姜寬舒 高菊玲 于泓 王艷莉 張豐山 何成勇 張善龍

摘要：隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)正在向著自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化的趨勢(shì)發(fā)展。而農(nóng)村勞動(dòng)人口外流，勞動(dòng)力日益短缺和人工成本增加的現(xiàn)象也日益嚴(yán)重，尋求新型高效的農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)方式迫在眉睫。基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式插秧機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改裝，通過安裝北斗-實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）天線和電動(dòng)方向盤，利用角度傳感器和位置傳感器，配合比例-積分-微分（PID）模糊控制導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的路徑規(guī)劃和自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)?；緦⒔?jīng)過差分的衛(wèi)星信號(hào)通過通訊模塊傳遞給無(wú)人插秧機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確的厘米級(jí)定位。使用自動(dòng)導(dǎo)航插秧機(jī)進(jìn)行水田作業(yè)試驗(yàn)，系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明自動(dòng)導(dǎo)航模式下插秧機(jī)在轉(zhuǎn)彎與直行時(shí)偏離航道的最大誤差分別為10.2、5.1 cm，基本符合實(shí)際作業(yè)的精確度和安全性要求。研究結(jié)果可為今后開展智能無(wú)人化農(nóng)機(jī)裝備的改裝和研發(fā)提供理論和實(shí)踐參考。

關(guān)鍵詞：北斗-RTK;無(wú)人插秧機(jī);自動(dòng)導(dǎo)航;農(nóng)機(jī)裝備;PID模糊控制

中圖分類號(hào)： S223.9 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2021）10-0187-04

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，擁有1.5億hm2基本農(nóng)田，每年有大量的耕、種、管、收等農(nóng)機(jī)作業(yè)需求。無(wú)人化智能農(nóng)機(jī)可大幅度提高農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率、資源利用率和土地產(chǎn)出率，成為當(dāng)今世界現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向和必然選擇[1-2]。農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)能夠?qū)⑥r(nóng)機(jī)操縱者從長(zhǎng)時(shí)間枯燥的駕駛?cè)蝿?wù)中解放，避免因?yàn)槠谠斐傻陌踩珕栴}，同時(shí)可以有效提高整體作業(yè)過程中的精度和工作效率，對(duì)我國(guó)智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有巨大的推動(dòng)作用[3-4]。

插秧機(jī)相比于其他農(nóng)機(jī)最大的不同是其工作環(huán)境，水田的路面不平整會(huì)導(dǎo)致插秧機(jī)在行駛過程中產(chǎn)生側(cè)滑或偏移，單獨(dú)使用衛(wèi)星定位會(huì)產(chǎn)生較大誤差[5-6]。本研究以農(nóng)業(yè)中的插秧過程為對(duì)象，對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械式插秧機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改裝，保證插秧機(jī)在無(wú)人駕駛的情況下能夠依靠慣性導(dǎo)航傳感器信息和基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）定位技術(shù)的北斗衛(wèi)星信息獲取車體當(dāng)前的位置、速度、航向、姿態(tài)，當(dāng)其偏離預(yù)定義路徑時(shí)，能依靠控制器中的路徑跟蹤策略及時(shí)轉(zhuǎn)向減少誤差。通過田間性能試驗(yàn)，確定改裝后的無(wú)人插秧機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航功能的準(zhǔn)確性，以期為今后開展智能無(wú)人化農(nóng)機(jī)裝備的改裝和研發(fā)提供理論和實(shí)踐參考。

1 材料與方法

1.1 導(dǎo)航控制系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是我國(guó)自主研制、獨(dú)立運(yùn)行的導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30個(gè)非靜止軌道衛(wèi)星。2019年6月，在軌46顆，三號(hào)21顆，基本系統(tǒng)完成，提供全球服務(wù)[7]。目前北斗定位精度為10 m，通過北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)的輔助定位，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)亞米級(jí)、分米級(jí)、厘米級(jí)，靜態(tài)毫米級(jí)高精度定位。

