劉雪蘭 田宏偉

摘要：自動引導車作為解放勞動力的自動化運輸裝備，雖然暫時還不能用來做載人的交通工具，但在工業(yè)上已經(jīng)具有很廣泛的應用，可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。提出農(nóng)業(yè)自動引導車的路徑模糊控制技術研究。首先，進行農(nóng)業(yè)自動引導車進行運動建模，然后對農(nóng)業(yè)自動引導車的路徑模糊控制技術進行優(yōu)化。設計視覺導航控制系統(tǒng)，確定路徑模糊控制的跟蹤論域，然后根據(jù)跟蹤論域設定模糊控制規(guī)則，最后進行路徑跟蹤器的優(yōu)化。設計測試實驗將農(nóng)業(yè)自動引導車的路徑模糊控制技術與傳統(tǒng)技術相比較，分別得出兩種技術控制農(nóng)業(yè)自動引導車路徑后，跟蹤路徑和實驗路徑的誤差，利用研究技術的農(nóng)業(yè)自動引導車對于車輛轉(zhuǎn)彎時候產(chǎn)生的偏差的穩(wěn)定時間為0.8～1.2 s之間，按照實驗參數(shù)設定的車輛行駛速度（v=1.2 m/s）進行計算，可以抵消所產(chǎn)生的較大偏差，模糊控制技術的平均絕對誤差和最大絕對誤差都比傳統(tǒng)方法的誤差更小。該農(nóng)業(yè)自動引導車的路徑模糊控制技術研究更具推廣價值。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)自動引導車;路徑偏差;模糊控制;路徑規(guī)劃;路徑跟蹤

中圖分類號：S232.3???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0139-04

Path Fuzzy Control Technology of Agricultural Automatic Guided Vehicle

Liu Xuelan 1，Tian Hongwei 2

（1. School of Agricultural Information， Jiangsu Vocational College of Agriculture and Animal Husbandry Science and Technology， Taizhou，Jiangsu 225300， China;2. School of Applied Technology， Suzhou University， Kunshan， Jiangsu 215325， China）

Abstract： As an automatic transportation equipment to liberate the labor force， although it can not be used as a manned vehicle for the time being， it has been widely used in industry and can improve the efficiency of agricultural production. The path fuzzy control technology of agricultural automatic guided vehicle was proposed. Firstly， the motion model of agricultural automatic guide vehicle was established， and then the path fuzzy control technology of agricultural automatic guide vehicle was optimized. The visual navigation control system was designed to determine the tracking domain of path fuzzy control， then the fuzzy control rules were set according to the tracking domain， and finally the path tracker were optimized. A test experiment was designed to compare the path fuzzy control technology of the agricultural automatic guide vehicle with the traditional technology. After the two technologies control the path of the agricultural automatic guide vehicle， the errors of the tracking path and the experimental path were obtained respectively. The stability time of the agricultural automatic guide vehicle using the research technology for the deviation when the vehicle turns is between 0.8～1.2 s. The calculation according to the vehicle speed （v=1.2 m/s） was set by the experimental parameters， which could offset the large deviation. The average absolute error and maximum absolute error of fuzzy control technology are smaller than those of traditional methods. The research on the path fuzzy control technology of the agricultural automatic guidance vehicle has more popularization value.

Key words： agricultural automatic guided vehicle; path deviation; fuzzy control; route plan; path tracking

0 引言

自動引導車指的是可以按照設定好的路線自動前進的運輸車輛。車輛的動力來源一般是電或太陽能，很少有汽油或柴油驅(qū)動的。例如生產(chǎn)線到倉庫送貨工作[1]，利用自動引導車就節(jié)省了很多人力?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的大部分工作已經(jīng)實現(xiàn)了機器代替人工，但是農(nóng)機駕駛需要在田地里不斷地調(diào)整駕駛方向才能滿足種植要求。對駕駛農(nóng)機的農(nóng)民的注意力和反應力都是考驗，如果駕駛經(jīng)驗不足的人進行駕駛非常容易引發(fā)事故，一般都是村中最具有經(jīng)驗的人才能駕駛農(nóng)機。早在多年前農(nóng)業(yè)自動化研究領域的專家就開始研究可以沿著壟溝自動前進的自動引導車，來滿足日益增長的農(nóng)作物產(chǎn)量要求。

