熊 斌 張俊雄 曲 峰 范智棋 王大帥 李 偉
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083)
基于BDS的果園施藥機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)
熊 斌 張俊雄 曲 峰 范智棋 王大帥 李 偉
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083)
根據(jù)果園施藥機自動導(dǎo)航噴藥作業(yè)需求,設(shè)計了一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的施藥機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括RTK-BDS接收機、導(dǎo)航控制器、轉(zhuǎn)向控制器、電控氣動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和三軸電子羅盤。其中轉(zhuǎn)向控制器、電控氣動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和三軸電子羅盤構(gòu)成轉(zhuǎn)向角閉環(huán)控制回路,該回路可根據(jù)導(dǎo)航控制器發(fā)送的施藥機期望轉(zhuǎn)向角實現(xiàn)轉(zhuǎn)向角的隨動控制。將施藥機的運動學(xué)模型和純追蹤模型相結(jié)合,設(shè)計了施藥機直線跟蹤導(dǎo)航控制器,輸入為位置坐標(biāo)和方位角,輸出為期望轉(zhuǎn)向角。針對果園地形特點對施藥機進行了導(dǎo)航路徑規(guī)劃,并在果園進行現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明:所設(shè)計的導(dǎo)航控制系統(tǒng),在施藥機行進速度為2 km/h時,直線跟蹤最大誤差不大于0.13 m,平均跟蹤誤差不大于0.03 m,能滿足果園自動導(dǎo)航作業(yè)精度要求。
果園; 施藥機; 自動導(dǎo)航; 控制系統(tǒng); 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)
我國作為水果生產(chǎn)大國,但果園種植、管理以及果實采收等工序機械化程度低、勞動強度大、成本高。果園機械的智能化導(dǎo)航,可以減輕果農(nóng)勞動強度,提高果園作業(yè)效率和質(zhì)量,對水果生產(chǎn)具有重要的研究意義和實際應(yīng)用價值[1-4]。隨著差分式衛(wèi)星定位技術(shù)的不斷發(fā)展,衛(wèi)星定位精度不斷提高,載波相位差分衛(wèi)星定位精度可達厘米級,越來越多學(xué)者已著力研究衛(wèi)星定位技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械自動導(dǎo)航中的應(yīng)用[5-12]。
日本國家農(nóng)業(yè)研究中心利用DGPS(Differential global positioning system)和卡爾曼濾波器對耕地用拖拉機進行導(dǎo)航試驗,測量結(jié)果表明直線位置誤差為0.1 m,轉(zhuǎn)彎誤差則為0.12 m[13]。YOSHISADA等[14]將RTK-DGPS和光纖陀螺應(yīng)用于水田插秧機的直線跟蹤導(dǎo)航,插秧機在正常作業(yè)速度條件下,最大跟蹤誤差小于0.12 m,均方根誤差小于0.055 m。斯坦福大學(xué)的MICHAEL O’ Connor等為約翰迪爾7800型拖拉機開發(fā)了一套GPS導(dǎo)航系統(tǒng),在拖拉機駕駛室的上方安裝了4個單通道的GPS傳感器,接收器以10 Hz的頻率進行姿態(tài)測量,航向響應(yīng)小于1°,直線跟蹤標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.5 cm[15]。ZHANG等[16]運用RTK-GPS接收器和光纖陀螺儀,探索了拖拉機自動導(dǎo)航中的動態(tài)路徑搜索算法來滿足農(nóng)業(yè)作業(yè)的需求。張智剛等[17]將計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、GPS技術(shù)和數(shù)據(jù)通信技術(shù)等集成和融合,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),提出了一種利用航向跟蹤實現(xiàn)路徑跟蹤的控制方法。羅錫文等[18]將RTK-DGPS定位技術(shù)應(yīng)用于東方紅X-804型拖拉機自動導(dǎo)航,設(shè)計開發(fā)了可電控的液壓轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制回路,將拖拉機運動模型和液壓轉(zhuǎn)向控制模型相結(jié)合,設(shè)計了直線跟蹤的PID導(dǎo)航控制器。周建軍等[19]為提高農(nóng)機車載GPS和DR組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位的精度,將模糊邏輯和卡爾曼濾波相結(jié)合,研究了模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波算法,在線修正系統(tǒng)量測噪聲協(xié)方差陣,在改裝農(nóng)機車上試驗表明:系統(tǒng)使用模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波后,x方向和y方向平均誤差分別為0.13 m和0.20 m。郭娜等[20]以洋馬VP6型高速插秧機為試驗平臺,對主變速操作、插植操作機構(gòu)和變速機構(gòu)進行電控改造,在此基礎(chǔ)上設(shè)計了基于GPS導(dǎo)航的田間作業(yè)控制系統(tǒng)。
