張聞宇 丁幼春,2 王 磊 萬星宇 雷小龍 廖慶喜,2

(1.華中農業(yè)大學工學院， 武漢 430070; 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 長沙 410128)

拖拉機自動導航摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)設計與試驗

張聞宇1丁幼春1,2王 磊1萬星宇1雷小龍1廖慶喜1,2

(1.華中農業(yè)大學工學院， 武漢 430070; 2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心， 長沙 410128)

針對農機導航系統(tǒng)中使用傳統(tǒng)拖拉機前輪轉向驅動子系統(tǒng)機構復雜、裝卸不便等問題，設計了一種摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)。摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)主要由驅動裝置和相匹配的自適應模糊轉向控制器組成。驅動裝置采用平行四連桿機構以實現(xiàn)工作模式的快速切換，使用夾持固定方式實現(xiàn)便捷裝卸。搭建了試驗臺架以獲取摩擦輪驅動裝置的滑移特性數(shù)據(jù)。同時設計適用于該驅動裝置的自適應模糊轉向控制器，基于液壓系統(tǒng)離散傳遞函數(shù)和滑移特性數(shù)據(jù)建立了驅動系統(tǒng)遞推仿真模型，采用該仿真模型構建遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器對控制器參數(shù)進行在線優(yōu)化。進行了仿真模型驗證試驗、遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器性能對比試驗和驅動系統(tǒng)性能試驗，結果表明：仿真模型與實際系統(tǒng)基本一致；經過遺傳算法參數(shù)優(yōu)化后控制器階躍響應上升時間減少15%，穩(wěn)態(tài)誤差達到3%標準所需調節(jié)時間減少29%，消除了振蕩現(xiàn)象；所設計驅動系統(tǒng)的20°階躍響應平均絕對穩(wěn)態(tài)誤差為0.197°，平均上升時間為2.0 s，穩(wěn)態(tài)誤差達到3%標準的平均調節(jié)時間為2.4 s，拖拉機前輪控制效果良好。應用試驗表明驅動系統(tǒng)能基本滿足拖拉機配套2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機機組自動導航作業(yè)要求。

拖拉機導航； 前輪轉向； 摩擦驅動； 自適應模糊控制； 遺傳算法； 離散仿真模型

引言

精準農業(yè)導航技術在當今農業(yè)智能化發(fā)展中占據(jù)重要地位[1-3]。其中拖拉機轉向驅動子系統(tǒng)是導航系統(tǒng)中的關鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的性能和適應性直接影響導航控制方法的實際效果。

組建轉向驅動子系統(tǒng)是導航系統(tǒng)設計中的重要工作。國內外研究者采用的自動轉向系統(tǒng)主要有電磁比例液壓閥、電控全液壓閥和電控方向盤3種方式。文獻[4-10]均采用電磁比例液壓閥作為轉向控制方式，該方式具有控制響應迅速、執(zhí)行精度高等優(yōu)點，但存在裝卸復雜、控制元件昂貴和維護不便等問題。文獻[11-14]采用并聯(lián)電控全液壓閥方式實現(xiàn)農機轉向控制，該方式具有可靠耐用、控制便捷等優(yōu)點，但同樣存在機構龐雜問題。文獻[15-17]采用電動方向盤方式轉向，該方案對農機改動較小，設備成本較低，但齒輪傳動對安裝精度要求較高，離合掛擋機構復雜，需要根據(jù)方向盤定制整體結構。劉陽[18]采用摩擦方式驅動方向盤實現(xiàn)轉向，該方式結構簡單、安裝方便，但文中指出由于拖拉機方向盤存在自由行程影響，轉向系統(tǒng)控制精度較低，同時有明顯的穩(wěn)態(tài)振蕩現(xiàn)象，必須依據(jù)摩擦驅動裝置特性設計控制器才能獲得良好的控制效果。

