張朝宇 董萬(wàn)靜 熊子慶 胡子謙 王登輝 丁幼春

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜是我國(guó)重要的油料作物，長(zhǎng)江中下游丘陵山區(qū)冬閑田面積廣闊，是油菜種植的潛在耕地資源之一[1]，丘陵山區(qū)由于土地規(guī)模小、分散且不規(guī)則等因素，導(dǎo)致常規(guī)播種裝備無(wú)法進(jìn)入，輕簡(jiǎn)油菜播種機(jī)成為該地區(qū)主要播種機(jī)具，但因人工播種存在重播漏播、駕駛工作強(qiáng)度大等問(wèn)題，難以保證播種作業(yè)質(zhì)量。自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)對(duì)提高作業(yè)質(zhì)量、提升智能化水平有著重要意義[2-4]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)由導(dǎo)航控制器和自動(dòng)作業(yè)控制策略兩部分組成，搭載自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)較少人干預(yù)情況下的田間作業(yè)[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者根據(jù)不同作業(yè)環(huán)節(jié)的機(jī)具對(duì)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)開展了相關(guān)研究[6-8]，包括播種插秧[9-11]、施肥[12]、收獲作業(yè)[13-15]等。劉兆朋等[5]針對(duì)高地隙噴霧機(jī)進(jìn)行了電液改裝并開發(fā)了一套自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)，在較少人為操作下可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制噴霧機(jī)完成直線跟蹤、地頭轉(zhuǎn)彎和噴霧作業(yè)。何杰等[16]針對(duì)水稻插秧機(jī)設(shè)計(jì)了專家PID速度控制算法和PID插值機(jī)構(gòu)控制算法，提出了插秧機(jī)自動(dòng)作業(yè)聯(lián)合控制策略，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。羅錫文等[17]設(shè)計(jì)了一套拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)啟停、速度控制、點(diǎn)火熄火等自動(dòng)控制。以上自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)研究多以大型農(nóng)機(jī)具為主，而針對(duì)小型履帶式機(jī)具的自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)研究較少。

導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)是自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[18]。在履帶式車輛導(dǎo)航控制器方面，丁幼春等[19]設(shè)計(jì)了一種小型履帶式油菜播種機(jī)導(dǎo)航免疫PID控制器。劉志杰等[20]提出一種基于虛擬雷達(dá)模型的導(dǎo)航路徑控制算法。賈全等[21]設(shè)計(jì)了一套NF-752型履帶拖拉機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)并提出一種航向預(yù)估模型控制器。熊斌等[22]基于純追蹤路徑跟蹤算法設(shè)計(jì)了一套履帶式果園噴藥機(jī)自動(dòng)作業(yè)控制系統(tǒng)。HIROK等[23]提出一種履帶式水稻收獲機(jī)自動(dòng)收獲框架，可在無(wú)人農(nóng)場(chǎng)完成水稻自動(dòng)收獲和倉(cāng)滿自動(dòng)卸糧，收獲機(jī)搭載GPS和視覺定位系統(tǒng)等傳感器實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航直線跟蹤誤差不大于0.04 m。當(dāng)前履帶式農(nóng)機(jī)針對(duì)導(dǎo)航控制器研究較多，但滿足導(dǎo)航精度高且可適應(yīng)速度變化的導(dǎo)航控制器研究成果較少。

本文以前期自主研制的履帶式油菜播種機(jī)為平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)小型輕簡(jiǎn)播種機(jī)具田間自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)，擬根據(jù)播種作業(yè)要求設(shè)計(jì)基于有限狀態(tài)機(jī)的自動(dòng)作業(yè)控制策略，建立該平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和幾何模型，設(shè)計(jì)一種模糊自適應(yīng)純追蹤控制器，并進(jìn)行對(duì)比仿真、水泥路面和田間試驗(yàn)，驗(yàn)證自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)可靠性和準(zhǔn)確性。

1 履帶式油菜播種機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)組成

1.1 履帶式油菜播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)