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為用戶提供高精度、高可靠定位導(dǎo)航服務(wù),精度最高可達厘米級。本文采用RTK-BDS定位技術(shù),研究果園噴藥機自動導(dǎo)航系統(tǒng)。設(shè)計可電控的氣動轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制回路,并進行閉環(huán)測試。將噴藥機運動模型和純追蹤模型結(jié)合,設(shè)計直線跟蹤的導(dǎo)航控制器,通過果園試驗驗證控制系統(tǒng)的精確性和可靠性。
1.1 系統(tǒng)組成
施藥機自動導(dǎo)航系統(tǒng)由RTK-BDS定位傳感器、導(dǎo)航控制器、電控氣動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制器、三軸電子羅盤和施藥機本體等組成,如圖1所示。
圖1 施藥機自動導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.1 Structure sketch of spraying robot navigation system1.車載電臺天線 2.工控機 3.氣泵 4.前小盤天線 5.柱塞泵 6.藥箱 7.噴頭 8.后小盤天線 9.自走式底盤車 10.控制箱 11.氣動三聯(lián)件
施藥機由履帶自動式底盤和噴霧系統(tǒng)組成,屬于手動擋汽油機,速度范圍為0.5~6.1 km/h,兩履帶中心距為1 m,長度為1.9 m,通過拉動轉(zhuǎn)向離合切斷左輪或者右輪脫離運動力主軸,實現(xiàn)履帶車差速轉(zhuǎn)向。定位傳感器采用華測公司N71J型BDS接收機系統(tǒng),包括BDS天線、基準(zhǔn)站接收機、移動站接收機和數(shù)傳電臺組成。該系統(tǒng)采用RTK-BDS定位,水平定位精度可達0.008 m+10-8RMS,垂直定位精度可達0.015 m+10-8RMS,動態(tài)延遲小于25 ms。三軸電子羅盤采用PNI公司TCM5型傾角補償3軸電子羅盤,傾斜角精度為0.3°RMS,俯仰角精度為0.2°RMS,橫滾角精度為0.5°RMS,分辨率為0.1°。
1.2 氣動轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)
氣動轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)由氣動轉(zhuǎn)向回路、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、轉(zhuǎn)向控制器和三軸電子羅盤組成,屬于閉環(huán)系統(tǒng)。
轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要由2個氣缸、鋼絲繩和左右轉(zhuǎn)向離合器組成,如圖2所示。氣缸收縮時,拉動鋼絲繩,鋼絲繩拉動轉(zhuǎn)向離合器,從而控制左或右輪脫離運動力主軸,使該輪停轉(zhuǎn),實現(xiàn)施藥機差速轉(zhuǎn)動。氣缸伸出時,轉(zhuǎn)向離合器在彈簧作用下復(fù)位,使左或右輪與運動主軸嚙合,繼續(xù)轉(zhuǎn)動。氣缸拉動左轉(zhuǎn)向離合器時,施藥機左轉(zhuǎn);反之,施藥機右轉(zhuǎn);氣缸同時拉動左右轉(zhuǎn)向離合器時,施藥機停止運動。
圖2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)構(gòu)成圖Fig.2 Structure sketch of steering mechanism1.彈簧 2.右轉(zhuǎn)向離合 3.鋼絲繩 4.右轉(zhuǎn)向氣缸 5.左轉(zhuǎn)向氣缸 6.施藥機機架 7.左轉(zhuǎn)向離合
氣路系統(tǒng)回路圖如圖3所示,左右換向閥采用二位五通電磁閥,分別控制左右轉(zhuǎn)向氣缸動作,從而控制噴藥機轉(zhuǎn)彎方向。比例閥實現(xiàn)流量控制,用于控制履帶轉(zhuǎn)速,繼而控制施藥機轉(zhuǎn)向速度快慢。氣泵選用直流雙缸充氣泵,長時間連續(xù)工作會導(dǎo)致嚴重發(fā)熱甚至燒壞,故選用電接點壓力表和儲氣罐控制氣泵間歇性工作,電接點壓力表壓力上下限分別設(shè)置為0.55 MPa和0.2 MPa,儲氣罐容量為6 L,轉(zhuǎn)向氣缸正常工作要求系統(tǒng)壓力大于0.15 MPa,當(dāng)系統(tǒng)壓力低于0.2 MPa時氣泵開啟工作,當(dāng)系統(tǒng)壓力高于0.55 MPa時氣泵停止工作。氣泵停止工作期間系統(tǒng)壓力大于0.2 MPa,滿足轉(zhuǎn)向氣缸正常工作要求,因此可滿足施藥機持續(xù)作業(yè)模式。溢流閥起安全保護作用。
圖3 氣動系統(tǒng)回路圖Fig.3 Circuit diagram of pneumatic system1.空氣過濾器 2.儲氣罐 3.消聲器 4.溢流閥 5.氣泵 6.電接點壓力表 7.單向閥 8.減壓閥 9.油霧器 10.右換向閥 11.右電氣比例閥 12.右轉(zhuǎn)向氣缸 13.左電氣比例閥 14.左換向閥 15.左轉(zhuǎn)向氣缸