良好的轉向驅動子系統(tǒng)能夠使油菜精量聯(lián)合直播機組導航系統(tǒng)便于搭建和維護，實現(xiàn)導航的精準控制，降低系統(tǒng)成本。針對傳統(tǒng)轉向驅動系統(tǒng)結構龐雜、裝卸不便等問題，本文設計一種摩擦輪式轉向驅動裝置，該裝置能夠迅速切換工作模式且裝卸便捷。同時為提高該轉向驅動裝置控制性能，設計一種基于遺傳算法的自適應模糊控制器。

1 總體設計

摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)結構如圖1所示，主要包括摩擦輪式轉向驅動裝置、自適應模糊控制器和原有轉向系統(tǒng)。為實現(xiàn)拖拉機前輪自動轉向操作，設計了摩擦輪式轉向驅動裝置。該裝置通過摩擦輪驅動拖拉機方向盤從而帶動全液壓轉向閥轉動，最終驅動拖拉機前輪轉向。驅動裝置由自適應模糊控制器控制，該控制器輸入量為前輪期望轉角和通過傳感器獲取的實時轉角，輸出量為步進電動機轉速信號。控制器裝載于工控機內，由VC 6.0軟件編寫完成。

圖1 摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Structure of automatic steering control system of friction drive for tractor

2 摩擦輪式轉向驅動裝置設計

2.1 驅動原理

由于齒輪傳動系統(tǒng)[15-17]存在加工安裝精度要求高、驅動噪聲較大、適應性有限等問題，本文采用摩擦傳動方式驅動拖拉機方向盤。轉向驅動系統(tǒng)驅動原理如圖2所示，步進電動機帶動摩擦輪轉動，通過摩擦輪與方向盤之間的摩擦力驅動方向盤轉動。依靠方向盤的帶動，液壓轉向閥改變液壓流向和流量，使轉向油缸伸縮實現(xiàn)拖拉機前輪轉向。

圖2 轉向系統(tǒng)驅動原理圖Fig.2 Driving principle of steering system1.步進電動機 2.摩擦輪 3.方向盤 4.拖拉機前輪 5.液壓泵 6.過濾器 7.液壓轉向閥 8.轉向油缸

2.2 轉向驅動裝置結構設計

2.2.1 驅動裝置結構

該裝置為懸臂結構，主要由摩擦輪架、平行四連桿機構、機架和夾持機構等組成，摩擦輪式轉向驅動裝置側剖圖和安裝簡圖如圖3所示。步進電動機通過聯(lián)軸器與摩擦輪軸連接，為其提供驅動轉矩。平行四連桿機構兩端采用鉸接分別連接摩擦輪架和機架，使摩擦輪架能夠繞機架擺動并與方向盤保持平行。拉力彈簧連接摩擦輪架與絲桿滑塊，轉動壓力調節(jié)手輪可帶動絲桿從而調節(jié)絲桿滑塊的位置，改變拉力彈簧的預緊力。驅動裝置的安裝方式如圖3b所示，夾持機構采用環(huán)抱方式將裝置固定于方向盤支柱上，使用拉扣鎖定，安裝便捷。

圖3 轉向驅動裝置側剖圖和安裝簡圖Fig.3 Cross-sectional view and installation drawing of steering device1.摩擦輪 2.摩擦輪架 3.拉力彈簧 4.平行四連桿 5.鉸點 6.轉向裝置機架 7.步進電動機 8.壓力調節(jié)手輪 9.絲桿 10.絲桿滑塊 11.夾持機構 12.拉扣 13.方向盤 14.轉向驅動裝置 15.方向盤支柱 16.操作臺

2.2.2 工作過程與結構參數(shù)確定

由于需要快速便捷切換手動操作與自動操作，裝置采用平行四連桿機構，通過拉力彈簧提供摩擦驅動所需壓力，該機構使裝置具有2個穩(wěn)態(tài)：自動操作和手動操作穩(wěn)態(tài)，處于中間狀態(tài)時裝置會在彈簧作用下自動恢復穩(wěn)態(tài)。自動操作時提起摩擦輪架，四連桿呈豎直狀態(tài)，摩擦輪與方向盤接觸；手動操作時放下摩擦輪架，四連桿呈水平狀態(tài)，摩擦輪與方向盤分離不影響手動轉向，避免了傳統(tǒng)齒輪傳動系統(tǒng)中離合掛擋機構復雜的問題，工作原理如圖4所示。

