張 盟，胡 煉，可欣榮，唐靈茂，蒙世博，杜 攀，周 浩，賀 靜

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

水稻是我國重要的糧食作物之一[1]，稻谷總產(chǎn)量約占谷物總產(chǎn)量的36%。病蟲草害是影響水稻穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的重要因素，由于化學(xué)農(nóng)藥具有高效、快速等特點(diǎn)，迄今為止，化學(xué)藥物防治仍是病蟲草害的最主要和最有效的防治手段[2-4]。近年來，水稻噴霧機(jī)械從傳統(tǒng)的背負(fù)式噴霧機(jī)快速發(fā)展到水田自走式噴霧機(jī)及航空植保機(jī)械，噴施作業(yè)效率及效果顯著[5]。由于水田的硬底層高低不一，噴霧作業(yè)時(shí)噴霧機(jī)與噴桿容易產(chǎn)生傾斜，導(dǎo)致噴桿難以保持水平狀態(tài)，影響噴霧分布均勻性[6-7]。Speelman等[8]研究了噴桿在水平與垂直方向上的振動(dòng)對噴霧量分布均勻性的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)頻率對噴霧量分布均勻性有顯著影響；Ooms等[9]通過田間試驗(yàn)研究表明，噴桿的水平運(yùn)動(dòng)是影響噴霧量橫向分布均勻性的主要因素；Sin.fort等[10]采用紅外發(fā)射器檢測噴桿的姿態(tài)；Pochi等[11-12]設(shè)計(jì)了一套電位器式噴桿姿態(tài)檢測系統(tǒng)；Ooms等[13]采用多傳感器的組合實(shí)現(xiàn)噴桿姿態(tài)檢測；王佳文等[14]利用彈簧和阻尼器完成噴桿機(jī)械調(diào)平工作；魏新華等[15]設(shè)計(jì)了一套基于超聲波傳感器的噴桿式噴霧機(jī)噴桿高度及平衡自動(dòng)控制系統(tǒng)，旱田試驗(yàn)結(jié)果表明，在地面有起伏時(shí)，噴桿能夠快速恢復(fù)平衡。由于在水稻田中水面、泥面和冠層可認(rèn)為近似水平，因此噴桿水平姿態(tài)控制可僅依靠噴霧機(jī)姿態(tài)角變化來決策。為實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)平控制，本文設(shè)計(jì)了噴霧機(jī)車身傾角傳感器和噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，開展了測試試驗(yàn)研究，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 噴桿自動(dòng)調(diào)平機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水田自走式噴霧機(jī)噴桿調(diào)平機(jī)械，包括高程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)和噴桿3個(gè)部分，如圖1所示。高程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括平行四桿機(jī)構(gòu)和電動(dòng)推桿A，調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿A的伸長量即可調(diào)節(jié)噴桿高程；噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)通過平行四桿機(jī)構(gòu)與噴霧機(jī)連接，噴桿調(diào)平機(jī)構(gòu)包括噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)架、電機(jī)安裝板、電動(dòng)推桿B、位移傳感器安裝架及噴桿支架等；噴桿左右兩側(cè)的電動(dòng)推桿用于控制噴桿的折疊；電動(dòng)推桿B采用傾斜安裝的方式，當(dāng)電動(dòng)推桿B伸出其行程的1/2時(shí)，噴桿平行于噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)架。調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿B驅(qū)動(dòng)噴桿繞轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)噴桿與噴霧機(jī)車身之間的相對角度，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與噴霧機(jī)之間的連接為剛性連接，拉線式位移傳感器用于檢測電動(dòng)推桿B的伸長量。

1.噴桿 2.電動(dòng)推桿L 3.平行四桿 4.噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)架 5.電動(dòng)推桿B

2 噴霧機(jī)車身傾角傳感器設(shè)計(jì)

2.1 測量原理

車身傾角傳感器主要由MEMS慣性傳感器[16-17]組成，包括陀螺儀(X軸、Z軸)和加速度計(jì)，如圖2所示。

圖2 車身傾角傳感器安裝位置簡化圖

其功能分別為：陀螺儀1實(shí)時(shí)測量噴霧機(jī)橫滾軸的角速度；陀螺儀2實(shí)時(shí)測量噴霧機(jī)航向軸的角速度；加速度計(jì)實(shí)時(shí)測量噴霧機(jī)車身坐標(biāo)軸上的加速度。在安裝車身傾角傳感器時(shí)，噴霧機(jī)車身坐標(biāo)OXYZ與加速度計(jì)的坐標(biāo)Oaxayaz重合，陀螺儀1和陀螺儀2的安裝軸分別與噴霧機(jī)車身坐標(biāo)OXYZ坐標(biāo)的X軸、Z軸重合。

2.2 電路總體方案設(shè)計(jì)

