何 杰 朱金光 張智剛 羅錫文 高 陽 胡 煉

(1.華南農業(yè)大學南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室， 廣州 510642；2.雷沃重工股份有限公司， 濰坊 261200)

0 引言

農業(yè)機械化發(fā)展的必然趨勢是智能化[1-2]。農業(yè)機械自動作業(yè)是智能農機的重要組成部分，也是農機智能化發(fā)展的必然要求[3-4]。目前，國外農業(yè)機械的智能化水平較高，駕駛操控都采用電子控制。近年來，無人農場在國內外發(fā)展比較迅速，2017年英國Harper Adams大學進行了小麥播種和收獲的無人農場示范。國內農業(yè)機械田間作業(yè)一般都采用人工操作桿的控制方式[5]，亟需開展農機自動作業(yè)研究。我國“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃將農業(yè)機械的現代化、智能化和規(guī)?；腥胫攸c研發(fā)計劃[6]。

國內外水稻插秧機的智能化研究主要集中在自動導航和自動作業(yè)[7-10]方面，其中插秧機GNSS自動導航的研究較為深入。插秧機自動作業(yè)主要包括插植機構的自動操作和油門、擋位組成的變速機構的自動操作。相較拖拉機而言，對水稻插秧機作業(yè)操控部分電子控制的研究較少。胡煉等[11]、偉利國等[12]和郭娜等[13]對插秧機的操控機構進行了電控研究，采用直流電機、步進電機或電動推桿電機驅動插秧機操作桿實現了自動化操作，取得了較好的效果。但還存在以下不足：①采用電機后，操縱桿手動控制不方便。②方案采用的是專用設備，未開放電控接口，不便于與上位系統(tǒng)(無人駕駛系統(tǒng)等)集成。③插秧機各作業(yè)操控相互獨立，未考慮聯(lián)合作業(yè)相互配合的控制方法。

為此，本文以井關PZ-60型水稻插秧機為試驗平臺，根據插秧機插植操作機構和變速機構的特點，設計手自一體改造方案，實現以手動操作優(yōu)先的水稻插秧機插植機構和變速機構的自動控制；根據插秧機自主作業(yè)的要求，設計插秧機速度控制算法和插值機構控制算法、插秧機自動作業(yè)速度和插值機構的聯(lián)合控制策略；在水泥路面和水田環(huán)境下試驗驗證自動作業(yè)系統(tǒng)的準確性和可靠性。

1 自動作業(yè)系統(tǒng)結構

1.1 插秧機作業(yè)操作機構

井關PZ-60型水稻插秧機為6行乘坐式插秧機，如圖1所示。其主要作業(yè)操作機構包括變速桿和插植操作桿。其中，插秧機的油門和靜液壓無級變速器(Hydro static transmission, HST)通過機械結構相連，由變速桿進行操控，油門開度和HST變速聯(lián)動；變速分為前進、中立和后退3擋；插植操作分為上升、中立、下降和插秧4個擋位。PZ-60型插秧機變速系統(tǒng)以及插植操作部分均為純機械操控，沒有電控接口。為實現插秧機自動作業(yè)，需針對其機械式操作機構進行電控改造設計。本文采用電控手柄(包括電位計操作桿和開關量操作桿)、推桿電機和作業(yè)控制器對插秧機的作業(yè)機構進行電控設計，并開發(fā)CAN總線電控接口?？傮w設計結構示意圖如圖2所示。

圖1 插秧機操作機構Fig.1 Diagrams of rice transplanter operating mechanism1.插植操作桿 2.變速桿 3.方向盤

圖2 插秧機作業(yè)控制系統(tǒng)總體設計結構示意圖Fig.2 Schematic of overall design structure of rice transplanter operation control system

1.2 變速機構電控設計

國內一些研究機構和高校進行了插秧機變速機構電控改造相關研究[14]，取得了較好的效果，但存在一些不足。本文針對井關PZ-60型插秧機HST和油門開度聯(lián)動的特點，設計手動優(yōu)先的手自一體電控變速裝置，保障出現異常時人工可快速接管插秧機的操控。設計基于SAE J1939協(xié)議的CAN通信接口，便于與自動導航系統(tǒng)或無人駕駛系統(tǒng)集成。

圖3 變速機構改造裝置示意圖Fig.3 Schematic of shifting mechanism1.作業(yè)控制器 2.擋位面板 3.TRC8型電控手柄 4.開關 5.電位計 6.推桿電機