圖4 轉向驅動裝置工作原理圖Fig.4 Working principle of steering device1.摩擦輪 2.方向盤 3. 絲桿滑塊 4.操作臺

圖4中，A為方向盤與方向盤支柱的連接點，B為轉向裝置機架與方向盤支柱的安裝點，C為方向盤支柱與操作臺的固定點，D為絲桿滑塊與拉力彈簧的鉸點，E為機架與平行四連桿機構安裝位置，F(xiàn)、F′、G、G′為四連桿機構的4個鉸點，H為拉力彈簧與摩擦輪架的鉸點，I為摩擦輪與摩擦輪架的安裝位置，θ為四連桿與水平方向的夾角，le為安裝點H與摩擦輪軸的水平距離，lc為A點與H點的垂直距離，ld為安裝點E與鉸點D的垂直高度，lf為安裝點E到方向盤支柱軸心的距離。

為避免摩擦輪架與四連桿機構的干涉，le設為70 mm，lc設為60 mm。為防止拉力彈簧與壓力調節(jié)手輪之間的干涉，ld設為40 mm。摩擦輪直徑la為100 mm，東方紅-LX854型拖拉機的方向盤直徑lb為390 mm，方向盤支柱長度LAC為280 mm。平行四連桿長度LFF′與lf滿足

(1)

預設θ為90°時摩擦輪與方向盤接觸，代入式(1)解得lf為175 mm，減去方向盤支柱半徑35 mm，機架長度設為140 mm。計算可得LFF′小于180 mm，考慮夾持機構所需空間將LFF′設為110 mm。當θ為0°時，方向盤邊沿距離摩擦輪邊緣的直線距離為155 mm，不影響人工操作。

摩擦輪厚度為45 mm，與方向盤有效接觸面垂直寬度為30 mm，因此接觸面位置可以上下浮動。配合θ的變化能夠適應方向盤偏心的情況，根據(jù)勾股定理計算可得最大可適應的偏心率為0.63，一般情況方向盤偏心率不超過0.3，滿足實際需求。

2.3 摩擦驅動裝置滑移特性試驗

與齒輪傳動相比摩擦傳動存在滑移現(xiàn)象[19-20]，驅動輪和從動輪之間有相對滑動。相對滑動的大小直接影響驅動效果，在建立驅動系統(tǒng)模型時該相對滑動不可忽略。為測量不同工況下的滑移率，設計了摩擦驅動裝置試驗臺架。

試驗臺架由摩擦輪式轉向驅動裝置、方向盤、支架、歐姆龍E6B2-CWZ6C型測速編碼器、HLT-1050A型扭矩傳感器和FZ12A-1型磁粉制動器組成，如圖5所示。摩擦輪式轉向驅動裝置安裝于試驗臺架上。2個測速編碼器分別測量摩擦驅動輪和方向盤的轉速。扭矩傳感器兩端連接方向盤傳動軸和磁粉制動器制動軸，用于測量方向盤的實時負載。通過調節(jié)供電電流磁粉制動器，可以提供0～6 N·m的扭矩負載，經測量可知拖拉機方向盤正常工作負載小于2 N·m，制動器滿足模擬試驗要求?；坡蕼y量試驗步驟如下：

圖5 轉向驅動裝置試驗臺架Fig.5 Experimental setup of steering device1.測速編碼器 2.摩擦輪式轉向驅動裝置 3.方向盤 4.扭矩傳感器 5.磁粉制動器 6.支架

(1)轉動壓力調節(jié)手輪使彈簧拉伸至最長，經測量驅動裝置可提供33 N摩擦正壓力。設置電動機轉速na的8個水平分別為30、60、90、120、150、180、210、240 r/min。負載扭矩Fd的8個水平分別為0.80、1.15、1.50、1.85、2.20、2.55、2.90、3.25 N·m。

(2)對不同水平進行試驗，摩擦輪勻速轉動，帶動方向盤轉動。通過編碼器測量摩擦驅動輪轉速na和方向盤轉速nd，計算滑移率為

(2)