自動引導車分為電磁感應引導車和激光引導車，電磁感應引導車需要首先根據(jù)實際情況設定好車輛的路線，然后沿途鋪設電線[2]。自動引導車安裝電磁感應系統(tǒng)，當高頻電流產(chǎn)生的電磁力被自動引導車的電磁感應系統(tǒng)接收時，自動引導車就會按照固定的路線開始移動。駕駛員可以根據(jù)電磁感應系統(tǒng)接收的電磁的強度來判斷是否出現(xiàn)路線偏差。出現(xiàn)的偏差如果不嚴重可以等待車輛自動調(diào)節(jié)，出現(xiàn)的偏差嚴重駕駛員可以進行手動調(diào)節(jié)。電磁感應引導車工作原理簡單，相比于激光引導車更適合大型自動引導車使用。近些年來更加現(xiàn)代化的自動引導車開始陸續(xù)投入市場。有國內(nèi)外研究表明：帶有視覺導航的自動引導車安裝攝像頭和定位裝置，可將固定路徑的圖像信息進行儲存和隨時更新，車輛移動的時候攝像機記錄路徑行駛?cè)^程，與數(shù)據(jù)信息庫中的路徑圖像進行對比，提高了自動引導車的智能化水平。為此，本文對農(nóng)業(yè)自動引導車的路徑模糊控制技術進行研究。

1 運動建模

自動導航車輛的物理模式有兩種選擇，一種是運動物理模型，一種是動力物理模型。農(nóng)業(yè)自動引導車的路徑模糊控制屬于在車輛運動狀態(tài)對他的路徑偏差進行監(jiān)測屬于物理運動范疇，所以選擇構建運動學模型。由于農(nóng)業(yè)自動引導車以常規(guī)速度運動時，其運動學建模特征較為明顯，故以直線為 x 軸，建立目標田地直角坐標系。該車輛的坐標為 Q ，建立物理運動模型[3]：

式中：x、y 分別為 Q 的橫縱坐標數(shù)值;o 為車輛轉(zhuǎn)彎逆時針的航向角;v 為車輛播種的常規(guī)行駛的平均速度;r 為車輛的前輪轉(zhuǎn)角;l 為前輪的輪軸距。

車輛前輪的控制驅(qū)動系統(tǒng)采用電能源驅(qū)動，電機的功率越大控制器的能量就越大。將前輪轉(zhuǎn)向的慣性經(jīng)過統(tǒng)一處理得到前輪的系統(tǒng)建模為：

式中：r1為前輪轉(zhuǎn)角的角度;T 為固定常數(shù)，是慣性數(shù)值經(jīng)過統(tǒng)一處理后的結果。

2 路徑模糊控制技術優(yōu)化

農(nóng)業(yè)自動引導車一般由電池電源、作業(yè)裝置和控制路徑部分組合而成。其中路徑控制部分包括攝像機和攝像圖片處理器、控制路徑的顯示屏、單片機、車輛行駛速度檢測儀驅(qū)動電機[4]。作業(yè)裝置包括車輛和減速裝置。電池電源由蓄電池和充電電池組成。

2.1 視覺導航控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由圖像控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)兩大主要部分組成。圖像處理系統(tǒng)對基于攝像機對路面標識的拍攝結果的處理，對于采集到的圖像進行數(shù)字化處理，然后進行閾值分割，基于最優(yōu)的閾值理論將路面標識的圖像從背景中剝離出來。根據(jù)路面標識的圖像和導航參數(shù)的對比確定偏差的位置[5]。

農(nóng)業(yè)自動引導車使用直流電機作為機器運作的動力來源，農(nóng)業(yè)自動引導車帶有減速輪可以根據(jù)減速需求選擇轉(zhuǎn)動前輪減速輪或者后輪減速輪。改變直流電機的驅(qū)動電壓就可以控制前輪的控制傾角。在車體上安裝電磁感應器來監(jiān)測脈沖信號，對電機的控制效果使用仿真器裝置進行測試和調(diào)整。測試的仿真器裝置與 PC機相連用來測試程序，與測試圖像的圖像處理系統(tǒng)原理相似。