變速機構改造裝置結構示意圖如圖3所示。作業(yè)控制器采用SPC-STW-2612CMS型運動控制器，具有3路支持SAE J1939協(xié)議的CAN總線，4路12位A/D(模擬量/數字量)輸入，2路H橋驅動電路，滿足本文變速機構和插植機構改造裝置的設計需求；具有IP67的防護等級，適用于農田作業(yè)環(huán)境。變速機構改造裝置采用電控手柄(臺潤TRC8帶開關型電位器操作桿)取代插秧機的操作桿實現無級變速，電控手柄輸出0～5V信號經作業(yè)控制器的AD采樣標定后對應前進、中立和后退擋位；采用帶電位計的推桿電機(力姆泰克LIM3-S2-100型)作為執(zhí)行機構，安裝于插秧機機罩內，驅動變速手柄轉動軸。推桿電機采用控制器的1路H橋驅動，其控制信號有兩種，一是由控制器上的CAN總線接收上位系統(tǒng)(導航控制器等)控制命令，二是接收電控手柄的控制命令，分別實現插秧機速度的自動控制和手動控制。兩種信號由TRC8型電控手柄頂部的開關進行切換。開關接通，速度控制為手動模式，優(yōu)先級最高；開關斷開，速度控制為自動模式。

經上述改造后，插秧機具備了基于CAN總線的電控接口。為了便于與其他系統(tǒng)的對接，基于SAE J1939協(xié)議的標準幀格式設計CAN自定義數據幀格式如表1、2所示(表中Byte2為0x01表示手動，為0x00表示自動；CRC8為8位CRC校驗碼)。變速機構將自身狀態(tài)量，包括手動自動狀態(tài)、推桿電機位置以及電位器操縱桿所處位置通過CAN總線發(fā)送給上位系統(tǒng)，同時接收上位系統(tǒng)發(fā)出的控制命令。

1.3 插植機構電控設計

國內插秧機插植機構電控改造研究除手動/自動切換不便外，還缺少對插秧機具升降高度的閉環(huán)控制[11,13]。采用具有CAN通信接口的手自一體改造方案可實現插植機構閉環(huán)自動控制。插植機構改造裝置結構示意圖如圖4所示，采用TRC5型電控手柄(臺潤TRC5帶開關型開關量操縱桿)替換原有的操作桿，TRC5型電控手柄共有4路開關量，分別代表上升、中立、下降和插秧4個擋位；采用推桿電機的電位計對TRC5型電控手柄的4個擋位進行標定，獲得上升、中立、下降和插秧擋位對應的AD值；自動控制時，推桿電機的電位計輸出作為插秧機具高度的反饋信息，形成閉環(huán)控制。為確認插植機構是否執(zhí)行到位，采用安裝于插秧機三點懸掛旋轉軸處的BEI DUNCAN9360型角度傳感器(BEI傳感器)，檢測插秧機具的實際位置。插植機構的手動操作、自動操作及切換方式與變速機構相同。

圖4 插植機構改造裝置結構示意圖Fig.4 Schematic of operating mechanism1.BEI DUNCAN9360型角度傳感器 2.作業(yè)控制器 3.擋位面板 4.TRC5型電控手柄 5.開關 6.電位計 7.推桿電機

插植機構CAN總線自定義數據幀格式如表3、4所示(表中，Byte2為0x01表示手動，為0x00表示自動；TRC5開關量：0x08為上升，0x04為中立，0x02為下降，0x01為插秧，其他值無效；CRC16表示16位CRC校驗碼)。插植機構的手動/自動狀態(tài)、插秧機具位置(BEI傳感器輸出AD值)以及機具插植擋位信息(即TRC5的值)通過CAN總線發(fā)送至上位系統(tǒng)，用于上位系統(tǒng)確認插植機構操作是否到位。插植機構接收上位機發(fā)出的指令，執(zhí)行自動或手動控制。

2 自動作業(yè)控制軟件設計

根據水稻插秧機作業(yè)過程中速度變化特性和插植機構控制要求設計了相應的控制算法和聯(lián)合控制策略。

表3 插植機構CAN總線發(fā)送指令格式Tab.3 Format of sending command

表4 插植機構CAN總線接收指令格式Tab.4 Format of receiving command

2.1 速度控制算法設計

張碩等[15]和張雁等[16]的研究表明，速度變化會導致農機自動導航控制精度的變化。插秧機的行駛速度受發(fā)動機功率、田間行駛阻力和粘附力、泥底層地形等因素的影響，是一個時變非線性過程，沒有精確的數學模型[17-18]。為實現插秧機速度的穩(wěn)定控制，設計了專家PID控制算法。專家PID控制算法無需知道被控對象的精確模型，利用專家知識或者操作人員的實際經驗，對時變非線性及滯后系統(tǒng)有較優(yōu)的控制效果[19-21]。插秧機速度控制系統(tǒng)原理如圖5所示，圖中，v(k)為導航控制器給出的目標速度，Δv(k)為速度偏差，Δy(k)為電動推桿伸縮量偏差，y(k)為電動推桿伸縮量，vc(k)為GNSS實測插秧機速度，其中目標速度為導航控制器下發(fā)，GNSS測速環(huán)為導航控制器接收GNSS信號獲得的插秧機速度實測值。