北斗-RTK無(wú)人插秧機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航硬件包括北斗RTK定位系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向執(zhí)行系統(tǒng)2個(gè)方面。定位和導(dǎo)航原理是基站將經(jīng)過差分的衛(wèi)星信號(hào)通過通訊模塊傳遞給無(wú)人插秧機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確的厘米級(jí)定位，通過角度傳感器和位置傳感器驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而進(jìn)行航線規(guī)劃和自主巡航。北斗-RTK定位原理如圖1所示。

1.1.1 北斗-RTK接收機(jī)的安裝 衛(wèi)星定位接收機(jī)選用上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的高精度NX300，該套設(shè)備是由2個(gè)接收機(jī)、2個(gè)數(shù)傳電臺(tái)和2個(gè)天線以及部分連接束組成。其中，一個(gè)接收機(jī)安裝在插秧機(jī)上作為移動(dòng)站，另一個(gè)接收機(jī)放在地頭作為RTK基站以實(shí)現(xiàn)差分定位，現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1所示。該設(shè)備最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的可重復(fù)性，它能夠消除衛(wèi)星定位過程中產(chǎn)生的漂移誤差，在消除衛(wèi)星定位累積漂移后，插秧機(jī)就能一次又一次地沿著同一路徑進(jìn)行引導(dǎo)。另外，該接收機(jī)集成了定位模塊、速度傳感器和傾角傳感器，能夠?qū)邮盏降男l(wèi)星信號(hào)進(jìn)行解算并發(fā)送接收機(jī)的經(jīng)緯度、俯仰角、高度、速度、航向角和橫滾角等導(dǎo)航信息。

1.1.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 本研究所采用的自動(dòng)轉(zhuǎn)向設(shè)備是南京天辰禮達(dá)電子科技有限公司生產(chǎn)的電動(dòng)自動(dòng)方向盤，該電動(dòng)自動(dòng)方向盤由步進(jìn)電機(jī)、鏈輪鏈條、編碼器、固定套裝和安裝支撐架組成。其基本工作原理是步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)小鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小鏈輪通過鏈條帶動(dòng)大鏈輪同向轉(zhuǎn)動(dòng)，由于大鏈輪與方向盤固定在一起，所以方向盤在動(dòng)力的作用下就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎。插秧機(jī)上加裝有監(jiān)測(cè)主變速手柄角度的變化、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度以及方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度的傳感器，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向盤和靜液壓傳動(dòng)系統(tǒng)（HST）拉桿，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛（圖2）。

1.2 插秧機(jī)導(dǎo)航控制方法研究

基于插秧機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)主要包括導(dǎo)航傳感器、導(dǎo)航控制算法、路徑規(guī)劃以及插秧機(jī)的模型建立等，其中導(dǎo)航控制算法是決定插秧機(jī)導(dǎo)航精度的關(guān)鍵因素之一。須設(shè)計(jì)一種合理的導(dǎo)航控制算法，以滿足插秧機(jī)在田間的直線作業(yè)行駛和曲線掉頭轉(zhuǎn)向行駛要求。

1.2.1 插秧機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制原理 插秧機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制的目的是使插秧機(jī)能按照規(guī)定的預(yù)定義路徑實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛。導(dǎo)航?jīng)Q策的基本過程是通過安裝在插秧機(jī)上的北斗-RTK設(shè)備、速度傳感器、傾角傳感器等各個(gè)傳感器設(shè)備來(lái)獲取插秧機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并將插秧機(jī)的實(shí)時(shí)位置信息和航向信息與預(yù)定義路徑相比較，當(dāng)檢測(cè)到插秧機(jī)的行駛路徑與期望路徑有偏差時(shí)，導(dǎo)航控制算法解算出此時(shí)的偏差信息（包括橫向偏差和航向偏差），然后將這些偏差信息輸入到導(dǎo)航?jīng)Q策控制器中，并解算出期望的前輪轉(zhuǎn)角，將該轉(zhuǎn)角信息發(fā)送給轉(zhuǎn)向控制器，由轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的調(diào)整來(lái)控制插秧機(jī)前輪轉(zhuǎn)向進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤期望的前輪轉(zhuǎn)角，以達(dá)到減小偏差的目的，從而實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向（圖3）。