GPS導航系統(tǒng)采用下機位結構，采取每隔3 s就進行一次定位的方式，下機位通過端口的信號接收控制器控制。上機位與下機位的通信是通過芯片安裝來實現(xiàn)的。上機位負責信號發(fā)送，信號通過芯片發(fā)送到下機位的限號接收口[6]，下機位接收信號后儲存起來。并對上機位發(fā)出的信息作出反饋。

綜上所述，視覺導航控制系統(tǒng)的工作流程為攝像機進行路標圖像的采集經(jīng)過圖像控制系統(tǒng)的濾波處理技術處理之后，基于最優(yōu)閾值進行邊緣檢測。模糊處理器結合 GPS導航參數(shù)判斷是路徑偏差是否需要處理，需要進行處理就直接發(fā)送處理。

2.2 路徑模糊控制跟蹤論域

關于農(nóng)業(yè)自動引導車的跟蹤研究更多的采取精確研究的方法，但精確數(shù)值的過程反而使控制系統(tǒng)的穩(wěn)定效果下降。因此可以嘗試使用模糊控制方式，在該理念下對農(nóng)業(yè)自動引導車移動過程進行跟蹤。將實際路徑與操作路徑進行比較，將偏差輸入計算機進行計算[7-8]?；谟嬎憬Y果設計農(nóng)業(yè)自動引導車模糊控制法。

農(nóng)業(yè)自動引導車在作業(yè)期間要按照預先設計好的路徑進行運動來完成播種中農(nóng)業(yè)操作。跟蹤路徑是只要保證自動引導車的偏差在合理范圍內(nèi)就可以滿足作業(yè)要求。與此同時要提高的是農(nóng)業(yè)自動引導車的運行穩(wěn)定性和車輛行駛速度。在第1節(jié)建立的物理模型也并不復雜，因為模糊控制方法的規(guī)則比傳統(tǒng)的控制方法更加簡單。

在路徑跟蹤過程中輸入的變量分別為路徑的距離偏差和車輛前輪傾角的角度偏差。農(nóng)業(yè)自動引導車的行駛速度和供電電機的轉(zhuǎn)動速度。模糊控制器為了保證其動態(tài)性能使用的是二維控制法，根據(jù)輸入的變量參數(shù)設計了幾種參數(shù)的模糊控制法。模糊控制法對于輸入輸出量的取值范圍有一定的要求，取值范圍根據(jù)田地為行駛道路留下的寬度和車輛的尺寸確定。田地為車輛留下的行駛距離為120 cm ，車輛的長度為行駛距離的2倍。由此得出輸入輸出量的取值范圍為 u=[-60 cm ，60 cm]，前胎傾角的取值范圍為 a=[-50°，50°]。輸出量的取值范圍為ΔU=[-3 V ，3 V]。路徑跟蹤的跟蹤論域為：

根據(jù)上述路徑跟蹤的跟蹤論域?qū)⒛：糠譃椴煌牡燃墸罁?jù)隸屬函數(shù)將7個等級量化為7個模糊子集。將偏離方向設為向左較大偏移、向左正常偏移、向左較小偏移、無偏移、向右較大偏移、向右正常偏移、向右較小偏移來表示車輛偏移的程度。同樣的方式來表達電流變化的大小。

2.3 根據(jù)跟蹤論域設定模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是車輛最后能否按照設定路徑行走的關鍵。正常的農(nóng)機駕駛員通過視覺和大腦的判斷來實現(xiàn)控制路徑偏移，農(nóng)業(yè)自動引導車的模糊控制規(guī)則的設定也可以參考該原理。農(nóng)業(yè)自動引導車是根據(jù)車輛上的攝像機對路面上特有的機器可識別標志進行捕捉來識別路徑的[9]，這一點和駕駛員用視覺識別道路的原理一致。機器收集路徑周圍的畫面和偏差也會自動進入信息庫，為后期路徑跟蹤和自動引導偏差做準備。