履帶式油菜播種機(jī)采用全電控液壓平臺(tái)，主要由履帶底盤、液壓馬達(dá)、動(dòng)力系統(tǒng)、懸掛裝置、油菜播種機(jī)等組成。整體結(jié)構(gòu)和自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)作業(yè)系統(tǒng)如圖1所示。其中履帶底盤型號(hào)為DP-HYLD-250(德州力維機(jī)械有限公司)，選用小型雙翹橡膠履帶，驅(qū)動(dòng)輪與液壓馬達(dá)直連，液壓馬達(dá)為BMT-250型擺線馬達(dá)(鎮(zhèn)江大力股份有限公司)；動(dòng)力系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓泵組成，液壓泵為軸向柱塞變量泵，發(fā)動(dòng)機(jī)選用力帆2V80F型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)(力帆汽油機(jī)有限公司)；懸掛裝置采用三點(diǎn)懸掛式設(shè)計(jì)，主要由機(jī)具提升液壓缸與提升臂構(gòu)成，鉸接在平臺(tái)后部；油菜播種機(jī)選用課題組研制的氣吹式油菜播種機(jī)[24]，幅寬為1.5 m，播種機(jī)工作時(shí)，供種裝置根據(jù)播量要求通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，定量排出連續(xù)均勻的種子流，通過(guò)分配器將種子流合理分配到6行導(dǎo)種管，順管而下至開溝覆土器內(nèi)。

1.2 自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

履帶式油菜播種機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)主要由傳感裝置、行走模塊、控制模塊和播種模塊組成。如圖2所示，傳感裝置由北斗高精度定位系統(tǒng)M600雙天線北斗RTK移動(dòng)站(上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司)和BH38-K08-S4096單圈絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器(無(wú)錫邦赫自動(dòng)化科技有限公司)組成；控制模塊采用主控制工控機(jī)和NI-USB-6002數(shù)據(jù)采集板卡的I/O口對(duì)傳感裝置信息進(jìn)行采集，并對(duì)行走模塊和播種模塊進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)采集板卡封裝在導(dǎo)航控制箱內(nèi)；行走模塊由閥控液壓馬達(dá)與電液比例閥(派克公司，美國(guó))組成，通過(guò)控制比例閥實(shí)現(xiàn)液壓馬達(dá)行走；播種模塊由風(fēng)機(jī)、種箱和供種裝置組成，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)播量調(diào)節(jié)，通過(guò)控制液壓推桿實(shí)現(xiàn)播種機(jī)升降。

2 自動(dòng)作業(yè)控制策略

2.1 導(dǎo)航路徑規(guī)劃

為實(shí)現(xiàn)在較少人為操作的情況下完成油菜播種機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)，不僅需要導(dǎo)航控制器精度高且適應(yīng)性強(qiáng)，還需要協(xié)調(diào)配合播種機(jī)控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種作業(yè)。

針對(duì)丘陵小地塊地形特點(diǎn)及油菜播種要求實(shí)現(xiàn)不重播不漏播，結(jié)合履帶式行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎特性，設(shè)計(jì)履帶式油菜播種機(jī)導(dǎo)航路徑，如圖3所示。A～S為行駛的路徑點(diǎn)，將規(guī)劃路徑分為播種作業(yè)路徑(圖3中紅線表示)和非播種作業(yè)路徑(圖3中藍(lán)色表示)，播種作業(yè)時(shí)播種機(jī)下降進(jìn)行播種作業(yè)，在非播種作業(yè)時(shí)播種機(jī)抬升停止作業(yè)，箭頭軌跡線代表播種行走方向，播種機(jī)從起點(diǎn)A出庫(kù)進(jìn)入田塊開始作業(yè)，點(diǎn)B～R為拐點(diǎn)處，播種機(jī)沿著設(shè)定直線路徑導(dǎo)航，到地頭轉(zhuǎn)彎點(diǎn)時(shí)進(jìn)行原地轉(zhuǎn)向，最后完成自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)回到終點(diǎn)S。

2.2 基于有限狀態(tài)機(jī)的油菜播種作業(yè)控制策略

有限狀態(tài)機(jī)(Finite state machine，F(xiàn)SM)指有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型[25]。采用有限狀態(tài)機(jī)將播種過(guò)程分解為不同狀態(tài)和轉(zhuǎn)移狀態(tài)觸發(fā)條件的數(shù)學(xué)模型，在不同的階段履帶式油菜播種機(jī)呈現(xiàn)不同狀態(tài)，因?yàn)镕SM是有限個(gè)數(shù)的，某時(shí)刻履帶式油菜播種機(jī)一定處于設(shè)計(jì)的FSM狀態(tài)之中的一個(gè)，下一個(gè)狀態(tài)由當(dāng)前所處狀態(tài)和觸發(fā)條件的函數(shù)決定，受到條件驅(qū)動(dòng)，履帶式油菜播種機(jī)狀態(tài)發(fā)生改變，且履帶式油菜播種機(jī)只能根據(jù)當(dāng)前所處的狀態(tài)及觸發(fā)條件在有限的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。