自動轉(zhuǎn)向原理是施藥機沿著預(yù)先設(shè)定路徑前進,導(dǎo)航控制器由建立純路徑跟蹤控制算法計算出實時期望轉(zhuǎn)向角發(fā)送給轉(zhuǎn)向控制器,然后轉(zhuǎn)向控制器輸出控制信號,通過控制換向閥和比例閥來控制轉(zhuǎn)向氣缸動作,實現(xiàn)施藥機轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制。
轉(zhuǎn)向控制器在轉(zhuǎn)向控制過程中使用PID控制算法,如圖4所示,θ1為上位機發(fā)送的期望轉(zhuǎn)向角,θ為施藥機實際轉(zhuǎn)向角,θ2為電子羅盤測得的轉(zhuǎn)向角,e為輸入期望轉(zhuǎn)向角和測得的轉(zhuǎn)向角之間的偏差。轉(zhuǎn)向控制器通過分析e,設(shè)計控制算法和程序,控制比例換向閥動作,實現(xiàn)電控自動轉(zhuǎn)向。
圖4 自動轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of closed loop steering control system
考慮到施藥機在果園作業(yè)時大部分時間都是直線跟蹤行走,轉(zhuǎn)向角一般比較小,本文通過一個±10°的階躍響應(yīng)測試,測得施藥機在2 km/s行進速度下氣動轉(zhuǎn)向閉環(huán)回路的動態(tài)響應(yīng)性能,階躍響應(yīng)測試結(jié)果如圖5所示。由階躍測試結(jié)果可知,平均超調(diào)量為15.3%,平均峰值時間為0.54 s,轉(zhuǎn)向閉環(huán)控制回路視為二階系統(tǒng)。
圖5 氣動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)Fig.5 Dynamic response of pneumatic steering system
1.3 RS232通信
自動導(dǎo)航系統(tǒng)采用RS232進行通信。轉(zhuǎn)向控制器采用ATmega128單片機,實現(xiàn)航偏角數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)向控制。導(dǎo)航控制器采用臺達工控機,實現(xiàn)BDS定位數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)向控制指令決策。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 自動導(dǎo)航系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 Structure diagram of automatic navigation system
1.4 軟件運行流程
在工控機上用LabView搭建人機交互界面,界面用于接收BDS數(shù)據(jù)和電子羅盤數(shù)據(jù),根據(jù)路徑跟蹤控制算法計算出期望轉(zhuǎn)向角并發(fā)送給轉(zhuǎn)向控制器。轉(zhuǎn)向控制器將接收的期望轉(zhuǎn)向角與測得實際轉(zhuǎn)向角比較,根據(jù)偏差的大小進行PID控制。定位傳感器發(fā)送BDS數(shù)據(jù)頻率為10 Hz,電子羅盤發(fā)送數(shù)據(jù)頻率為20 Hz,工控機發(fā)送期望轉(zhuǎn)向角頻率為10 Hz。施藥機導(dǎo)航作業(yè)軟件運行流程如圖7所示。
圖7 軟件運行流程圖Fig.7 Flow chart of software operation
2.1 噴藥機運動模型
施藥機底盤是履帶式的,轉(zhuǎn)向時內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)向離合器徹底分離,牽引負荷完全由外側(cè)履帶承擔(dān)。如圖8所示,履帶車不帶負荷在水平地面上以轉(zhuǎn)彎半徑R繞軸線O作低速穩(wěn)定轉(zhuǎn)向,OT是軸線O在水平地面上的投影,C點為履帶車坐標(biāo)控制點,由于低速離心力可忽略不計,設(shè)履帶車角速度為ω,方位角為ψ,方位角定義是北極方向沿順時針方向與施藥機縱軸線前進方向夾角,由運動幾何關(guān)系可得
(1)
(2)
式中ψ1——t時刻施藥機的方位角ψ2——t+Δt時刻施藥機的方位角θ——從t時刻到t+Δt時刻施藥機轉(zhuǎn)向角變化值
R——施藥機轉(zhuǎn)彎半徑
L——兩履帶中心距
由式(1)關(guān)系得到,轉(zhuǎn)向角變化值等于方位角變化值,因此可以通過檢測方位角來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向角的精準(zhǔn)控制。由式(2)可知履帶車的轉(zhuǎn)彎半徑是一個固定值,通過測量兩履帶中心距L為1 m,可以計算出R為0.5 m。由噴藥機運動模型可知,噴藥機以固定轉(zhuǎn)彎半徑進行轉(zhuǎn)向,可以用檢測方位角來對轉(zhuǎn)向角實現(xiàn)精確控制。
圖8 履帶車轉(zhuǎn)向運動簡圖Fig.8 Steering motion diagram of tracked vehicle
2.2 純追蹤模型