根據(jù)最優(yōu)控制方法選擇原則，在模糊控制規(guī)則的控制下使自動引導的各項性能達到最優(yōu)。性能指標優(yōu)化方法的目標函數(shù)為：

式中：xt 為系統(tǒng)狀態(tài)量; ut 為系統(tǒng)控制量; J 為目標函數(shù);Q 為加權矩陣;p 為常數(shù)。

在本文的設計中加權矩陣的計算數(shù)值不宜選取過大，運算量過大的加權矩陣會導致系統(tǒng)輸出量因其正向相關性一起增大。系統(tǒng)趨于飽和后抗干擾能力隨之下降。角度超調(diào)也是加權矩陣的數(shù)值選取不在合理范圍內(nèi)的不良后果，計算出的結果超過車輛實際傾角的最大限度。所以在計算加權矩陣的時候要加上約束條件，車輛在模型 xoy 坐標系中 x 方向和 y 方向的行駛最大速度以及轉(zhuǎn)彎的最大角度都需要進行限定。最優(yōu)控制規(guī)則可以得到加權矩陣的最優(yōu)序列，為了將 Q 的取值難題用更簡單的辦法解決，可以設置離散系統(tǒng)。

離散系統(tǒng)有利于模糊控制規(guī)則嵌入控制器的滾動控制。x 軸和 y 軸的最大速度是兩個獨立的數(shù)據(jù)，相互之間不受任何因素的影響[10-11]。但兩者都與跟蹤路徑的偏差大小有關，農(nóng)機沿著既定路線行走的切線速度和最大轉(zhuǎn)角慣性的速度差決定最終的距離偏差。在速度可控的情況下，選擇適合的傾角。

2.4 跟蹤器路徑優(yōu)化

常用的控制方式有 PIN 控制和結構變換控制，在控制算法中 PIN 控制因其結構簡單的優(yōu)勢被廣泛使用。在正常行駛的過程中，車輛的行駛過程的空氣阻力幾乎可以忽略不計，因此不考慮阻力所造成的偏差?？刂破髦饕紤]由于角度誤差所產(chǎn)生的偏差。農(nóng)機受到的力矩也只有角速度不滿足要求的時候才存在。農(nóng)機在既定線路上行駛，角速度越小農(nóng)機受到的力矩就越小。設定參數(shù)的時候，比例參數(shù)可以根據(jù)線性相關性進行調(diào)整，在系統(tǒng)產(chǎn)生系統(tǒng)偏差之后輸出縮小的偏差值，得出的數(shù)據(jù)是非常準確的。

農(nóng)業(yè)自動引導車在路徑跟蹤過程中，在某時刻攝像機采集到農(nóng)業(yè)自動引導車的角度偏差應該如何快速的消除偏差，可以考慮調(diào)整位姿狀態(tài)來進行偏差消除。農(nóng)業(yè)自動引導車的位姿狀態(tài)為 k[12]，設消除偏差的周期為 T，在角度偏差產(chǎn)生后的 T 周期內(nèi)，位姿狀態(tài)達到另一種狀態(tài) k+1。則此時 k+1的角度偏差無限接近于偏差最小值。3 測試實驗

為了驗證本文優(yōu)化的路徑模糊控制技術是否符合農(nóng)業(yè)自動引導車的路線偏離要求，進行對比測試實驗。將農(nóng)業(yè)春季播種常用的機器作為實驗對象，使用傳統(tǒng)技術和本文優(yōu)化后的技術同時進行路徑跟蹤實驗，最后根據(jù) GPS定位系統(tǒng)，得出實際跟蹤路徑和實驗路徑的誤差。

3.1 實驗準備

模糊控制規(guī)則并非傳統(tǒng)的線性規(guī)則，路徑偏差在誤差固定值之內(nèi)時，可以很好地執(zhí)行車輛的偏移控制規(guī)律。規(guī)則曲面圖中的上半部分和下半部分呈對稱形態(tài)。實驗對象選擇的是水稻直播機，實驗對象在進行實驗之前，首先要測試一下原本的數(shù)據(jù)，水稻直播機的初始橫向偏差為0.2 m ，在水稻田勞作的速度一般為1.0 m/s ，將其進行自動化升級改造。如圖1所示。