車身傾角傳感器的硬件主要包括三大部分，分別是數(shù)據(jù)采集部分、運(yùn)算處理部分和數(shù)據(jù)通訊部分。運(yùn)算部分處理器采用TI生產(chǎn)的C2000系列32位DSP處理器TMS320F28069，時(shí)鐘頻率90MHz，可進(jìn)行32位帶浮點(diǎn)運(yùn)算，外設(shè)資源豐富，具有SPI、I2C、ADC、RS232和CAN等數(shù)據(jù)采集和通訊功能，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足使用要求。數(shù)據(jù)采集部分主要用于采集陀螺儀、加速度計(jì)和拉線傳感器數(shù)據(jù)。其中，X軸和Z軸陀螺儀分別選用美國ADI公司生產(chǎn)的ADXRS453和ADXRS810型陀螺儀(角速度傳感器)；加速度計(jì)選用美國ADI公司生產(chǎn)的ADXL355型慣性測量模塊，可進(jìn)行3軸MEMS加速度測量，單位可選，包括±2、±4、±8g；拉線傳感器選用選用臺(tái)州市椒江西域電子生產(chǎn)的型號(hào)為WXY15M-400-R型拉線式位移傳感器，測量行程400mm，分辨率理論無線小，拉線速度最大為600mm/s。處理器TMS320F28069通過SPI接口采集ADXRS453、ADXL355、ADXRS810數(shù)據(jù)后，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波處理卡爾曼濾波算法運(yùn)算，計(jì)算得到噴霧機(jī)車身傾斜角度；拉線式位移傳感器經(jīng)由處理器內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換器采集并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，最后與傾角信號(hào)由CAN總線方式傳送至控制器。車身傾角傳感器框圖如圖3所示。

圖3 車身傾角傳感器總體設(shè)計(jì)圖

2.3 卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)

卡爾曼濾波簡稱KF(Kalman Filtering)，是一種遞推的線性最小方差估計(jì)濾波方法[18]。它是利用前一個(gè)時(shí)刻的估計(jì)值，加上實(shí)時(shí)觀測的量測值來進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，適用于平穩(wěn)過程和非平穩(wěn)過程。

噴霧機(jī)行駛過程中，卡爾曼濾波融合加速度計(jì)和陀螺儀的方法過程為

(1)

(2)

(3)

(4)

ZK=sin-1(ag,y,k/g)+wa,k

(5)

(6)

2.4 軟件設(shè)計(jì)

車身傾角傳感器軟件設(shè)計(jì)主要在CCS6.1.1(Code Composer Studio)集成編譯軟件中完成。其主要功能為：設(shè)備初始化、傳感器數(shù)據(jù)的采集與處理，以及卡爾曼濾波運(yùn)算和通信等。設(shè)備初始化包括處理器外圍設(shè)備引腳設(shè)置和I/O口設(shè)置的初始化，主要包括時(shí)鐘定時(shí)器模塊初始化、SCI模塊初始化、ADC模塊初始化、eCAN模塊初始化及SPI模塊初始化。

車身傾角傳感器的運(yùn)行流程如圖4所示。當(dāng)處理器完成初始化之后，程序自動(dòng)對MEMS傳感器進(jìn)行檢測，傳感器檢測正常則開啟時(shí)鐘中斷，反之結(jié)束。定時(shí)器中斷服務(wù)中，依次進(jìn)行MEMS傳感器數(shù)據(jù)采集、初步處理、卡爾曼濾波算法運(yùn)算和數(shù)據(jù)發(fā)送。

3 噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)

3.1 噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)如圖5所示。采用三軸加速度和兩個(gè)陀螺儀數(shù)據(jù)，通過卡爾曼濾波算法得到噴霧機(jī)車身實(shí)時(shí)橫向傾角，利用拉線式位移傳感器實(shí)時(shí)測量調(diào)平電動(dòng)推桿的伸長量，通過計(jì)算獲得噴桿相對于噴霧機(jī)車身的角度，經(jīng)由控制器運(yùn)算并輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)噴桿的自動(dòng)調(diào)平控制。

圖4 傾角傳感器系統(tǒng)流程圖

圖5 噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖

噴桿與噴霧機(jī)相對運(yùn)動(dòng)可簡化如圖6所示。其中，噴桿與轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接點(diǎn)的位置與噴桿的坐標(biāo)中心Oh重合，噴霧機(jī)的前進(jìn)方向與XtOtYtZt坐標(biāo)系Xt正方向平行。噴桿相對于噴霧機(jī)的傾斜角θ與電動(dòng)推桿的伸長量α的關(guān)系為

(7)

其中，α和β分別為噴桿鉸接處的兩個(gè)固定角度(°)；Lb和Lc分別為電動(dòng)推桿兩端與噴桿轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸接點(diǎn)之間的距離(mm)；La為電動(dòng)推桿伸縮至最短時(shí)的長度(mm)；a為電動(dòng)推桿的伸長量(mm)。