試驗數(shù)據(jù)由NI-USB-6218數(shù)據(jù)卡采集，采樣率為1 000 Hz，每100個原始數(shù)據(jù)求平均值獲得轉速數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取頻率為10 Hz。試驗測量時長為30 s。

(3)根據(jù)試驗結果獲得如表1所示的摩擦輪式轉向驅動裝置滑移率η特性，從而為建立驅動系統(tǒng)模型提供支持。

當負載Fd為1.954 N·m時，與拖拉機方向盤正常工作時測得的平均負載接近。此時滑移率η相對較為穩(wěn)定，平均值為10.85%。依據(jù)該狀態(tài)下的滑移率建立摩擦驅動輪轉速na與滑移率η之間的擬合方程

表1 摩擦輪式轉向驅動裝置滑移率η

(0

(3)

其決定系數(shù)R2=0.973 1。式(3)將用于驅動系統(tǒng)遞推仿真模型的建立。

由表1可知，當系統(tǒng)負載扭矩Fd超過3 N·m時，低轉速下滑移率η急劇上升，不能夠實現(xiàn)驅動功能。極端情況下可以通過增加摩擦輪正壓力和轉速實現(xiàn)正常驅動功能。

3 自適應模糊轉向控制器設計

自適應模糊轉向控制器包括變論域模糊控制器[21]、卡爾曼濾波器(Kalman filtering)和遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器3部分，控制器結構如圖6所示。實時轉角α′和期望轉角α輸入變論域模糊控制器獲得基礎轉速控制量n和控制狀態(tài)的識別結果[21]?？刂茽顟B(tài)的識別結果輸入遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器后對調節(jié)系數(shù)Ko進行優(yōu)化，Ko與經過卡爾曼濾波的轉速控制量相乘獲得優(yōu)化后轉速控制量n′。n′信號輸入摩擦輪式轉向驅動裝置，從而實現(xiàn)前輪轉向反饋控制。

3.1 遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器設計

摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)較多、控制延時較高和存在自由行程等特點。固定的調節(jié)系數(shù)Ko必須在上升時間、超調量和調節(jié)時間之間平衡取舍，難以獲得理想的控制效果。為獲得更好的控制效果本文采用遺傳算法對Ko進行在線優(yōu)化，遺傳算法模擬自然進化的過程對最優(yōu)參數(shù)進行快速求解，在線調節(jié)參數(shù)以實現(xiàn)自適應控制的目標。

3.1.1 適應度函數(shù)

遺傳算法中用適應度概念來描述群體中個體的優(yōu)良程度，決定了優(yōu)化算法的質量。反饋控制常用的評價標準是ITAE(Integral time absolute error)[22]，該評價標準能較好地描述控制效果。本文遺傳算法優(yōu)化控制器采用此標準作為適應度函數(shù)

f=∫t|e(t)|dt

(4)

式中e(t)——t時刻的控制誤差

3.1.2 轉向驅動系統(tǒng)遞推仿真模型

依據(jù)上述適應度函數(shù)可知必須計算t時刻的控制誤差，為此需建立系統(tǒng)的遞推仿真模型以實時計算響應過程。前期試驗研究已經獲得液壓轉向系統(tǒng)二階傳遞函數(shù)[21]

(5)

設計的遞推仿真模型步長為0.1 s，使用Matlab按照0.1 s步長對二階傳遞函數(shù)離散化，計算獲得離散化傳遞函數(shù)

(6)

使用該離散傳遞函數(shù)構建遞推仿真模型結構如圖7所示，仿真模型在遺傳算法中需要進行大量迭代計算，模型的運算量直接影響優(yōu)化算法的實時性能。如果使用仿真模型中的變論域模糊控制器反復進行控制狀態(tài)的識別[21],將會導致運算量急劇上升且屬于重復工作，所以直接將控制系統(tǒng)中的自適應模糊轉向控制器的識別結果輸入到仿真模型，仿真模型不再進行識別運算。同時根據(jù)識別結果設置仿真目標，處于突變控制狀態(tài)時將仿真輸入設置為階躍函數(shù)，處于漸變控制狀態(tài)時將仿真輸入設置為正弦函數(shù)，使優(yōu)化結果更符合實際情況。

