陳黎卿 許 鳴 柏仁貴 楊 洋 張 鐵 楊學(xué)軍

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

高地隙植保機(jī)作為田間管理機(jī)械的一種，其作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，駕駛員操縱時(shí)受到視野和植株遮擋等影響，易出現(xiàn)傷苗現(xiàn)象。近年來，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)拖拉機(jī)、植保機(jī)械的自動(dòng)駕駛[1-5]、導(dǎo)航控制系統(tǒng)[6-10]、對(duì)靶噴霧[11-15]以及霧滴漂移特性[16-18]等開展研究,取得了一定的研究成果，為高地隙植保機(jī)的自動(dòng)駕駛發(fā)展打下了基礎(chǔ)。從現(xiàn)有研究成果分析得知，目前高地隙植保機(jī)的自動(dòng)駕駛主要集中于導(dǎo)航或圖像處理等技術(shù)在機(jī)械上的應(yīng)用，針對(duì)駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是使用電機(jī)控制的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，但在田間轉(zhuǎn)向等特殊工況下依然存在轉(zhuǎn)向延遲的問題，尚需進(jìn)一步研究。

本文以黃淮海地區(qū)玉米植保機(jī)為研究對(duì)象，通過在現(xiàn)有高地隙植保機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，開發(fā)一套基于液壓控制的輔助駕駛系統(tǒng)，使其作業(yè)時(shí)具有人工駕駛和輔助駕駛兩種模式。

1 傳統(tǒng)高地隙植保機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

高地隙植保機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由四輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、前后液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、柴油機(jī)、油泵、液壓無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)、分動(dòng)器等組成。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1 高地隙植保機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of high-gap plant protection machine1.轉(zhuǎn)向柱 2.方向盤 3.座椅 4.柴油機(jī) 5.油泵 6.分動(dòng)器 7.機(jī)架 8.后橋 9.后輪轉(zhuǎn)向油缸 10.液壓油箱 11.前橋 12.人字形輪胎 13.前輪轉(zhuǎn)向油缸

1.2 工作原理

該高地隙植保機(jī)為四輪驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力傳遞順序依次是柴油機(jī)、油泵、液壓無(wú)級(jí)變速器(HST)、分動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)橋。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用液壓轉(zhuǎn)向控制，液壓轉(zhuǎn)向的動(dòng)力由柴油機(jī)帶動(dòng)油泵提供；油泵上裝有液壓無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)拉桿改變HST中柱塞泵的變量盤傾斜角度控制其排量和方向，改變柱塞馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與方向，從而控制分動(dòng)器的轉(zhuǎn)速達(dá)到控制車速的目的；其中動(dòng)力、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

表1 高地隙植保機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structure parameters of high-gap plant protection machine

圖2 高地隙植保機(jī)動(dòng)力和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖Fig.2 Power and steering system schematic of high-gap plant protection machine