圖5 插秧機速度控制原理圖Fig.5 Schematic of rice transplanter speed control

直接專家PID控制器直接對被控對象進行控制，實時在線運行。專家PID控制器設計的核心是控制規(guī)則集，根據插秧機速度控制誤差及其變化規(guī)律設計控制規(guī)則。

令ev(k)、ev(k-1)和ev(k-2)分別表示k、k-1和k-2時刻的插秧機速度誤差；Δev(k)=ev(k)-ev(k-1)表示k時刻的誤差變化量，Δev(k-1)=ev(k-1)-ev(k-2)表示k-1時刻的誤差變化量；Mmax、Mmid和Mmin分別表示速度偏差最大值、較大值和極小值；ymax和ymin分別表示電動推桿伸長最大值和縮短最小值，evm(k)為誤差ev的第k個極值，k1為增益放大系數，k1>1；k2為抑制系數，kp、ki、kd為PID控制系數。

控制規(guī)則如下：

(1)|ev(k)|>Mmax，表明絕對偏差值很大，此時以最大(最小)控制量輸出，迅速調整誤差，對出現極限情況下，控制器快速響應?？刂埔?guī)則為

(1)

(2)|ev(k)|0或Δev(k)=0，表明系統(tǒng)在控制偏差范圍內運行，但是速度誤差在朝著絕對值增大的方向變化或者為某一固定的誤差值。此時，若|ev(k)|>Mmid，表明插秧機速度誤差較大，需采用強作用控制方法，快速減小絕對值誤差，控制規(guī)則為

y(k)=y(k-1)+k1[kp(ev(k)-ev(k-1))+
kiev(k)+kd(ev(k)-2ev(k-1)+ev(k-2))]

(2)

若|ev(k)|

y(k)=y(k-1)+kp(ev(k)-ev(k-1))+
kiev(k)+kd(ev(k)-2ev(k-1)+ev(k-2))

(3)

(3)ev(k)Δev(k)<0且Δev(k)Δev(k-1)>0或者ev(k)=0，表明插秧機速度偏差的絕對值向減小的方向變化，或者已經達到平衡狀態(tài)，此時保持控制器輸出不變

y(k)=y(k-1)

(4)

(4)ev(k)Δev(k)<0且Δev(k)Δev(k-1)<0，表明插秧機速度偏差處于極限狀態(tài)。若|ev(k)|>Mmid，即速度偏差的絕對值較大，采用較強控制，增大kp，控制規(guī)則為

y(k)=y(k-1)+k1kpevm(k)

(5)

若|ev(k)|

y(k)=y(k-1)+k2kpevm(k)

(6)

(5)|ev(k)|

y(k)=y(k-1)+kp(ev(k)-ev(k-1))+kiev(k)

(7)

根據田間測試結果，令專家PID控制器的初始化參數為：速度偏差最大值Mmax=0.2 m/s，速度偏差較大值Mmid=0.1 m/s，速度偏差最小值Mmin=0.01 m/s；電動推桿最長ymax=0.08 m，電動推桿最短ymin=0.01 m；k1=2，k2=0.5，kp=2，ki=0.1，kd=0.3。

2.2 插植機構控制算法設計

插秧機插植機構操作在上升、中立、下降和插秧4個擋位之間切換。實際擋位操作時存在一定范圍的死區(qū)，且一般不出現超調和振蕩。根據插植機構的操控特性，采用帶死區(qū)的增量式PID控制算法實現插植機構的控制。

y(k)=y(k-1)+kp(e(k)-e(k-1))+kie(k)+
kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

(8)