模型中的變論域模糊控制器依據(jù)仿真輸入和識別結果計算獲得電動機轉速。該轉速經過卡爾曼濾波后輸入式(3)計算滑移率，依據(jù)滑移率獲得仿真方向盤轉速。對方向盤轉速進行積分，轉換為轉動角度。角度傳入離散傳遞函數(shù)、延時環(huán)節(jié)和調節(jié)系數(shù)后獲得仿真模型輸出轉角。

圖7 摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)遞推仿真模型結構圖Fig.7 Structure diagram of simulation model of steering system

圖7中, 偏度為狀態(tài)識別偏度結果，周期為狀態(tài)識別周期結果，幅值為狀態(tài)識別幅值結果，Inα為輸入的轉角期望， KalmanQ為濾波器過程激勵噪聲協(xié)方差參數(shù)，KalmanR為濾波器觀測噪聲協(xié)方差參數(shù)， 滑移率函數(shù)為基于式(3)的轉速計算函數(shù)，傳遞函數(shù)為轉向系統(tǒng)離散傳遞函數(shù)(式(5))， Outα為仿真模型輸出轉角。

3.1.3 仿真模型驗證

使用上述遞推仿真模型計算參數(shù)適應度。該仿真模型是否符合實際規(guī)律直接決定優(yōu)化效果，本文設計了仿真模型驗證試驗，試驗步驟如下：

(1)使用摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)進行驗證試驗，試驗于東方紅-LX954型拖拉機平臺上進行，使用DWQT-BZ-V-60-G型傳感器采集前輪轉角，采樣頻率為5 000 Hz，每500個原始數(shù)據(jù)求平均值獲得轉向數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取頻率為10 Hz，采樣精度為16位。將30°階躍信號輸入轉向系統(tǒng)，完成前輪轉向階躍響應并獲取數(shù)據(jù)。

(2)將30°階躍信號和突變狀態(tài)的識別結果輸入到遞推仿真模型中，計算獲取10 s內的仿真階躍響應結果，步長為0.1 s。

(3)對比摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)和仿真模型的階躍響應結果。

對比結果如圖8所示，仿真模型響應曲線與實際驅動系統(tǒng)響應曲線幾乎重合，上升時間相同，仿真模型較實際系統(tǒng)的響應超調量小0.18°，調節(jié)時間相差0.3 s，穩(wěn)態(tài)誤差均小于輸入信號幅值的3%。該仿真模型基本符合實際規(guī)律，滿足遺傳算法優(yōu)化需要。

圖8 仿真模型驗證試驗結果Fig.8 Verification test results of simulation model

3.1.4 參數(shù)優(yōu)化遺傳算法架構

構建遺傳算法[23]首先進行參數(shù)編碼和個體編碼，本文采用多參數(shù)交叉編碼方法，該編碼方法各參數(shù)主碼位比較集中，不易被遺傳算子破壞，適用于參數(shù)間重要性主次明顯的優(yōu)化問題。編碼方式是將各參數(shù)的相同位的基因編碼編在一起，參數(shù)使用6位二進制數(shù)表示，參數(shù)編碼An和個體基因編碼X為

(7)

式中anm——第n號參數(shù)的第m位編碼

相應的解碼公式為

(8)

式中Un——n號參數(shù)的真實值Un_min——n號參數(shù)優(yōu)化范圍的下限Un_max——n號參數(shù)優(yōu)化范圍的上限

本文設置了3個優(yōu)化參數(shù)U1、U2、U3，分別為門限外調節(jié)系數(shù)、門限和門限內調節(jié)系數(shù)，3個參數(shù)下限分別為0.10、0.05、0.01，上限分別為1.7、0.3、1.0。根據(jù)摩擦輪和方向盤的直徑比和預試驗的效果將Ko基數(shù)設為2.5，優(yōu)化參數(shù)Un對Ko的計算公式為

(9)

