印 祥，劉崗微，楊騰祥，金誠(chéng)謙,

(1.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000；2. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

隨著自動(dòng)控制技術(shù)和導(dǎo)航定位技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)裝備的自動(dòng)化程度和智能化水平也在不斷提高。作為農(nóng)業(yè)裝備智能化的重要支撐技術(shù)，基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS, Global Navigation Satellite System)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航越來(lái)越多地應(yīng)用于拖拉機(jī)、自走式聯(lián)合收獲機(jī)及乘坐式高速插秧機(jī)等田間行走機(jī)械的作業(yè)過(guò)程中[1-4]。農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)主要由衛(wèi)星定位接收裝置、姿態(tài)測(cè)量裝置、自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置、導(dǎo)航控制器與操作界面、速度自動(dòng)控制裝置和CAN總線通信控制系統(tǒng)組成。其中，自動(dòng)轉(zhuǎn)向是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的基礎(chǔ)和前提。目前，針對(duì)輪式拖拉機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向，主要通過(guò)在原有液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上并聯(lián)電磁比例閥和電磁換向閥的方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向油缸的自動(dòng)控制[3,5]；而乘坐式高速插秧機(jī)大多采用整體式液壓助力轉(zhuǎn)向裝置，不能通過(guò)并聯(lián)油路的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向[6-8]。在采用步進(jìn)電機(jī)提供轉(zhuǎn)向力矩以帶動(dòng)方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，因步進(jìn)電機(jī)具有保持力矩，需要在步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)向軸之間安裝離合機(jī)構(gòu)以切斷步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)力，便于緊急情況下的人工操作。

本文針對(duì)高速插秧機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向的上述問(wèn)題，以無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力源研制了基于數(shù)字PID(比例-積分-微分)控制方法的高速插秧機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

筆者以市場(chǎng)上現(xiàn)有的乘坐式高速插秧機(jī)久保田SPV-6C為作業(yè)平臺(tái)，結(jié)合其底盤(pán)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，研制了如圖1所示的高速插秧機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括帶減速器的無(wú)刷電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)向控制器、轉(zhuǎn)角傳感器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及工控機(jī)等。轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)轉(zhuǎn)角傳感器的測(cè)量值和通過(guò)CAN總線接收到的轉(zhuǎn)向指令，實(shí)時(shí)計(jì)算無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度并將指令信號(hào)發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以控制無(wú)刷電機(jī)的動(dòng)作。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)力矩傳遞至插秧機(jī)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向管柱。轉(zhuǎn)角傳感器用以檢測(cè)前輪的轉(zhuǎn)向角度并將其反饋至轉(zhuǎn)向控制器。工控機(jī)通過(guò)CAN總線將轉(zhuǎn)向指令發(fā)送至轉(zhuǎn)向控制器。

圖1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Structure of automatic steering system

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

將高速插秧機(jī)置于旱地、水田中，采用扭力扳手測(cè)量并記錄旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)過(guò)程中的扭矩變化，其最大值為9.6 N·m?？紤]到水田作業(yè)過(guò)程中泥腳深、易陷車(chē)等因素會(huì)導(dǎo)致方向盤(pán)旋轉(zhuǎn)阻力增大，該文選用12V、200W的無(wú)刷減速電機(jī)，減速比為30，額定輸出扭矩和轉(zhuǎn)速分別為18N·m和100r/min。

如圖2所示：為便于機(jī)械部分的安裝，采用鏈條鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將無(wú)刷減速電機(jī)的輸出傳遞至插秧機(jī)轉(zhuǎn)向管柱，同時(shí)保留方向盤(pán)以滿(mǎn)足人工操作的需求。同時(shí)，無(wú)刷減速電機(jī)的輸出端安裝有摩擦式扭矩限制器以保證在緊急情況下操作人員能夠克服電機(jī)扭力轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)。

圖2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及其安裝Fig.2 Installation of steering mechanism

2.2 轉(zhuǎn)向角測(cè)量

該文選用旋轉(zhuǎn)式精密電位計(jì)作為轉(zhuǎn)角傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)向角度，其輸入軸通過(guò)同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與轉(zhuǎn)向軸聯(lián)接。通過(guò)測(cè)量高速插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及前輪轉(zhuǎn)向角與轉(zhuǎn)向軸的角度關(guān)系和旋轉(zhuǎn)范圍，選用了有效角度為360°、阻值5kΩ的旋轉(zhuǎn)電位計(jì)，并確定同步帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比為3∶1，以保證測(cè)量角度在電位計(jì)的測(cè)量范圍之內(nèi)。

2.3 轉(zhuǎn)向控制器設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向控制器是自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制核心，用以讀取轉(zhuǎn)向角傳感器的角度測(cè)量值，接收CAN總線上的轉(zhuǎn)向指令，并實(shí)時(shí)計(jì)算無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。根據(jù)上述系統(tǒng)功能要求，本研究以PIC18F458單片機(jī)為中央處理器、PCA82C250為CAN總線接口芯片、MAX232為串口芯片設(shè)計(jì)并制作了如圖3所示的轉(zhuǎn)向控制器硬件電路。