式中e(k)——k時刻誤差

e(k-1)——k-1時刻誤差

e(k-2)——k-2時刻誤差

y(k-1)——k-1時刻輸出

控制算法實現時，對目標擋位的位置與對應的電動推桿的伸長量(電位計AD值)進行了標定，并設置了±50個AD值作為控制死區(qū)?？刂圃砣鐖D6所示。

圖6 插植機構控制原理圖Fig.6 Schematic of rice transplanter operating mechanism

2.3 聯(lián)合控制策略

水稻插秧機的田間操作有一定的規(guī)范，依照人工駕駛操作經驗，設計插秧機速度和插植操作聯(lián)合控制邏輯，如表5所示。

表5 聯(lián)合作業(yè)控制邏輯Tab.5 Combined operation control strategy

如表5所示，插植操作和速度控制頻繁，操控效果將直接影響插秧作業(yè)質量。根據插秧機田間作業(yè)要求，插秧機具需接觸泥面后才開始插秧動作，保證秧苗入泥，且插秧機具接觸泥面時需“軟著陸”，猛烈撞擊泥面會導致分秧爪、仿形浮板等倒灌泥漿，影響插秧作業(yè)質量；插秧機的機具提升受油門和田間泥漿的粘附力等因素影響，插植機構提升插秧部件至一定高度所需時間不確定，且提升動作結束后擋位必須回中立，否則會導致液壓系統(tǒng)過熱，造成故障。此外，插秧作業(yè)速度不連續(xù)，轉向時速度過大等操作會影響路徑跟蹤的精度。因此，插秧機速度和插植操作的控制需按照插秧作業(yè)要求和作業(yè)時插秧部件升降執(zhí)行情況聯(lián)合調整。圖7所示為插秧聯(lián)合作業(yè)控制流程。

圖7 插秧機聯(lián)合作業(yè)流程Fig.7 Flow chart of rice transplanter operating mechanism

插秧機作業(yè)開始時，插植機構下降，確認機具下降至泥面后(采用BEI傳感器反饋機具實際位置)，開始以vL速度插秧，作業(yè)穩(wěn)定后(自動導航作業(yè)時，絕對誤差小于0.05 m)加速到vH；距離終點前S2時(導航作業(yè)時，根據實時定位數據和規(guī)劃路徑判斷)，減速到vL，以vL速度行駛到終點，同時提升插秧部件，停止插秧作業(yè)，直至插秧部件上升完成，然后操作擋位至中立，切斷液壓提升器的操作；插秧機以vL速度完成調頭轉向，在倒車點停車，速度擋為空擋；然后以vNL速度開始倒車S3距離，倒車前確認插植部件處于上升位，否則執(zhí)行上升操作；到達倒車結束點后停車，開始第2行作業(yè)，如此循環(huán)往復。

3 試驗

為驗證插秧機自動作業(yè)系統(tǒng)的準確性、可靠性和聯(lián)合控制的效果，在華南農業(yè)大學增城試驗基地采用自動導航駕駛方式分別在水泥路面和水田中進行了試驗，以考察速度控制和插植機構操作的控制精度和穩(wěn)定性以及聯(lián)合控制的性能。

3.1 試驗設計

在井關PZ-60型插秧機平臺上集成自動作業(yè)系統(tǒng)和自動導航控制系統(tǒng)，如圖8所示。其中，自動導航控制系統(tǒng)為試驗提供作業(yè)路徑和作業(yè)速度反饋。

圖8 插秧機試驗平臺Fig.8 Rice transplanter test platform1.GNSS主天線 2.TRC5型插植電控手柄 3.作業(yè)控制器 4.插植推桿電機 5.變速推桿電機 6.導航控制器 7.TRC8型變速電控手柄 8.GNSS副天線

根據插秧機作業(yè)的特點，試驗研究分兩部分：①考慮到插秧機作業(yè)時速度受環(huán)境干擾大，為考察速度控制的準確性和穩(wěn)定性，在平坦的水泥路、泥底層平坦(泥腳深約20 cm)的水田和泥底層不平(泥腳深約40 cm)的水田環(huán)境中以0.6 m/s的速度進行插秧機速度控制的精確性試驗。②為考察插秧機插植機構控制的準確性、自動作業(yè)系統(tǒng)的整體性能以

及速度和插植機構聯(lián)合控制性能，在泥底層平坦的水田環(huán)境進行試驗以驗證插秧機自動作業(yè)系統(tǒng)聯(lián)合控制效果。

3.2 試驗與結果分析

3.2.1速度控制測試

根據試驗設計，分別在華南農業(yè)大學增城試驗基地內平坦水泥路、泥底層平坦的水田和泥底層不平的水田環(huán)境中以0.6 m/s的速度進行3次重復試驗，試驗時導航控制系統(tǒng)引導插秧機沿預設AB直線路徑自動行走長約35 m的距離，獲得試驗結果如圖9和表6所示。