式中e——控制誤差Arec——幅值識別結果

遺傳算法需要對個體進行篩選，本文使用排序選擇法，該方法注重適應度之間的大小關系，對適應度非線性度較高的問題比較合適。首先對個體進行適應度升序排序，再匹配對應概率為

(10)

式中M——群體中個體數(shù)量H——遺傳算法總迭代次數(shù)h——進化代數(shù)i——排序后的第i號個體

利用式(10)計算個體概率時，前期能夠保持群體多樣性，而后期則能夠加快收斂?；诟怕蕄ni進行比例選擇算子[23]計算，產生下一代群體。

交叉算子采用多點交叉(Multi-point crossover),對個體進行兩兩配對，隨機選擇3個交叉點，將個體編碼分為4個段，配對個體偶數(shù)段的編碼互換獲得下一代個體。其中保留每一代適應度最高的少數(shù)個體的基因編碼不參與交叉編碼，以保留優(yōu)秀個體。

變異算子則采用基本位變異(Simple mutation)以變異概率p′隨機選擇一個體的隨機4位基因的編碼進行變異取反操作，變異概率p′設為0.3。

完成編碼、適應度和算子的設置后，進行遺傳算法架構。運算步驟如下：

(1)群體初始化，總迭代次數(shù)N設為40，群體的個體數(shù)量M設為40，對個體進行隨機初始化。

(2)計算各個體的適應度并進行排序后，使用排序選擇法對群體進行選擇。

(3)對群體應用多點交叉算子，獲得下一代個體后依據(jù)變異概率p′對群體運行變異算子。

(4)當進化代數(shù)h

參數(shù)優(yōu)化遺傳算法的主要運算量集中在適應度的仿真計算上，經過模型改進后完成一輪遺傳優(yōu)化的平均時間為70 ms，滿足控制器實時優(yōu)化需求。該算法較全因素遍歷優(yōu)化算法的時間復雜度減小200倍。

3.2 卡爾曼濾波器設置

驅動系統(tǒng)的摩擦輪轉速較快，出現(xiàn)急停急走和反復換向的控制信號時，由于慣性原因機構會出現(xiàn)較大抖動，同時方向盤轉動換向時也存在自由行程。為盡量減少上述信號的出現(xiàn)頻率，對變論域控制器的輸出進行卡爾曼濾波，經過濾波的信號更平穩(wěn)，較濾波前信號更適用于摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)。平衡濾波跟蹤速度與信號平穩(wěn)度，依據(jù)拖拉機試驗結果，過程激勵噪聲協(xié)方差Q設為1，觀測噪聲協(xié)方差R設為10。

4 摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)試驗

摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)試驗平臺在作業(yè)機具配套動力東方紅-LX854型拖拉機上搭建，如圖9所示。轉向驅動系統(tǒng)試驗均原地進行。摩擦輪式轉向驅動裝置動力為森創(chuàng)86BYG 250BS型兩項混合式步進電動機，轉動扭矩為4 N·m。 前輪轉角傳感器采用DWQT-BZ-V-60-G型傳感器。數(shù)據(jù)采集和信號發(fā)生使用NI-USB-6218 型采集卡，由USB與工控機連接?？刂平K端為TPC6000-6100T型工控機，使用Windows XP操作系統(tǒng)。

圖9 轉向驅動系統(tǒng)試驗平臺Fig.9 Experiment platform of steering system for tractor1.控制終端 2.摩擦輪式轉向驅動裝置 3.角度傳感器 4.步進電動機驅動模塊

4.1 對比試驗

設計2組對比試驗測試遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器的效果。遺傳組試驗采用遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器對Ko進行在線優(yōu)化，定參組只使用變論域模糊控制器和卡爾曼濾波器2個模塊，不采用優(yōu)化模塊，固定參數(shù)Ko設為2.5。2組試驗的卡爾曼濾波器參數(shù)相同，Q設為1，R設為10。試驗步驟如下：

(1)將幅值為20°的階躍響應信號分別輸入2組試驗的控制器。

(2)使用采樣頻率為5 000 Hz的角度傳感器，每500個數(shù)據(jù)求平均，數(shù)據(jù)獲取頻率為10 Hz，以16位精度采集階躍響應過程。