轉(zhuǎn)角傳感器輸出的角度測(cè)量值為模擬信號(hào)(0～5V)，由中央處理器內(nèi)部的10位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)(0～1024)。中央處理器通過(guò)PCA82C250接收轉(zhuǎn)向指令，并通過(guò)MAX232輸出相關(guān)運(yùn)算結(jié)果以便于調(diào)試與監(jiān)控程序的運(yùn)行過(guò)程。引腳C2和D0分別輸出PWM信號(hào)和高/低電平信號(hào)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。

圖3 轉(zhuǎn)向控制器Fig.3 Automatic steering controller

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)向控制算法

本研究采用PID控制算法實(shí)時(shí)計(jì)算無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，其控制原理如圖4所示。

圖4中，φd和φa分別為期望角度值和實(shí)際角度值，E(ti)為ti采樣時(shí)刻的角度誤差，則

E(ti) =φd-φa

(1)

文中，KP、KI和KD分別為比例運(yùn)算、積分運(yùn)算和微分運(yùn)算的調(diào)整系數(shù)，則SO為

SO=KP·E(ti) +KI·[E(ti)-2E(ti-1)+E(ti-2)+

KD·[E(ti)-E(ti-1)]

(2)

調(diào)整系數(shù)KP、KI和KD的值需要通過(guò)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)確定，以保證自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在快速響應(yīng)的同時(shí)具有較小的超調(diào)量。當(dāng)SO>0時(shí)，無(wú)刷電機(jī)朝某一方向旋轉(zhuǎn)，使誤差E(ti)減小至0；當(dāng)SO<0時(shí)，無(wú)刷電機(jī)相反方向旋轉(zhuǎn)，使誤差E(ti)減小至0；當(dāng)SO=0時(shí)，無(wú)刷電機(jī)停止。

圖4 PID轉(zhuǎn)向控制算法Fig.4 PIC control algorithm for automatic steering

3.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)轉(zhuǎn)向控制器硬件電路、轉(zhuǎn)向控制算法、轉(zhuǎn)向控制器的輸入輸出信號(hào)等要求，基于MPLAB IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)向控制器程序，其工作流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后，首先接收CAN總線上的轉(zhuǎn)向指令，然后讀取角度傳感器的數(shù)值，根據(jù)PID轉(zhuǎn)向控制算法計(jì)算SO的值，判斷SO值的大小后向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相應(yīng)的PWM信號(hào)和高低電平信號(hào)。

根據(jù)圖5所示的工作流程，本研究在基于C語(yǔ)言的PIC單片機(jī)編程環(huán)境下完成了程序編寫(xiě)，利用PICkit3編程器進(jìn)行了程序下載和在線仿真測(cè)試。

圖5 轉(zhuǎn)向控制器工作流程圖Fig.5 Flow chart of steering controller

4 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

如圖6所示：為了評(píng)價(jià)所研制的高速插秧機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作性能，將RTK-GNSS接收機(jī)安裝于高速插秧機(jī)的前橋上方，由工控機(jī)以10Hz的控制頻率給轉(zhuǎn)向控制器發(fā)送轉(zhuǎn)向角度指令，記錄不同前輪轉(zhuǎn)向角下的RTK-GNSS定位數(shù)據(jù)以描述其行駛軌跡。

圖6 轉(zhuǎn)向控制實(shí)驗(yàn)Fig.6 Experiments for automatic steering

本研究規(guī)定左轉(zhuǎn)時(shí)的前輪轉(zhuǎn)向角為正、右轉(zhuǎn)時(shí)的前輪轉(zhuǎn)向角為負(fù)。角度指令在[-5°,+5°]范圍時(shí)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，僅記錄其轉(zhuǎn)向誤差變化；角度指令在[-40°，-5°)和(+5°，+40°]范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)其行駛軌跡計(jì)算平均轉(zhuǎn)彎半徑，同時(shí)記錄轉(zhuǎn)向誤差變化。

表1為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所記錄的測(cè)量數(shù)據(jù)。圖7所示為角度指令分別為-8°、-15°、-25°時(shí)高速插秧機(jī)的行駛軌跡。圖7中灰色線條為RTK-GNSS記錄的實(shí)際行駛軌跡，黑色線條為理論行駛軌跡。

表1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向?qū)嶒?yàn)Table 1 Automatic steering experiments

續(xù)表1

(a) φd=8°，Ra=7.49m

(b) φd=15°，Ra=4.35m

(c) φd=25°，Ra=2.50m圖7 行駛軌跡Fig.7 Movement trajectories

由角度的最大誤差、均方根誤差和行駛軌跡可知：本文所研制的電動(dòng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在[-10°，10°]范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向控制誤差小于1°，具備良好的控制穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿(mǎn)足高速插秧機(jī)田間自動(dòng)導(dǎo)航的基本要求。

5 結(jié)論

1)研制了高速插秧機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠通過(guò)CAN總線接收轉(zhuǎn)向指令，使前輪轉(zhuǎn)動(dòng)至期望的角度值。

2)該系統(tǒng)采用直流無(wú)刷電機(jī)作為動(dòng)力源，經(jīng)減速增扭和鏈輪鏈條傳動(dòng)后帶動(dòng)高速插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)，機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝。

3)無(wú)刷電機(jī)的輸出端采用扭矩限制器，能夠保證緊急情況下的人工操作。

4)田間試驗(yàn)表明：該系統(tǒng)在[-10°,+10°]范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)向控制誤差小于1°，具備良好的控制穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿(mǎn)足高速插秧機(jī)田間自動(dòng)導(dǎo)航的基本要求。