由表6可得，在不同工況下，隨著作業(yè)環(huán)境的惡化，插秧機速度控制精度呈下降趨勢。分析圖9可得，在3種試驗環(huán)境下，速度平均誤差分別為3.25%、5.40%和8.01%，速度最大波動分別為16.0%、15.8%和39.2%，速度平均誤差不超過10%的概率分別為98.6%、90.1%和68.0%。速度試驗結果表明，采用GNSS測量的速度作為反饋，對插秧機的作業(yè)速度進行自動控制，在泥底層平坦的水田中，控制穩(wěn)定性較好，與在平坦的水泥路面控制效果相近；在泥底層不平且泥腳深的水田作業(yè)，速度控制穩(wěn)定性下降，但速度平均絕對誤差不超過0.05 m/s，平均誤差超過10%的概率為32%，滿足插秧機自動作業(yè)速度控制精度和穩(wěn)定性的要求。

圖9 速度試驗結果Fig.9 Results of speed test

工況平均絕對誤差最大誤差水泥路面 0.01950.0967泥底層平坦水田0.03240.0947泥底層不平水田0.04810.2353

3.2.2聯(lián)合控制測試

插秧機速度和插植操控聯(lián)合控制的作業(yè)流程如圖7所示，vL=0.5 m/s，vH=0.6 m/s，vNL=-0.3 m/s，S2=S3=3 m，試驗設計作業(yè)兩行。試驗現場圖及試驗結果見圖10、11。

圖10 插秧機聯(lián)合作業(yè)試驗Fig.10 Combined operation test of rice transplanter

圖11 聯(lián)合作業(yè)試驗結果Fig.11 Result of combined operation test

如圖11所示，A和B表示作業(yè)的起點和終點。插植操作以開關量輸出表示，縱坐標1、2、3、4分別表示插植機構上升、中立、下降和插秧4個操作；a～h表示插秧機作業(yè)狀態(tài)改變的時刻。在a時刻，插秧機起步，以0.3 m/s左右的速度行走，機具執(zhí)行插秧操作，穩(wěn)定后速度升至0.6 m/s；b時刻，插秧機開始減速，插秧狀態(tài)不變，以0.5 m/s左右的速度行駛至B點；c時刻，插秧機具上升，由于插秧機分配動力用于提升作業(yè)，作業(yè)速度受到干擾，c時刻后速度有約5%的下降；d時刻，上升結束，插植擋回中立位，插秧機速度增加約5%；c時刻和d時刻插植機構的操作對插秧機速度有影響，但專家PID算法能迅速工作，控制速度在小范圍波動，最大誤差為0.09 m/s；e時刻，插秧機減速至零后，迅速過渡到f時刻，以-0.3 m/s的速度倒車至第2行起點；g時刻，插秧機速度基本為零，插植機構操作機具下降，變速機構操作插秧機前進；h時刻執(zhí)行插秧操作，此時插秧機已加速至0.6 m/s開始插秧作業(yè)；g時刻和h時刻的操作，先下降機具，再掛擋加油門啟動插秧機的同時插秧操作開始，作業(yè)操控動作與人工操作一致。試驗結果表明，插秧機速度和插植聯(lián)合控制效果良好。

4 結論

(1)以井關PZ-60型水稻插秧機為試驗平臺，根據插秧機機械式變速和插植機構的特性，設計了具有 CAN通信接口的手自一體的改造方案；采用電子手柄、推桿電機和作業(yè)控制器等作為變速機構和插植機構的硬件，構建了插秧機自動作業(yè)控制系統(tǒng)，并設計了基于SAE J1939協(xié)議的自定義數據幀CAN通信接口，實現了作業(yè)系統(tǒng)的自動控制。

(2)根據水稻插秧機作業(yè)的特點，設計了自動作業(yè)控制算法：由于作業(yè)過程中速度波動受作業(yè)工況的影響較大，基于專家控制思想設計了專家PID控制算法，細化了速度波動過程中的控制規(guī)則；設計了帶死區(qū)PID控制算法，實現插植機構的閉環(huán)位置控制；由于變速和插植作業(yè)需相互配合才能滿足插秧機作業(yè)要求，故設計了聯(lián)合控制策略。

(3)分別進行了水泥路面、泥底層平坦的水田和泥底層不平且泥腳較深的水田速度控制試驗以及泥底層平坦的水田聯(lián)合控制試驗。速度控制試驗表明，3種工作環(huán)境下，速度平均誤差分別為3.25%、5.40%和8.01%，速度平均誤差不超過10%的概率分別為98.6%、90.1%和68.0%；聯(lián)合控制試驗表明，插秧機作業(yè)狀態(tài)改變時，速度控制和插植控制配合合理，作業(yè)操控動作與人工操作相當，聯(lián)合控制效果良好；試驗結果表明，插秧機自動作業(yè)系統(tǒng)滿足插秧機在無人駕駛時自動作業(yè)的需求。