(3)對比遺傳算法參數(shù)優(yōu)化試驗和固定參數(shù)的試驗結果如圖10和表2所示。

圖10 對比試驗結果曲線Fig.10 Curves of performance of genetic algorithm optimizer

試驗組平均穩(wěn)態(tài)誤差/(°)上升時間/s3%調節(jié)時間/s超調量/%遺傳組0291724定參組032203155

遺傳算法運算結果U1、U2、U3分別為1.500、0.216、0.310。經過遺傳算法優(yōu)化的試驗組上升時間比固定參數(shù)試驗組減少0.3 s(15%)， 穩(wěn)態(tài)誤差達到3%標準所需調節(jié)時間ts減少0.7 s(29%)，響應過程無超調和振蕩。試驗結果表明經過遺傳算法優(yōu)化的試驗組具有更好的控制性能。

4.2 性能試驗

為進一步測試轉向驅動系統(tǒng)的轉向性能，設計了性能試驗。1號試驗的輸入量是周期為16 s、幅值為10°的方波信號，記錄50 s數(shù)據(jù)，形成6段20°的階躍響應信號，波形如圖11所示，試驗結果如表3所示。在線參數(shù)優(yōu)化結果U1、U2、U3分別為1.280、0.193、0.350。6段階躍響應平均絕對穩(wěn)態(tài)誤差為0.197°，平均上升時間為2.0 s， 穩(wěn)態(tài)誤差達到3%標準所需平均調節(jié)時間為2.4 s，階躍響應無超調和振蕩現(xiàn)象。

圖11 方波響應結果曲線Fig.11 Step response curves of steering system

響應編號平均穩(wěn)態(tài)誤差/(°)上升時間/s3%調節(jié)時間/s101902227201281921303542226400741820503642226600741920平均值01972024

由表3可以看出，在相同的控制輸出量下，由于液壓推缸進程與退程的有效截面不同導致拖拉機前輪左轉和右轉的角速度存在區(qū)別。

2號試驗輸入量是周期為15 s、幅值為10°的正弦信號，記錄50 s數(shù)據(jù)，波形如圖12所示。在線參數(shù)優(yōu)化結果U1、U2、U3分別為0.800、0.095、0.875。該正弦響應的平均絕對誤差為0.617°，最大誤差為1.71°。

圖12 正弦波響應結果曲線Fig.12 Sin response curves of steering system

性能試驗表明摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)性能良好，滿足拖拉機前輪控制需求。

4.3 應用試驗

為測試采用摩擦輪式轉向驅動子系統(tǒng)的拖拉機配套油菜精量聯(lián)合直播機機組導航系統(tǒng)作業(yè)性能，于2016年9月27日在華中農業(yè)大學現(xiàn)代農業(yè)科技試驗基地使用導航系統(tǒng)進行機組播種試驗(圖13)。導航系統(tǒng)由導航控制系統(tǒng)[24-25]、摩擦輪轉向驅動系統(tǒng)、司南M300型北斗定位系統(tǒng)(定位頻率設為2 Hz，水平定位精度為±(10+10-6D) mm，D為基站到移動站的距離)、東方紅LX-854型拖拉機和2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機組成。試驗進行直線跟蹤，依據(jù)播種工況選擇前進速度。行駛平均速度為0.605 m/s，行駛距離為45 m，平均絕對橫向偏差為0.039 m，最大橫向偏差為0.145 m，橫向偏差的標準差為0.051 m。試驗結果表明摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)能夠為作業(yè)機組自動導航研究提供參考。2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機播種農藝要求的對行精度為0.10 m，導航系統(tǒng)田間作業(yè)試驗最大橫向偏差需要減小。通過分析機具工作過程對自動導航控制的影響，建立處于掛載機具工作狀態(tài)的農機動 力學模型用以修正控制方法，能夠進一步提高自動導航系統(tǒng)田間作業(yè)試驗精度。