播種作業(yè)控制對(duì)象由液壓馬達(dá)、風(fēng)泵、供種裝置、液壓缸抬升裝置組成，風(fēng)泵為常開狀態(tài)，當(dāng)液壓缸下降時(shí)，供種裝置啟動(dòng)開始播種，當(dāng)液壓缸抬升時(shí)，供種裝置停止，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)兩側(cè)履帶行駛。依據(jù)人工駕駛油菜播種機(jī)操作經(jīng)驗(yàn)和油菜播種機(jī)播種要求，將履帶式油菜播種機(jī)劃分為5種狀態(tài)作為系統(tǒng)狀態(tài)，分別定義為S1、S2、S3、Start和Stop，如表1所示；處在不同作業(yè)路徑下作為狀態(tài)觸發(fā)條件，分別定義為C1～C5，對(duì)應(yīng)非播種路徑、播種路徑、拐點(diǎn)處、最終拐點(diǎn)處和信號(hào)異常。

表1 有限狀態(tài)機(jī)的系統(tǒng)狀態(tài)Tab.1 System state of FSM

根據(jù)圖3所示的路徑規(guī)劃圖將播種機(jī)所處不同位置和不同控制狀態(tài)構(gòu)成一個(gè)FSM，構(gòu)成的FSM如圖4所示。在工控機(jī)上規(guī)劃好作業(yè)路徑，當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)RTK北斗定位當(dāng)前車輛的位置觸發(fā)不同狀態(tài)并對(duì)播種機(jī)進(jìn)行控制，狀態(tài)機(jī)接收到北斗信息后，進(jìn)入Start狀態(tài)啟動(dòng)自動(dòng)作業(yè)系統(tǒng)，當(dāng)車輛觸發(fā)事件非播種路徑C1時(shí)，進(jìn)入非播種狀態(tài)S1，車輛直線行走，機(jī)具抬升播種機(jī)不工作；當(dāng)車輛觸發(fā)事件播種路徑C2時(shí)，進(jìn)入播種狀態(tài)S2，車輛直線行走，機(jī)具下降播種機(jī)開始播種；當(dāng)車輛觸發(fā)事件拐點(diǎn)處C3時(shí)，進(jìn)入轉(zhuǎn)向狀態(tài)S3，車輛原地轉(zhuǎn)向，機(jī)具抬升播種機(jī)不工作；當(dāng)車輛觸發(fā)事件最終拐點(diǎn)C4時(shí)，進(jìn)入完成作業(yè)狀態(tài)Stop，車輛停止，機(jī)具抬升播種機(jī)不工作；當(dāng)車輛觸發(fā)事件信號(hào)異常C5時(shí)，車輛停止，機(jī)具抬升播種機(jī)停止工作；S1、S2狀態(tài)之間無(wú)法直接轉(zhuǎn)換。

3 導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)

3.1 履帶式油菜播種機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為實(shí)現(xiàn)履帶式油菜播種機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)，導(dǎo)航控制器的設(shè)計(jì)需要滿足播種精度?；诼膸叫凶邫C(jī)構(gòu)和車輛運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為典型的差速模型，其運(yùn)動(dòng)形式取決于雙邊履帶的速度，通過(guò)對(duì)原系統(tǒng)的簡(jiǎn)化抽象來(lái)建立其理論運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，假設(shè)履帶式行走機(jī)構(gòu)滿足條件：質(zhì)心和幾何中心重合且整機(jī)關(guān)于中心對(duì)稱；行駛時(shí)履帶與地面為純滾動(dòng)，不產(chǎn)生滑移和滑轉(zhuǎn)，即具有理論轉(zhuǎn)向半徑；每側(cè)履帶的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心與其接地面幾何中心重合。履帶式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示，當(dāng)工控機(jī)發(fā)出行走指令，控制器將收到的指令轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳遞給左右液壓馬達(dá)的電磁比例換向閥組，通過(guò)控制兩側(cè)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)履帶式行走機(jī)構(gòu)的控制。