純追蹤模型是一種基于幾何原理的計算方法,用來計算車輛在運動中從當(dāng)前位置到目標(biāo)點走過的弧形軌跡。車輛在以固定角度轉(zhuǎn)彎時,所走過的軌跡為圓周上的一段弧線,施藥機整個行走軌跡可以看成由無數(shù)段圓弧組成,只要確定了不同時間段軌跡弧線的圓心和半徑就可以得到行駛的整個軌跡,這樣就可以通過控制施藥機轉(zhuǎn)向角來改變行駛軌跡,使車輛沿著預(yù)期路徑前進。如圖9所示,施藥機沿著設(shè)定軌跡直線AB導(dǎo)航,實際運動軌跡由各弧線段組成,由當(dāng)前點C(XC,YC) 和方位角ψC可確定當(dāng)前弧線段的圓心O(XO,YO),由轉(zhuǎn)彎半徑為0.5 m可求出目標(biāo)點P(XP,YP),因此Δψ可以求出,再根據(jù)式(1)可求出期望方位角ψ2,即期望轉(zhuǎn)向角值。
圖9 純追蹤模型Fig.9 Model of look-ahead dynamic path search
針對果園地形特點及種植模式,結(jié)合施藥機轉(zhuǎn)彎半徑小的特點,設(shè)計施藥機器人導(dǎo)航路徑,如圖10所示,帶箭頭軌跡線代表施藥機預(yù)設(shè)導(dǎo)航路徑,點0為初始位置,點1~5為地頭轉(zhuǎn)彎點,點A為施藥機器人導(dǎo)航作業(yè)時任意一點,點A到預(yù)設(shè)軌跡的偏距為D,D用于衡量直線跟蹤誤差,D0為施藥機器人作業(yè)時不碰到果樹的最大安全距離,施藥機器人正常導(dǎo)航作業(yè)時D需小于D0。施藥機在直線段沿著預(yù)設(shè)路徑導(dǎo)航,到地頭轉(zhuǎn)彎點時轉(zhuǎn)彎約90°。
圖10 導(dǎo)航路徑規(guī)劃圖Fig.10 Sketch of navigation path planning
為檢驗施藥機性能和作業(yè)效果,在北京市通州區(qū)國際種業(yè)園櫻桃果園內(nèi)進行導(dǎo)航試驗,如圖11所示。櫻桃果園種植行間距為5 m,壟長70 m,考慮到櫻桃枝干伸出部分,施藥機器人壟間實際可行走區(qū)域?qū)挾燃s為2.5 m,施藥機器人整體寬度尺寸為1.8 m,因此,施藥機器人不碰到果樹的最大安全距離為0.3 m。選取櫻桃果園連續(xù)3壟地作為試驗地,試驗前用采點儀器采集規(guī)劃路徑上點0~5的坐標(biāo),計算各導(dǎo)航直線段方程,沿著3壟地完成導(dǎo)航,記作1次試驗,施藥機前進速度為1、2、3、4 km/h各做5次試驗,并記錄試驗數(shù)據(jù)。
圖11 施藥機器人導(dǎo)航試驗現(xiàn)場Fig.11 Navigation test site of spraying robot
施藥機器人在不同前進速度下,5次試驗都能在不撞到果樹的情況下完成導(dǎo)航作業(yè),取前進速度為2 km/h時第1次試驗的導(dǎo)航坐標(biāo)點數(shù)據(jù)進行處理,可得到施藥機導(dǎo)航軌跡圖,如圖12所示。
圖12 施藥機導(dǎo)航軌跡Fig.12 Navigation track of spraying machine
對不同前進速度下施藥機行走軌跡上的橫向跟蹤誤差進行統(tǒng)計分析,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。橫向跟蹤誤差定義為實時BDS定位坐標(biāo)點到當(dāng)前作業(yè)行的距離。
從統(tǒng)計結(jié)果可以看出,施藥機前進越快,最大直線跟蹤誤差越大。前進速度為2 km/h時為最優(yōu)速度,轉(zhuǎn)向速度較快,直線跟蹤誤差較小,此時最大直線跟蹤誤差不超過0.13 m,平均跟蹤誤差不超過0.03 m,這表明所設(shè)計的導(dǎo)航控制系統(tǒng)有較高的控制精度和穩(wěn)定性。施藥機能沿著預(yù)設(shè)路徑進行直線跟蹤和地頭自動轉(zhuǎn)彎作業(yè),表明該路徑規(guī)劃適用于施藥機導(dǎo)航作業(yè)。
表1 橫向跟蹤誤差統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Statistical results of offset error
(1)使用RTK-BDS接收機實時提供的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù),采用純追蹤的路徑跟蹤算法,運用PID轉(zhuǎn)向控制方法,實現(xiàn)了施藥機直線跟蹤導(dǎo)航和地頭轉(zhuǎn)向控制。
(2)以履帶自走式底盤車為施藥機移動載體,根據(jù)履帶車轉(zhuǎn)向原理設(shè)計了電控氣動轉(zhuǎn)向控制裝置,通過閉環(huán)控制實現(xiàn)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎,氣動裝置提高了轉(zhuǎn)向機構(gòu)的響應(yīng)速度。
(3)果園導(dǎo)航試驗表明,施藥機器人可有效實現(xiàn)果園精準(zhǔn)直線導(dǎo)航,并可自主完成地頭自動換壟,在前進速度為2 km/h時,直線跟蹤的最大誤差不大于0.13 m,平均跟蹤誤差不大于0.03 m,滿足果園施藥作業(yè)要求。
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12 張智剛,羅錫文,趙祚喜,等.基于Kalman濾波和純追蹤模型的農(nóng)業(yè)機械導(dǎo)航控制[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(增刊):6-12. ZHANG Zhigang,LUO Xiwen,ZHAO Zuoxi,et al. Trajectory tracking control method based on Kalman filter and pure pursuit model for agricultural vehicle[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2009,40(Supp.):6-12. (in Chinese)