航跡控制是指目標(biāo)軌跡隨著插秧機(jī)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，在軌跡控制過程中將其目標(biāo)軌跡與航行目標(biāo)軌跡實(shí)時(shí)進(jìn)行對(duì)比，獲取距離偏差，通過控制電動(dòng)方向盤消除航向偏差和控制速度消除距離偏差。如圖3所示，航跡控制采用雙閉環(huán)控制模式，用一個(gè)閉環(huán)控制航向，另一個(gè)閉環(huán)控制航速。當(dāng)對(duì)插秧機(jī)進(jìn)行航跡控制時(shí)，通過系統(tǒng)攜帶的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得插秧機(jī)的實(shí)時(shí)位置（x0，y0）和航向信息，同時(shí)通過地面監(jiān)控站獲得系統(tǒng)給定的目標(biāo)航跡（xr，yr） 。計(jì)算可得到當(dāng)前位置與目標(biāo)航跡的距離偏差η和航向偏差Δψ。通過雙閉環(huán)控制的方式將航向控制和位置控制相互分離達(dá)到有效行進(jìn)軌跡控制的目的。

1.2.2 比例-積分-微分（PID）模糊控制 自20世紀(jì)30年代PID控制算法產(chǎn)生以來(lái)，由于該方法具有多功能性、高可靠性和易操作性，一直是工業(yè)控制領(lǐng)域的一種重要手段[8-9]。在農(nóng)用無(wú)人插秧機(jī)導(dǎo)航控制實(shí)際應(yīng)用方面，經(jīng)典PID控制依然占據(jù)主導(dǎo)地位。以軌跡控制為例，無(wú)人插秧機(jī)標(biāo)準(zhǔn)PID控制器原理結(jié)構(gòu)框如圖4所示。

由此可見，無(wú)人機(jī)插秧機(jī)航向控制的輸入量由給定量和測(cè)量量的偏差Δψ做比例、微分、積分處理后求和得到。比例環(huán)節(jié)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)也保證系統(tǒng)對(duì)干擾的靈敏度;積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，達(dá)到無(wú)靜差跟蹤;微分環(huán)節(jié)的作用是保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在采用PID控制過程中，通過調(diào)節(jié)這3個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能。

PID參數(shù)整定是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，整定的方法包括試湊法、衰減曲線法、臨界比例法、Z-N法等，通過這幾種方法進(jìn)行PID參數(shù)整定都需要一定的經(jīng)驗(yàn)。其中，衰減曲線法是大量工程人員在試驗(yàn)的過程中總結(jié)出了一套簡(jiǎn)單有效的PID參數(shù)整定方法。首先由小到大對(duì)比例放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)達(dá)到衰減比為4 ∶ 1的過渡過程。記錄比例調(diào)節(jié)參數(shù)Kp1和振蕩周期Ts1，然后根據(jù)表1中參數(shù)整定方法獲取PID參數(shù)。

1.3 田間試驗(yàn)

由于插秧機(jī)在田間的實(shí)際作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜，受干擾因素較多，理論研究和仿真分析并不能真實(shí)地反映實(shí)際情況。為了驗(yàn)證理論研究的正確性和設(shè)備自動(dòng)導(dǎo)航有效性，在前面研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行插秧機(jī)水田路徑規(guī)劃行駛試驗(yàn)。

1.3.1 試驗(yàn)場(chǎng)地 為了驗(yàn)證插秧機(jī)路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)的實(shí)際使用性能，即導(dǎo)航控制性能，2020年5月10日，在江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院禾木農(nóng)博園實(shí)訓(xùn)基地（119°25′58″E，32°24′51″N）進(jìn)行水田試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。試驗(yàn)水田為標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田，大小為200 m×300 m。