根據(jù)圖5進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可得到基本理論[26-27]

(1)

式中vC——履帶式行走機(jī)構(gòu)行走速度，m/s

vL——左側(cè)履帶線速度，m/s

vR——右側(cè)履帶線速度，m/s

R——車輛以點(diǎn)O為轉(zhuǎn)向中心的理論轉(zhuǎn)向半徑，m

B——履帶軌距，m

ωC——車輛瞬時(shí)轉(zhuǎn)向角速度，rad/s

由式(1)可知，當(dāng)vL=vR時(shí)，即兩側(cè)履帶速度相等，車體轉(zhuǎn)向角速度為0°，轉(zhuǎn)向半徑R趨近于無(wú)窮大，履帶車做直線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)vL>vR或vL

3.2 模糊自適應(yīng)純追蹤控制器設(shè)計(jì)

3.2.1純追蹤幾何模型分析

純追蹤算法是一種純幾何算法，模擬駕駛員的駕駛習(xí)慣，通過(guò)合適的前視距離確定車體到導(dǎo)航目標(biāo)直線上前視點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的圓弧路徑，根據(jù)當(dāng)前橫向偏距和航向偏差計(jì)算出圓弧的半徑，即轉(zhuǎn)向半徑，利用轉(zhuǎn)向半徑和差速轉(zhuǎn)向方式推導(dǎo)出兩側(cè)履帶速度。在本研究中，假設(shè)履帶與地面的滑移忽略不計(jì)并且履帶行走機(jī)構(gòu)的質(zhì)心和幾何中心重合，純追蹤模型如圖6所示，直線AB為導(dǎo)航目標(biāo)直線；點(diǎn)C為履帶車定位點(diǎn)；點(diǎn)O為履帶車瞬時(shí)轉(zhuǎn)向圓心；R為轉(zhuǎn)向半徑。

根據(jù)幾何關(guān)系可得[28]

(2)

式中Ld——前視距離，m

γ——圓弧CD對(duì)應(yīng)的圓心角，(°)

LCE——點(diǎn)C到點(diǎn)E的距離，m

d——橫向偏距，m

θ——航向偏差，(°)

化簡(jiǎn)可得瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑R與橫向偏距d、航向偏差θ的關(guān)系式為

(3)

聯(lián)立式(1)、(3)可得左右履帶速度vL、vR與橫向偏距d、航向偏差θ、車速vC、前視前距離Ld之間的關(guān)系為

(4)

3.2.2模糊自適應(yīng)純追蹤控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)式(4)可知，前視距離Ld是純追蹤算法中的唯一可調(diào)參數(shù)，前視距離Ld與車輛的橫向偏距d、航向偏差θ、車速vC有直接關(guān)系，直線跟蹤的性能取決于前視距離Ld。當(dāng)前視距離Ld較小時(shí)，橫向調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，車輛以較大曲率快速逼近目標(biāo)路徑，Ld過(guò)小會(huì)引起車輛行駛振蕩；當(dāng)前視距離Ld較大時(shí)，車輛會(huì)以較小曲率緩慢逼近目標(biāo)路徑，車輛行駛不會(huì)產(chǎn)生振蕩，但調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。

利用模糊控制方法，根據(jù)不同條件給出適宜的前視距離，可以提高導(dǎo)航控制器的上線速度和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)該控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

根據(jù)以上分析以橫向偏距d、航向偏差θ和速度vC作為模糊自適應(yīng)純追蹤控制器的輸入，前視距離Ld作為模糊自適應(yīng)純追蹤控制器的輸出，對(duì)輸入輸出進(jìn)行模糊化。

(1)橫向偏距d基本論域?yàn)閧-2 m,2 m}，橫向偏距模糊等級(jí)為：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

(2)航向偏差θ基本論域?yàn)閧-45°,45°}，航向偏差模糊等級(jí)為：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。