噴桿調(diào)平控制采用增量式PID控制算法[19-20]，當(dāng)前時(shí)刻應(yīng)控制的噴桿目標(biāo)角度和噴桿相對噴霧機(jī)車身傾角調(diào)節(jié)量分別為控制量和增量。

圖6 噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖

圖6中，Oh為噴桿坐標(biāo)中心且是噴桿與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)；Ot為噴霧機(jī)車身坐標(biāo)中心；yt為噴霧機(jī)車身坐標(biāo)系y軸；zt為噴霧機(jī)車身坐標(biāo)系z軸；ca為電動(dòng)推桿頂端與噴霧機(jī)車身的鉸接點(diǎn)；cb為電動(dòng)推桿底端與噴桿的鉸接點(diǎn)；cc為cb在噴桿上的投影點(diǎn)；θ為噴桿相對于噴霧機(jī)車身的傾斜角度，(°)；α為夾角cbOhcc，(°)；β為夾角caOhOt(°)；La為電動(dòng)推桿的最短長度(mm)；a為電動(dòng)推桿的位移伸長量(mm)；Lb為caOh的長度(mm)；Lc為cbOh的長度(mm)。

3.2 噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)程序流程

田間作業(yè)過程中，車身傾角傳感器安裝在噴霧機(jī)車身上并實(shí)時(shí)檢測噴霧機(jī)的傾斜角度，拉線式位移傳感器安裝在電動(dòng)推桿上并實(shí)時(shí)測量電動(dòng)推桿的伸縮量，結(jié)合噴霧機(jī)與噴桿的幾何關(guān)系求得相對角度，實(shí)現(xiàn)噴桿自動(dòng)調(diào)節(jié)的自動(dòng)閉環(huán)控制。工作流程圖如圖7所示。

噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)子程序流程如下：

1)系統(tǒng)初始化；

2)測量噴霧機(jī)車身傾斜角度以及噴桿相對于車身的相對角度；

3)判斷是否對噴桿進(jìn)行水平控制；

4)當(dāng)需要對噴桿進(jìn)行水平控制時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)噴桿傾斜角度；反之，則返回重新測量角度信息。

圖7 噴桿自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)工作流程圖

4 試驗(yàn)與分析

水田高地隙寬幅噴霧機(jī)噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的理想狀態(tài)是：不論在任何田間狀況下，噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)都可以依據(jù)車身傾角傳感器、拉線式位移傳感器檢測噴桿與車身的相對位置，控制噴桿的水平姿態(tài)保持在一定的角度范圍內(nèi)。在實(shí)際田間噴霧作業(yè)過程中，噴霧機(jī)車身往往會(huì)有不同程度的傾斜，因此研究噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)在噴霧機(jī)車身傾斜時(shí)的調(diào)平效果和田間實(shí)際作業(yè)效果具有重要的參考意義。

4.1 噴桿自動(dòng)調(diào)平控制試驗(yàn)

4.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料包括噴霧機(jī)1臺(tái)、AHRS姿態(tài)參考系統(tǒng)、2臺(tái)叉車(諾力叉車，型號(hào)AC30)、計(jì)算機(jī)、車身傾角傳感器、秒表、控制器、串口調(diào)試助手軟件和MatLab R2014a軟件等。噴霧機(jī)選用東風(fēng)井關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的JKB18C水田自走式噴霧機(jī)，最小離地間隙為850mm，噴幅11.5m。AHRS姿態(tài)參考系統(tǒng)由荷蘭XSENS公司生產(chǎn)，型號(hào)為MTi-300-2A5G4，其配置了高性能三軸加速度計(jì)、三軸振動(dòng)抑制陀螺儀等高端硬件，橫滾角靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測量精度分別為0.2°和0.3°，廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、航空航天和自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域。

4.1.2 試驗(yàn)方法

調(diào)平系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)以井關(guān)JKB18C噴霧機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)、AHRS由噴霧機(jī)自帶12V直流蓄電池供電。其中，AHRS-1用于檢測噴桿姿態(tài)、車身傾角傳感器和AHRS-2用于檢測噴霧機(jī)車身姿態(tài)，測試系統(tǒng)安裝完畢后，同步配置AHRS和車身傾角傳感器以及串口調(diào)試助手。系統(tǒng)初始化配置完畢后，采用人工調(diào)節(jié)叉車高度，叉車調(diào)速度分快、中、慢3個(gè)擋位，分別同步記錄車身傾角傳感器、AHRS-1和AHRS-2輸出的原始數(shù)據(jù)，最后利用MatLab2014a軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。