2 輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

高地隙植保機(jī)離地間隙較高，駕駛員難以觀察到行間行走時(shí)的苗帶情況，易出現(xiàn)壓苗、傷苗等現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)的輔助駕駛系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)行間自主行走。為了實(shí)現(xiàn)輔助駕駛功能，在原有高地隙植保機(jī)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)基礎(chǔ)上并聯(lián)一套輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)，原理如圖3所示。圖中P為系統(tǒng)壓力油輸入口、T為系統(tǒng)回油口、P1為全液壓轉(zhuǎn)向器壓力油輸入口、T1為全液壓轉(zhuǎn)向器回油口、P2為優(yōu)先閥的優(yōu)先口、LS為負(fù)載壓力反饋口。通過電磁閥開關(guān)實(shí)現(xiàn)人工駕駛和輔助駕駛自動(dòng)切換功能，該電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向閥組由博世力士樂生產(chǎn)，型號(hào)為TG171200，主要由液壓鎖、比例換向閥、卸載閥、邏輯閥、電磁閥、溢流閥、優(yōu)先閥等部件組成。其中液壓鎖的作用是確保植保機(jī)的原轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作時(shí)不受并聯(lián)的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向閥組影響；比例換向閥是通過輸入電信號(hào)而連續(xù)按比例對(duì)液壓油的流量、方向進(jìn)行控制；卸載閥的作用是控制油泵的卸荷和加載；電磁閥的作用是通過通斷電改變比例閥油路的通斷；溢流閥的作用是保護(hù)閥組油路；邏輯閥的作用是對(duì)比例換向閥的供油節(jié)流口進(jìn)行壓力補(bǔ)償，保證進(jìn)出口壓差基本保持不變，從而使比例換向閥的輸出流量只與閥芯開口大小有關(guān)，而不受負(fù)載壓力變化的影響；優(yōu)先閥是保證油路優(yōu)先從P2口進(jìn)入負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向器，當(dāng)全液壓轉(zhuǎn)向器處于中位時(shí)油路不通，在優(yōu)先閥的油壓達(dá)到某一值時(shí)推動(dòng)彈簧實(shí)現(xiàn)換向。系統(tǒng)在原有的液壓助力轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)上，并聯(lián)了該閥組模塊，壓力油從P口進(jìn)入，經(jīng)過優(yōu)先閥，并從P2口流出進(jìn)入全液壓轉(zhuǎn)向器的P1口，此時(shí)處于人工駕駛狀態(tài)；當(dāng)方向盤處于中位并給電磁閥通電時(shí)，則使輔助駕駛油路連通，液壓油在優(yōu)先閥作用下進(jìn)入比例換向閥，此時(shí)處于輔助駕駛狀態(tài)，當(dāng)人工轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)，全液壓轉(zhuǎn)向器閥芯離開中位，優(yōu)先閥油壓降低，優(yōu)先閥在彈簧的作用下實(shí)現(xiàn)換向，此時(shí)液壓油從P2口流向全液壓轉(zhuǎn)向器，人工駕駛直接啟動(dòng)，該功能可保證輔助駕駛系統(tǒng)的安全性。兩種駕駛模式通過按鍵操作，按鍵安裝在操作面板上，駕駛員可以根據(jù)行駛時(shí)的行間狀態(tài)進(jìn)行模式切換。輔助駕駛狀態(tài)時(shí)，液壓油在優(yōu)先閥的作用下經(jīng)比例換向閥到達(dá)轉(zhuǎn)向油缸，工作時(shí)利用NI板控制比例閥的電信號(hào)從而控制閥芯的移動(dòng)，達(dá)到對(duì)液壓油流量、方向的控制，使油缸產(chǎn)生位移，完成輔助駕駛工況下的自動(dòng)轉(zhuǎn)向工作。

圖3 輔助轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle diagram of auxiliary steering hydraulic system1.優(yōu)先閥 2.電磁閥 3.溢流閥 4.邏輯閥 5.卸載閥 6.比例換向閥 7.雙向液控單向閥 8.轉(zhuǎn)向油缸 9.負(fù)荷傳感型全液壓轉(zhuǎn)向器

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為了獲得行走中輪胎轉(zhuǎn)向角度和轉(zhuǎn)向液壓缸的映射關(guān)系，建立如圖4所示轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾何模型，其中A為油缸固定端，O為轉(zhuǎn)向柱的中心點(diǎn)，B為轉(zhuǎn)向節(jié)臂的移動(dòng)端，轉(zhuǎn)向節(jié)臂的轉(zhuǎn)角即為轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)角。當(dāng)車輛從直線方向向右轉(zhuǎn)向時(shí)活塞桿向右移動(dòng)，A、B之間的距離X增大。

圖4 轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角與油缸位移關(guān)系圖Fig.4 Relationship diagram between steering wheel angle and cylinder displacement

圖4中β為右側(cè)車輪轉(zhuǎn)角,(°)；L為油缸固定端到轉(zhuǎn)向柱中心點(diǎn)的距離，mm；n為轉(zhuǎn)向節(jié)臂長(zhǎng)度,mm。設(shè)XP為油缸位移,mm，車輪轉(zhuǎn)角β和轉(zhuǎn)向油缸位移XP的映射關(guān)系為

(1)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，確定L=440 mm，n=160 mm，X=470 mm，得到油缸位移XP與右輪轉(zhuǎn)角β之間的映射關(guān)系如圖5所示。

圖5 車輪轉(zhuǎn)角與油缸位移之間的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between wheel angel and cylinder displacement

由圖5可知，油缸位移與轉(zhuǎn)角近似呈線性關(guān)系，數(shù)據(jù)擬合確定兩者的比例系數(shù)K為6.758 rad/m，通過采集油缸位移和輪胎轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，驗(yàn)證比例系數(shù)K的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到比例系數(shù)K為6.743 rad/m，相對(duì)誤差0.22%。根據(jù)該特點(diǎn)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)處于往復(fù)擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式，采用鉸接式直線位移傳感器，型號(hào)為KPC-175mm，其基本參數(shù)為：有效行程175 mm，內(nèi)部電阻5 kΩ，滑刷正常工作電流不超過10 μA，線性精度±0.1%,輸出為0～100%給定輸入工作電壓。如圖6所示，位移傳感器與油缸采用鉸接式平行連接，轉(zhuǎn)向油缸的位移等量轉(zhuǎn)換到拉桿式位移傳感器上，通過采集電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向油缸的位移測(cè)量，并由比例系數(shù)K得到前輪轉(zhuǎn)角。

