標轉角，實現(xiàn)準確轉向。此方法初步解決了轉向過程中震蕩和超調的問題，實現(xiàn)了小角度轉向的快速響應，為提高導航操縱控制器的精度提供了思路。

4結論

對拖拉機導航系統(tǒng)中轉向操縱控制精度進行了研究，從硬件角度入手，開發(fā)設計了硬件的測試和精度測試試驗。同時，針對小角度轉向中具有延遲現(xiàn)象的問題進行了硬件電路的設計， 實現(xiàn)了小目標轉角的電路仿真和開發(fā)板的硬件測試、小角度轉向的快速響應。步進電機的控制具有延時現(xiàn)象，具體的延時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控制效果進行精度分析試驗測定，并通過仿真分析的方法對算法進行優(yōu)化，尋求更合理的算法。

參考文獻：

[1]吳曉鵬,趙祚喜,張智剛，等.東方紅拖拉機自動轉向控制系統(tǒng)設計[J].農(nóng)業(yè)機械報,2009,40(z1):1-5.

[2]王靜,魯植雄,常江雪，等.拖拉機線控液壓轉向系統(tǒng)的設計與實驗[J].中國農(nóng)機化學報,2013,34(6): 188-192.

[3]徐琳琳.拖拉機自動導航系統(tǒng)控制器的研制[D] .北京：中國農(nóng)業(yè)大學,2011.

[4]陳文良．拖拉機自動駕駛轉向控制系統(tǒng)的研制[D]．北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2006.

[5]王尚俊.基于最優(yōu)控制理論的拖拉機導航系統(tǒng)研制[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2009.

[6]周建軍，張漫，汪懋華，劉剛，等. 基于模糊控制的農(nóng)用車輛路線跟蹤[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40(4)：151-155.

[7]羅錫文,張智剛,趙祚喜，等.東方紅X-804拖拉機的DGPS自動導航控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程報,2009，25(11): 139-145.

[8]趙建東,安秋,姬長英，等.基于東方紅-SG250拖拉機的自動轉向控制系統(tǒng)設計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2013,41(4):349-351.

[9]吳延霞，趙博，毛恩榮．農(nóng)業(yè)車輛自動導航系統(tǒng)綜述[J]．農(nóng)機化研究,2009，31(3)：242-245．

[10]Prof Simon Blackmore. A specification for an autonomous mechanization system[D]. Guangzhou:South China Agricultural University, 2008.

[11]Beom-Soo Shin. Autonomous-guidance technology in small-size orchard farm[D].Guangzhou:South China Agricultural University,2008.

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：1003-188X(2016)03-0163-04

中圖分類號：S219.032.3

文獻標識碼：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。

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2013AA102307)；石河子大學優(yōu)秀青年項目(2013ZRKXYQ05)

收稿日期：2015-02-09