(3)速度vC基本論域?yàn)閧0 m/s,1.5 m/s}，速度模糊等級(jí)為：超低(VL)、低(L)、中(M)、高(B)、超高(VB)。

(4)前視距離Ld基本論域?yàn)閧1 m,3 m}，前視距離模糊等級(jí)為：超近(VL)、中近(ML)、較近(L)、適中(M)、較遠(yuǎn)(LB)、中遠(yuǎn)(MB)、超遠(yuǎn)(VB)。輸入輸出變量為三角型隸屬度函數(shù)。

表2 速度vC為M時(shí)模糊控制規(guī)則Tab.2 Fuzzy control rules when speed vC is M

3.2.3模糊自適應(yīng)純追蹤控制器仿真

為驗(yàn)證模糊自適應(yīng)純追蹤控制器的控制性能，對(duì)純追蹤和模糊自適應(yīng)純追蹤控制進(jìn)行Matlab仿真。在初始條件滿足橫向偏距為1.5 m、速度為0.8 m/s下、航向偏差為45°的條件下，確定一組前視距離Ld作為純追蹤控制器的輸入，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間盡量小且上線盡量平滑，通過(guò)試測(cè)法調(diào)節(jié)前視距離參數(shù)為L(zhǎng)d=1.8 m。設(shè)置采樣時(shí)間為0.1 s，并且在2 s時(shí)給予一個(gè)0.2 s的擾動(dòng)，測(cè)試控制器的調(diào)節(jié)效果，仿真結(jié)果如圖9所示。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的模糊自適應(yīng)純追蹤控制器較純追蹤控制器上升時(shí)間提高了0.21 s，具有上升時(shí)間快且抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.2.4直線路徑跟蹤仿真

運(yùn)用Matlab對(duì)模糊自適應(yīng)純追蹤進(jìn)行直線跟蹤仿真。設(shè)定初始點(diǎn)坐標(biāo)位置為(0 m,1 m)，存在一定偏距，跟蹤直線函數(shù)x=y，且初始速度為0.8 m/s，采樣時(shí)間為0.1 s，初始航向偏差與目標(biāo)直線一致。根據(jù)所設(shè)計(jì)的模糊自適應(yīng)控制器進(jìn)行直線跟蹤仿真，如圖10所示。結(jié)果表明：模糊自適應(yīng)純追蹤控制器能夠跟蹤直線路徑，具有上線平滑和穩(wěn)態(tài)誤差小等特點(diǎn)。

3.3 地頭轉(zhuǎn)向控制器

根據(jù)履帶行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向通過(guò)性好，轉(zhuǎn)彎半徑小，采用原地轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)彎方式，轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)利用北斗雙天線定位系統(tǒng)獲得位置信息和航向信息并實(shí)時(shí)計(jì)算航向偏差，通過(guò)PD控制器得到輸出轉(zhuǎn)向控制電壓，控制器控制電液比例閥調(diào)節(jié)兩側(cè)液壓馬達(dá)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車輛精確轉(zhuǎn)向，當(dāng)航向進(jìn)入角度閾值范圍內(nèi)，將跟蹤下一條路徑直線，如圖11所示。

4 試驗(yàn)

4.1 路面直線路徑導(dǎo)航試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)?zāi)：赃m應(yīng)純追蹤導(dǎo)航控制器的直線跟蹤效果，在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜全程機(jī)械化試驗(yàn)基地進(jìn)行水泥路面試驗(yàn)。試驗(yàn)材料：履帶式油菜播種機(jī)、工控機(jī)、導(dǎo)航控制箱、北斗RTK移動(dòng)站。具體操作步驟如下：①試驗(yàn)前進(jìn)行傳感器、控制箱、工控機(jī)等各控制系統(tǒng)部件的安裝和檢查，將北斗RTK移動(dòng)站電源打開，等待移動(dòng)站冷啟動(dòng)完成并在工控機(jī)成功顯示定位數(shù)據(jù)后，設(shè)定AB線(期望直線路徑)：在工控機(jī)上位機(jī)界面內(nèi)先后選定兩個(gè)點(diǎn)A和B，完成行駛路徑的確定。②先將履帶式油菜播種機(jī)的播種模塊抬升并保持懸空，再將樣機(jī)行駛至AB線起點(diǎn)附近，初始姿態(tài)調(diào)節(jié)到橫向偏距0.5 m左右、航向偏差20°以內(nèi)。③開始試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。打開上位機(jī)軟件中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)保存功能，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的樣機(jī)位姿、橫向偏距、航向偏差、目標(biāo)轉(zhuǎn)向半徑等數(shù)據(jù)。按照以上步驟，在保證初始偏差和航向相差不大的情況下，車體速度為0.8 m/s，分別搭載模糊自適應(yīng)純追蹤控制器和純追蹤控制器進(jìn)行路面導(dǎo)航控制效果測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：純追蹤控制器的最大跟蹤偏差為0.056 m，平均絕對(duì)偏差為0.024 m，上升時(shí)間為1.21 s；模糊自適應(yīng)純追蹤控制器的最大跟蹤偏差為0.039 m，平均絕對(duì)偏差為0.018 m，上升時(shí)間為0.86 s。根據(jù)導(dǎo)航精度提高百分比公式[19]