圖6 傳感器安裝位置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of sensor installation position1.轉(zhuǎn)向柱 2.轉(zhuǎn)向節(jié)臂 3.連接塊 4.轉(zhuǎn)向油缸推桿 5.位移傳感器 6.轉(zhuǎn)向油缸 7.驅(qū)動(dòng)橋

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7 輔助駕駛控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 Principle diagram of auxiliary driving control system

輔助駕駛系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖7所示，通過電子比例控制器控制直流電機(jī)推動(dòng)拉桿控制HST達(dá)到控制車速的目的，在高地隙底盤車輪位置安裝霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，獲取植保機(jī)行走速度，作為路徑跟蹤控制模塊的反饋輸入。北斗導(dǎo)航接收機(jī)獲取車輛位姿信號(hào)，并由路徑跟蹤控制算法得到轉(zhuǎn)角信號(hào)，比例換向閥控制車輪轉(zhuǎn)向。

根據(jù)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向閥組的特性將比例集成控制閥塊簡(jiǎn)化為通過控制比例換向閥閥芯的左右移動(dòng)實(shí)現(xiàn)液壓油方向和流量的精確控制。由文獻(xiàn)[19]得知電液比例閥控缸的特性，從而獲得液壓缸活塞位移對(duì)閥芯位移的傳遞函數(shù)為

(2)

式中XV——比例換向閥閥芯位移，m

Kq——滑閥流量增益

AP——主滑閥閥芯的有效作用面積，m2

wh——主滑閥液壓放大級(jí)的固有頻率

ζh——主滑閥液壓放大級(jí)的阻尼比

閥控缸系統(tǒng)為非線性傳遞，本文采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)閉環(huán)控制。

預(yù)瞄算法被廣泛地應(yīng)用在機(jī)器人的路徑跟蹤上[20]。該算法以車的后軸為切點(diǎn)，縱向車身為切線，通過控制前輪轉(zhuǎn)角δ，使車輛可以沿著一條經(jīng)過預(yù)瞄點(diǎn)的圓弧行駛。高地隙植保機(jī)在行間作業(yè)時(shí)以低速直線行駛為主，將高地隙植保機(jī)簡(jiǎn)化為兩輪轉(zhuǎn)向模型，如圖8所示。

圖8 追蹤模型直線跟蹤原理圖Fig.8 Line tracking schematic of pursuit model

圖8中，(Gx，Gy)為規(guī)劃路徑上的預(yù)瞄點(diǎn)；(Cx，Cy)為車輛當(dāng)前位置；Ld為預(yù)瞄距離，即后輪與預(yù)瞄點(diǎn)的距離；La為車身軸距；α為車與預(yù)瞄點(diǎn)的夾角。根據(jù)正弦定理可得到

(3)

(4)

(5)

式中R——圓弧曲率半徑

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向公式，前輪轉(zhuǎn)角δ為

(6)

由式(5)、(6)可得

(7)

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，可得到預(yù)瞄距離計(jì)算公式

Ld=Av2+Bv+C

(8)

式中v——車輛行駛速度

A、B、C——常數(shù)

式(8)中等式右邊第1項(xiàng)表示車輛制動(dòng)距離，A=1/(2amax)，其中amax為車輛最大制動(dòng)加速度，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量，該植保機(jī)最大制動(dòng)加速度為2 m/s2；第2項(xiàng)表示車輛遇到異常情況進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)的車輛反應(yīng)距離，令B為0.2；第3項(xiàng)表示車輛的最小轉(zhuǎn)彎半徑，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)量最小轉(zhuǎn)彎半徑為4.0 m。

在給定車體初始位置和航向角下，根據(jù)車輛橫向運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算車輛下一刻的車體位置和航向角等信息，模擬北斗導(dǎo)航反饋給車體的姿態(tài)信息，建立Matlab/Simulink仿真模型如圖9所示。

圖9 高地隙植保機(jī)仿真模型Fig.9 Simulation model of plant protection machine with highland clearance

仿真結(jié)果如圖10所示，黑線為規(guī)劃路徑，紅線代表車輛以2 m/s的速度行駛時(shí)的行駛軌跡；初始位置橫坐標(biāo)為8 m，縱坐標(biāo)為零，航向角θ設(shè)為0.8π、初始車輪轉(zhuǎn)角為零。圖11分別為前輪偏角控制量隨時(shí)間的變化曲線和車輛位置偏差曲線圖，仿真結(jié)果顯示在橫向偏差3 m的情況下，時(shí)間在2.9 s時(shí)，橫向偏差接近零，之后方向開始回正，7 s后橫向偏差保持為零，滿足高地隙植保機(jī)玉米田間作業(yè)要求。