1.3.2 試驗(yàn)方法 將接收機(jī)的一整套裝備及自動(dòng)方向盤固定安裝在井關(guān)插秧機(jī)上，首先人工駕駛插秧機(jī)沿著試驗(yàn)地塊的長(zhǎng)邊界行駛一段直線距離以確定插秧機(jī)的作業(yè)方向，然后將插秧機(jī)開到起始位置，打開天辰禮達(dá)路徑規(guī)劃控制系統(tǒng)并設(shè)置插秧機(jī)的作業(yè)參數(shù)（作業(yè)地塊的尺寸、行間距、地頭預(yù)留間距等），然后觸發(fā)路徑規(guī)劃生成按鈕即可獲得該地塊內(nèi)的規(guī)劃路徑，最后通過導(dǎo)航控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)插秧機(jī)進(jìn)行控制，使其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航。

2 結(jié)果與分析

如圖6所示，從車輪軌跡可看出插秧機(jī)在進(jìn)行直線導(dǎo)航時(shí)能夠保持較好的直線度，只有在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候車輪軌跡與預(yù)定義路徑偏差比較大，但總體看來(lái)插秧機(jī)的導(dǎo)航效果比較理想。從圖7中可以看出，插秧機(jī)的規(guī)劃路徑與預(yù)定義路徑的重合度在直線段較高，在轉(zhuǎn)彎段有稍微偏差。路徑跟蹤的平均誤差為4.3 cm，最大跟蹤誤差為10.2 cm，最大跟蹤誤差出現(xiàn)在插秧機(jī)轉(zhuǎn)彎過程中，但直線作業(yè)段路徑跟蹤的平均誤差為3.6 cm，最大跟蹤誤差為 5.1 cm。由于插秧機(jī)在進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，只有在直線段進(jìn)行插秧，轉(zhuǎn)彎段不進(jìn)行插秧，所以轉(zhuǎn)彎誤差對(duì)插秧機(jī)的實(shí)際作業(yè)效果影響不大。又由于直線路徑跟蹤誤差在插秧機(jī)作業(yè)時(shí)允許的誤差范圍內(nèi)，表明該導(dǎo)航控制算法及自動(dòng)化改裝具有良好的導(dǎo)航效果。

3 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)正在向著自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化的趨勢(shì)發(fā)展。農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)能夠?qū)⑥r(nóng)機(jī)操縱者從長(zhǎng)時(shí)間枯燥的駕駛?cè)蝿?wù)中解放出來(lái)，避免因?yàn)槠谠斐傻陌踩珕栴}，同時(shí)可以有效提高整體作業(yè)過程中的精度和工作效率，對(duì)我國(guó)智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有巨大的推動(dòng)作用。本研究基于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械式插秧機(jī)進(jìn)行了自動(dòng)化改裝，通過安裝北斗-RTK天線和電動(dòng)方向盤，利用角度傳感器和位置傳感器，配合PID模糊控制導(dǎo)航算法，實(shí)現(xiàn)插秧機(jī)的路徑規(guī)劃和自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)。基站將經(jīng)過差分的衛(wèi)星信號(hào)通過通訊模塊傳遞給無(wú)人插秧機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確的厘米級(jí)定位。使用自動(dòng)導(dǎo)航插秧機(jī)進(jìn)行了水田作業(yè)試驗(yàn)，系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明自動(dòng)導(dǎo)航模式下插秧機(jī)在轉(zhuǎn)彎與直行時(shí)偏離航道的最大誤差分別為10.2、5.1 cm，基本符合實(shí)際作業(yè)的精確度和安全性要求。可以為今后開展智能無(wú)人化農(nóng)機(jī)裝備的改裝和研發(fā)提供理論和實(shí)踐參考。

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