(5)

式中M——導(dǎo)航精度提高百分比，%

Savg——純追蹤控制器偏差平均值，m

Mavg——模糊自適應(yīng)控制器偏差平均值，m

分別以最大跟蹤偏差和平均絕對(duì)偏差作為衡量導(dǎo)航精度的指標(biāo)，符號(hào)為正表示精度提高，符號(hào)為負(fù)表示精度降低。根據(jù)式(5)計(jì)算得到模糊自適應(yīng)純追蹤控制器較純追蹤控制器在速度為0.8 m/s下導(dǎo)航精度分別提高了57%、25%，上升時(shí)間減小了29%。

4.2 田間直線路徑跟蹤試驗(yàn)

為檢驗(yàn)?zāi)：赃m應(yīng)純追蹤導(dǎo)航控制器直線跟蹤效果和速度適應(yīng)性，于2021年4月17日在武漢市漢南區(qū)羽佳養(yǎng)殖示范田開展旱田直線跟蹤試驗(yàn)，以速度0.5、0.8、1.2 m/s行駛，分別搭載純追蹤控制器和模糊自適應(yīng)純追蹤控制器進(jìn)行多組試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟與水泥路面直線跟蹤試驗(yàn)步驟保持一致。表3為純追蹤與模糊自適應(yīng)純追蹤控制器控制效果對(duì)比。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)履帶式油菜播種機(jī)速度為0.5、0.8、1.2 m/s時(shí)，模糊自適應(yīng)純追蹤控制器最大跟蹤偏差分別不大于0.082、0.086、0.092 m，平均絕對(duì)偏差分別不大于0.031、0.032、0.034 m。根據(jù)式(5)，得到模糊自適應(yīng)純追蹤控制器較純追蹤控制器在速度為0.5、0.8、1.2 m/s下最大跟蹤偏差導(dǎo)航精度分別提高了28.2%、35.4%、39.7%，平均絕對(duì)偏差導(dǎo)航精度分別提高了25.7%、34.1%、39.6%。對(duì)比文獻(xiàn)[19]免疫PID控制器，在速度為0.5 m/s下，最大跟蹤偏差導(dǎo)航精度提高了51.3%，平均絕對(duì)偏差導(dǎo)航精度提高了55.2%。試驗(yàn)表明模糊自適應(yīng)純追蹤控制器較純追蹤控制器能有效降低跟蹤偏差，并能適應(yīng)不同速度，能夠達(dá)到油菜播種機(jī)導(dǎo)航作業(yè)要求，為履帶式油菜播種機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)提供技術(shù)參考。

表3 純追蹤與模糊自適應(yīng)純追蹤效果對(duì)比Tab.3 Contrasts between fuzzy adaptive pure pursuit controller and pure pursuit controller

模糊自適應(yīng)純追蹤控制器較純追蹤控制器效果和速度適應(yīng)性好，主要是因?yàn)槟：赃m應(yīng)純追蹤控制器可根據(jù)當(dāng)前橫向偏距、航向偏差和速度實(shí)時(shí)調(diào)整前視距離，當(dāng)橫向偏距較大時(shí)使前視距離較近，可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使履帶式油菜播種機(jī)快速上線；當(dāng)橫向偏距較小時(shí)使前視距離較遠(yuǎn)，可以減小控制量使系統(tǒng)保持穩(wěn)態(tài)。純追蹤控制器在整個(gè)過(guò)程中前視距離保持不變，當(dāng)履帶式油菜播種機(jī)狀態(tài)變化時(shí)純追蹤控制器適應(yīng)性較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