圖10 路徑跟蹤曲線Fig.10 Tracking curve

圖11 仿真效果Fig.11 Simulation effect diagrams

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建

構(gòu)建高地隙植保機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，主要包括車身位姿信息采集、上位機(jī)控制系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)，如圖12所示。

系統(tǒng)的主要組成為：雙天線GNSS組合定位系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向閥組、路徑跟蹤控制模塊、鉸接式直線位移傳感器、NI PXI-1036型機(jī)箱、PXI6211型板卡、霍爾開關(guān)、轉(zhuǎn)速變送器、比例閥控制器、電子比例控制器；GNSS系統(tǒng)采用的是斗星通C201-AT-680型接收機(jī)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分(RTK)水平精度為(10+10-6D)mm，D表示移動(dòng)站與基準(zhǔn)站距離，km；電源輸入DC 10～32 V；霍爾開關(guān)基本參數(shù)：輸出方式是三線NPN常開，檢測(cè)距離4 mm，工作電壓DC 12 V，感應(yīng)方式為磁鐵；轉(zhuǎn)速變送器型號(hào)HY194-BS4N，基本參數(shù)：輸入0～60 r/min，輸出DC 0～5 V，齒數(shù)為5齒，精度0.5級(jí)，工作電壓DC 12 V；電子比例控制器型號(hào)BL1-L12，工作電壓DC 12 V，電流小于25 mA，功率80 W。首先利用雙天線GNSS接收機(jī)測(cè)得當(dāng)前車身的位姿(經(jīng)度、緯度、航向角等)，上位機(jī)采集當(dāng)前位姿信息，并將經(jīng)緯度坐標(biāo)經(jīng)過高斯投影轉(zhuǎn)換到空間直角坐標(biāo)系中，最后轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)。同時(shí)在上位機(jī)中搭建路徑跟蹤控制算法，將已規(guī)劃路徑進(jìn)行離散化，基于預(yù)瞄距離搜索預(yù)瞄點(diǎn)，利用預(yù)瞄算法獲得期望的前輪偏角。

圖12 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Test system structure diagram

3.2 輔助駕駛行走試驗(yàn)

為驗(yàn)證輔助駕駛系統(tǒng)行間行走性能，分別在水泥地和玉米田間兩種工況下進(jìn)行試驗(yàn)，玉米生長(zhǎng)處于三葉期階段，土質(zhì)較松軟，試驗(yàn)時(shí)以輔助駕駛模式進(jìn)行路徑跟蹤。考慮到植保機(jī)在田間工作時(shí)的速度范圍，試驗(yàn)車速設(shè)定為0.5 m/s，水泥路面試驗(yàn)在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程園進(jìn)行、玉米田間試驗(yàn)在安徽省肥東縣某家庭農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。水泥路面導(dǎo)航作業(yè)軌跡、橫向偏差、前輪偏角如圖13所示，玉米田間作業(yè)軌跡、橫向偏差、前輪偏角如圖14所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，在水泥路面上，導(dǎo)航的控制偏差均值為5.2 cm，橫向位置偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為3.4 cm。在玉米田間路面上，導(dǎo)航的控制偏差均值為6.8 cm，橫向位置偏差的標(biāo)準(zhǔn)差為4.8 cm，不同路面條件下導(dǎo)航控制偏差的標(biāo)準(zhǔn)差相近，表明輔助駕駛系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

圖13 水泥路面輔助駕駛試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Assisted driving test results with concrete pavement

圖14 玉米田間輔助駕駛試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Assisted driving test results with corn field

4 結(jié)論

(1)針對(duì)傳統(tǒng)高地隙植保機(jī)作物行間行走容易壓苗的問題，進(jìn)行了輔助駕駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)，給出了液壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案；同時(shí)基于預(yù)瞄算法進(jìn)行了高地隙植保機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

(2)基于NI設(shè)備和LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了高地隙植保機(jī)輔助駕駛系統(tǒng)田間試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能夠滿足既定路徑下的行駛，在水泥路面和玉米田間兩種不同的環(huán)境下，橫向位置偏差均值為5.2、6.8 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為3.4、4.8 cm；該輔助駕駛系統(tǒng)具有良好的行駛穩(wěn)定性和行間作業(yè)精度，能夠滿足作業(yè)需求。