圖13 導航系統(tǒng)播種試驗Fig.13 Field line-tracking of navigating system1.北斗定位系統(tǒng) 2.摩擦輪式轉向驅動裝置 3.控制終端 4.拖拉機 5.油菜精量聯(lián)合直播機

5 結論

(1)針對傳統(tǒng)拖拉機前輪轉向驅動系統(tǒng)機構復雜、安裝不便等問題，設計了一種摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括摩擦輪式轉向驅動裝置和自適應模糊轉向控制器。驅動裝置能夠實現(xiàn)方向盤轉向驅動，具有適應性高、切換工作模式迅速和裝卸便捷等特點。同時本文進行了摩擦驅動裝置滑移特性試驗，為驅動系統(tǒng)模型建立提供數(shù)據(jù)支持。

(2)設計并實現(xiàn)了自適應模糊轉向控制器。采用遺傳算法進行在線參數(shù)優(yōu)化，建立摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)遞推仿真模型用于遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器構建。同時進行了仿真模型驗證，遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器性能對比試驗，摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)性能試驗和應用試驗。

(3)遺傳算法參數(shù)優(yōu)化器性能對比試驗結果表明，經參數(shù)優(yōu)化后20°階躍響應上升時間減少0.3 s(15%)，穩(wěn)態(tài)誤差達到3%標準所需調節(jié)時間減少0.7 s(29%)，消除振蕩現(xiàn)象。摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)性能試驗表明，20°階躍響應平均絕對穩(wěn)態(tài)誤差為0.197°，平均上升時間為2.0 s， 穩(wěn)態(tài)誤差達到3%標準所需平均調節(jié)時間為2.4 s，階躍響應無振蕩現(xiàn)象。所設計的摩擦輪式轉向驅動系統(tǒng)拖拉機前輪控制效果良好，應用試驗表明驅動系統(tǒng)能基本滿足拖拉機配套2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機機組自動導航作業(yè)要求。

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Design and Experiment on Automatic Steering Control System of Friction Drive for Tractor

ZHANG Wenyu1DING Youchun1,2WANG Lei1WAN Xingyu1LEI Xiaolong1LIAO Qingxi1,2

(1.CollegeofEngineering,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China2.SouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina,Changsha410128,China)

An automatic steering control system of friction drive for tractor was designed to solve the problem that traditional automatic steering control system was too complex to be installed on 2BFQ-6 type direct-seeding combined dual purpose planter. A four connecting rods parallel institutions was used to develop the steering control device of friction drive for achieving fast mode switching. Meanwhile, the friction drive was simple in operation and convenient in installation by using the clamping installation method. The discrete simulation model of tire steering maneuver was established based on slip characteristics of the device. The simulation model was adopted to design the genetic algorithm optimizer, which could optimize the controller parameters online. The self-adaptation controller was adapted to control the automatic steering device of friction drive. The experiment on LX854-DFH tractor was used to analyze the performance of genetic algorithm optimizer. The experimental results showed that rise and regulation response time of the genetic algorithm optimization controller was decreased by 15% and 29% compared with the fixed parameter controller, respectively. The measured 20° step responses indicated that the average regulation time was 2.4 s, the average absolute steady-state error was 0.197°, and there was no steady state oscillation, when the experimental results were recorded. The automatic steering control system of friction drive could be applied to control nosewheel steering turning of 2BFQ-6 type direct-seeding combined dual purpose planter for rapeseed.

tractor navigation; nosewheel steering turning; friction drive; self-adaptation fuzzy control; genetic algorithm; discrete simulation model

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.06.004

2016-09-30

2016-11-10

國家油菜產業(yè)技術體系專項(CARS-13)、國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD020060602)、“十二五”國家科技支撐計劃項目(2013BAD08B02)和公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201503116-6)

張聞宇(1985—)，男，博士生，主要從事自動控制和油菜直播機導航研究，E-mail： zhangwy@webmail.hzau.edu.cn

廖慶喜(1968—)，男，教授，博士生導師，主要從事油菜機械化生產技術與裝備研究，E-mail： liaoqx@mail.hzau.edu.cn

S225.3

A

1000-1298(2017)06-0032-09