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Navigation Control System for Orchard Spraying Machine Based on Beidou Navigation Satellite System
XIONG Bin ZHANG Junxiong QU Feng FAN Zhiqi WANG Dashuai LI Wei
(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)
According to the demand of automatic navigation of orchard spraying machine, a navigation control system for spraying robot based on Beidou navigation satellite system(BDS)was designed. The system included RTK-BDS receiver, navigation controller, steering controller, electro pneumatic steering system, three dimensional electronic compass. The closed control loop of steering angle was composed of steering controller, electro pneumatic steering system, three dimensional electronic compass. The closed loop could realize the servo control of steering angle according to control command from navigation controller. The kinematics and dynamics models of spraying machine were analyzed and a look-ahead dynamic path search model was established. The input of the look-ahead dynamic path search model was lateral tracking error and the output was steering angle from navigation controller. Navigation path planning on the spraying machine was designed according to the characteristics of the orchard, and field tests were carried out in the orchard. The tests were done at different traveling speeds, which showed the offset error became bigger with the increase of traveling speed and the traveling speed of 2 km/h was the optimal speed for quick steering speed and small offset error. The field tests showed that the maximum offset error was no more than 0.13 m and the average offset error was no more than 0.03 m for straight tracking at the traveling speed of 2 km/h. The field tests indicated that the navigation control method was appropriated to orchard spraying machine.
orchard; spraying machine; automatic guidance; control system; Beidou navigation satellite system
10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.006
2016-09-24
2016-11-27
國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA041507)和“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD23B02)
熊斌(1989—),男,博士生,主要從事智能農(nóng)業(yè)機械裝備研究,E-mail: 815149730@qq.com
張俊雄(1979—),男,副教授,博士生導(dǎo)師,主要從事機械制造、機器視覺及農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)研究,E-mail: cau2007@cau.edu.cn
S219.3; TP242
A
1000-1298(2017)02-0045-06