4.1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為評(píng)價(jià)噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)對噴桿實(shí)時(shí)控制的性能，對AHRS-1的測量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如表1所示。分析表中數(shù)據(jù)可知：隨著車身傾角變化速率的增加，噴桿傾斜角度的平均絕對誤差、均方根誤差和最大誤差增大，平均絕對誤差最大為0.90°，均方根誤差最大為1.39°，最大誤差為1.70°；車身傾角變化速率對噴桿控制精度影響較大；叉車的位置分別在噴霧機(jī)前進(jìn)方向的右側(cè)和左側(cè)時(shí)，噴桿的控制精度相差不大。

表1 噴桿上MTi-300數(shù)據(jù)處理結(jié)果

速度擋位是指叉車的提升速度，R是指叉車位置在噴霧機(jī)前進(jìn)方向右側(cè)，L是指叉車位置在噴霧機(jī)前進(jìn)方向左側(cè)。

4.2 田間試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)材料

為完成本試驗(yàn)所需要的試驗(yàn)材料包括井關(guān)JKB18C水田自走式噴霧機(jī)、雙天線RTK-GNSS導(dǎo)航定位板卡、噴桿高程控制系統(tǒng)、噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)、差分基站、計(jì)算機(jī)、MatLab2014a和12V蓄電池、USB轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)線等。雙天線RTK-GNSS導(dǎo)航定位板卡產(chǎn)自上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，型號(hào)為K728 GNSS，橫滾角測量精度為 0.4°/R (R為雙天線基線長)，數(shù)據(jù)更新頻率設(shè)定為2Hz，該板卡支持雙天線輸入，可廣泛應(yīng)用于對高精度定位、定向或授時(shí)有要求的領(lǐng)域，包括智能汽車及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等。

4.2.2 試驗(yàn)方法

差分基站放置在田間(見圖8)，CHANNEL設(shè)定為1；將2臺(tái)三星六頻測量天線固定在噴桿上，其中一個(gè)位于噴桿中點(diǎn)位置，兩個(gè)測量天線之間的距離約為2m，差分天線固定在噴霧機(jī)車棚頂端。試驗(yàn)過程中，將噴霧機(jī)車速擋位設(shè)定為1-L、1-M、1-H，手油門居中放置，控制系統(tǒng)根據(jù)超聲波測距傳感器測量到的噴桿與水平面之間的距離調(diào)節(jié)噴桿高度，根據(jù)車身傾角傳感器測量數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)噴桿水平姿態(tài)，分別進(jìn)行噴桿姿態(tài)調(diào)節(jié)(包括高程和水平)與噴桿姿態(tài)不調(diào)節(jié)的對比試驗(yàn)。K728 GNSS車載定位定向板卡實(shí)時(shí)測量噴霧機(jī)噴桿的高程和水平姿態(tài)，并將數(shù)據(jù)通過USB轉(zhuǎn)串口線輸入至計(jì)算機(jī)，保存數(shù)據(jù)用于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

圖8 田間試驗(yàn)

4.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為評(píng)價(jià)噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的性能，采用K728 GNSS車載定位定向板卡實(shí)時(shí)測量噴桿的實(shí)際傾斜角度，數(shù)據(jù)處理后獲得噴桿傾角的平均誤差、均方根誤差和最大誤差，結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)表明：噴霧機(jī)行走速度對噴桿水平調(diào)節(jié)有影響，噴桿相對于水平面的平均絕對誤差最大為0.79°，均方根誤差最大為0.85°，最大誤差為1.70°，噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)可以對噴桿水平姿態(tài)進(jìn)行有效控制。

表2 噴桿水平數(shù)據(jù)處理結(jié)果

0表示控制器不對噴桿進(jìn)行水控制,1表示控制器對噴桿進(jìn)行水平控制。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng),包括基于MEMS慣性傳感器的噴霧機(jī)車身傾角傳感器和控制器，實(shí)現(xiàn)了對噴桿水平姿態(tài)的自動(dòng)控制。

2)基于水田自走式噴霧機(jī)設(shè)計(jì)了噴桿調(diào)平試驗(yàn)，使用AHRS分別測量噴霧機(jī)車身和噴桿傾角。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著車身傾角變化速率的增加，噴桿傾斜角度的平均絕對誤差、均方根誤差和最大誤差增大，平均絕對誤差最大為0.90°、均方根誤差最大為1.39°、最大誤差為1.70°，車身傾角變化速率對噴桿控制精度影響較大。

3)為考察噴桿自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的田間作業(yè)性能，采用K728 GNSS車載定位定向板卡測量噴桿水平傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：噴桿姿態(tài)變化幅度明顯減小，噴霧機(jī)行走速度對噴桿姿態(tài)調(diào)節(jié)精度有較大影響，噴桿相對于水平面的平均絕對誤差最大為0.79°，均方根誤差最大為0.85°，最大誤差為1.70°。