在傳統(tǒng)的水稻直播機上安裝障礙區(qū)識別后自動轉(zhuǎn)向裝置、適合水稻播種的速度控制裝置和 GPS定位系統(tǒng)。該定位系統(tǒng)使用的為高精密定位，最高定位精度誤差不超過5cm ，導航方向偏離誤差不超過2°。實時更新目標的動態(tài)位置。傾角傳感器的型號為 BE-VCTTY265，該傳感器不僅可以精確進行距離測量，還能預判車輛慣性帶來的誤差。使其動態(tài)測量精度和靜態(tài)測量精度都可達到0.1°傾角傳感器的作用是測量車身的俯角，根據(jù)俯角大小來修正點位數(shù)據(jù)。別看只是對車輛前輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進行了測量但是卻可以 GPS定位精度。速度控制裝置在車輛油門上加裝了電動拉線，可以通過控制觸發(fā)油門的力度來控制整輛車的速度。

3.2 實驗結果與分析

分別使用文獻中的技術和本文優(yōu)化后的技術進行水稻直播機路徑跟蹤實驗。找兩塊面積差不多大的水稻田作為實驗范圍，實驗對象形式速度控制為 v=1.2 m/s ，播種機的前輪轉(zhuǎn)角為150°，實驗為保證結果的客觀性進行多次實驗，農(nóng)機的初始偏離差控制在0.2～0.6 m 之間。沿著預先設定好的路線行駛。重復5次該實驗，實驗結果如表1所示。

農(nóng)業(yè)自動引導車在工作的過程中的路徑是從田地的一邊到另一邊的直線距離，為了將種子均勻的播種在農(nóng)田中，需要農(nóng)業(yè)自動引導車規(guī)劃出合理的路線經(jīng)過農(nóng)田的每一處角落，根據(jù)水稻的種植特點采用穿梭行走的方式，農(nóng)業(yè)自動引導車進行田間作業(yè)時候，根據(jù)該車輛的車頭寬度計算出轉(zhuǎn)彎半徑的數(shù)值。由于慣性原因，車輛轉(zhuǎn)彎比車輛直行的時候產(chǎn)生的偏差更大。橫向偏差會在車輛轉(zhuǎn)彎的瞬間增大，所以農(nóng)業(yè)自動引導車對轉(zhuǎn)彎時橫向偏差的控制時間也很重要。對比兩種方式的控制精度結果如表2所示。

傳統(tǒng)方式的路徑跟蹤精度都大于本文設計的方法，本文方法中農(nóng)業(yè)自動引導車對于車輛轉(zhuǎn)彎時候產(chǎn)生的偏差的穩(wěn)定時間為0.8～1.2 s之間，按照實驗參數(shù)設定的車輛行駛速度 v=1.2 m/s進行計算。完全可以抵消所產(chǎn)生的較大偏差。

4 結束語

本文基于自動引導車應用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的原理，建立運動學模型。根據(jù)運動模型的特征優(yōu)化現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)自動引導車的路徑模糊控制技術。通過約束最快行駛速度和前輪傾角來控制偏差。優(yōu)化后的方法具有良好的偏差糾正效果，可以克服精準控制的不確定性。研究成果可以為模糊控制技術的進步作出貢獻。但本文仍存在不足之處，后續(xù)研究需要完善基于旋轉(zhuǎn)編碼器的路徑軌跡推算導向法結合激光導引方位計算原理用于小車的自動導引，進一步研究激光導引小車的運動控制問題，解決小車實際行走時諸多因素對精度影響的問題，進一步研究檄光導引的理論和實現(xiàn)方法，并對其數(shù)據(jù)處理速度、方位計算準確性進行應證。

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第一作者簡介：劉雪蘭（1979-），女，碩士，講師，研究領域為計算機在農(nóng)業(yè)科學領域的應用。

（編輯：刁少華）