田間試驗(yàn)和水泥地面試驗(yàn)對(duì)比，履帶式油菜播種機(jī)的最大跟蹤偏差和平均絕對(duì)偏差有所增大，控制器精度隨機(jī)具速度增加而降低，主要原因?yàn)椋阂环矫妫膸接筒酥辈C(jī)在田間作業(yè)時(shí)，兩側(cè)履帶速度響應(yīng)特性會(huì)受到土地平整度、堅(jiān)實(shí)度和含水率等外界客觀因素的影響，出現(xiàn)履帶積土致使阻力矩增大或履帶打滑等現(xiàn)象，而導(dǎo)致履帶車轉(zhuǎn)向特性隨之發(fā)生變化，性能下降；另一方面，田間地面的復(fù)雜環(huán)境致使車身傾斜和滑移，導(dǎo)致傳感器獲取的車體位姿信息產(chǎn)生突變值，控制器會(huì)因此計(jì)算出較大的糾偏控制量，出現(xiàn)振蕩，跟蹤誤差隨之增大。

4.3 自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)履帶式油菜播種機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定性，于2021年5月15日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)“三田”試驗(yàn)基地進(jìn)行性能評(píng)估試驗(yàn)。測(cè)得試驗(yàn)田土壤含水率為22.7%，土壤堅(jiān)實(shí)度為674.2 kPa。試驗(yàn)材料與田間試驗(yàn)材料一致。試驗(yàn)前進(jìn)行傳感器、控制箱、工控機(jī)等各控制系統(tǒng)部件的安裝和檢查，設(shè)定出庫(kù)路徑、入庫(kù)路徑和作業(yè)路徑，作業(yè)幅寬為1.5 m，衛(wèi)星定位接收頻率為10 Hz，在車體速度為0.8 m/s的條件下進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)試驗(yàn)，自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和導(dǎo)航路徑軌跡如圖13所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，履帶式油菜播種機(jī)可在轉(zhuǎn)向處停車并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制，在播種作業(yè)路徑下播種機(jī)下降并完成播種作業(yè)，在非播種作業(yè)路徑下播種機(jī)抬升并行駛至轉(zhuǎn)彎點(diǎn)。實(shí)際軌跡(圖13b中藍(lán)色線)與期望路徑(圖13b中橙色線)基本吻合，且跟蹤精度滿足田間播種作業(yè)要求，為丘陵山區(qū)無(wú)人農(nóng)場(chǎng)構(gòu)建提供了技術(shù)支撐。

5 結(jié)論

(1)為提高丘陵山區(qū)小田塊油菜播種自動(dòng)化和智能化水平，設(shè)計(jì)了一套全液壓履帶式油菜播種機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)，試驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)系統(tǒng)能按照規(guī)劃路徑完成直線行駛、田頭轉(zhuǎn)向，播種機(jī)自動(dòng)播種。能夠在較少人工干預(yù)情況下完成油菜播種自動(dòng)作業(yè)。

(2)以自主研發(fā)的履帶式油菜播種機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)氣吹式油菜播種機(jī)作業(yè)需求設(shè)計(jì)了基于有限狀態(tài)機(jī)的自動(dòng)作業(yè)控制策略，基于履帶式油菜播種機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何學(xué)模型，制定模糊規(guī)則表，設(shè)計(jì)了一種模糊自適應(yīng)純追蹤控制器。

(3)水泥路面試驗(yàn)表明：履帶式油菜播種機(jī)行駛速度為0.8 m/s時(shí)，模糊自適應(yīng)純追蹤控制器的最大跟蹤偏差為0.039 m，平均絕對(duì)偏差為0.018 m。

(4)田間試驗(yàn)表明：模糊自適應(yīng)純追蹤控制器可根據(jù)當(dāng)前偏距和速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)前視距離，當(dāng)油菜播種機(jī)速度為0.5、0.8、1.2 m/s時(shí)，模糊自適應(yīng)純追蹤控制器最大跟蹤偏差分別不大于0.082、0.086、0.092 m，平均絕對(duì)偏差分別不大于0.031、0.032、0.034 m。