徐琪蒙，李洪文,2※，何 進(jìn)，王慶杰，盧彩云,2，王春雷

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，國(guó)家保護(hù)性耕作研究院，北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，涿州 072750）

0 引 言

播種作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，其作業(yè)效果對(duì)農(nóng)作物的豐產(chǎn)起著決定性的作用。但現(xiàn)階段機(jī)手駕駛拖拉機(jī)進(jìn)行機(jī)械化播種，仍然存在人工輔助作業(yè)、經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)誤差、土壤壓實(shí)大和油耗重等問(wèn)題[1]，尚不能完全滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求。此外，中國(guó)正面臨著快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化和人口老齡化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)力短缺和人工成本大幅度增長(zhǎng)等問(wèn)題日益突出[2]。隨著新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合，使用無(wú)人駕駛車輛、小型無(wú)人機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)，可提高作業(yè)效率、保證作業(yè)精度，解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受農(nóng)時(shí)、機(jī)手經(jīng)驗(yàn)、人工疲勞等問(wèn)題的影響，以“機(jī)器換人”促進(jìn)了無(wú)人農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，自動(dòng)控制理論與農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注的熱門研究領(lǐng)域[3-6]，針對(duì)大田農(nóng)業(yè)播種的無(wú)人化需求，發(fā)展自動(dòng)導(dǎo)引車等智能裝備，對(duì)于提高播種質(zhì)量、節(jié)省勞動(dòng)力及增加作業(yè)安全性等方面均具有重要意義。日本農(nóng)研機(jī)構(gòu)聯(lián)合北海道大學(xué)[7]采用地磁方位傳感器（Geomagnetic Direction Sensor，GDS）和圖像傳感器設(shè)計(jì)了一種無(wú)人駕駛耕種機(jī)器人 Robotra，作業(yè)效率是人工駕駛操作的 1.8倍，并根據(jù)搭載不同的農(nóng)具（翻耕機(jī)、播種機(jī)和水田攪漿機(jī)）開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的上位機(jī)操作軟件，通過(guò)遠(yuǎn)程操作和監(jiān)督順利完成小麥播種作業(yè)。美國(guó)Raven公司[8]推出了一款自走式農(nóng)用動(dòng)力平臺(tái)Omnipower，可靈活搭載播種機(jī)、噴藥機(jī)和施肥機(jī)等農(nóng)具，通過(guò)用戶手持平板電腦遠(yuǎn)程控制平臺(tái)執(zhí)行自主任務(wù)，并具備路徑規(guī)劃和自主避障能力，保證了作業(yè)精度和安全性。Lin等[9-10]設(shè)計(jì)了一種四驅(qū)全轉(zhuǎn)向的小麥精密播種機(jī)器人，基于Backstepping設(shè)計(jì)方法和滑?？刂扑枷雰?yōu)化了軌跡跟蹤控制器，提高了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在不同播種速度下，播種合格率大于93%，滿足小麥精密播種的農(nóng)藝要求。國(guó)外現(xiàn)有農(nóng)業(yè)自動(dòng)化車輛的研究雖然已經(jīng)很成熟，但是機(jī)型龐大且價(jià)格昂貴[11]，尚不能完全適應(yīng)中國(guó)小農(nóng)經(jīng)濟(jì)的分散經(jīng)營(yíng)模式；而國(guó)內(nèi)相關(guān)研究仍處于起步階段，研究對(duì)象多以末端執(zhí)行器和機(jī)械臂為主，成果多面向設(shè)施農(nóng)業(yè)場(chǎng)景。鑒于此，本研究針對(duì)大田農(nóng)業(yè)環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種自走式農(nóng)用播種移動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)中央控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)4個(gè)伺服電機(jī)和4個(gè)電動(dòng)推桿完成平臺(tái)行走和全輪轉(zhuǎn)向；基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）定位測(cè)速技術(shù)和播深控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了電控排種系統(tǒng)和播深控制系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

小麥播種移動(dòng)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由平臺(tái)梁架、小麥播種機(jī)構(gòu)、開(kāi)溝鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)、升降（懸掛）機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等部分組成。整機(jī)外形參數(shù)1 500 mm×1 000 mm×900 mm，配套功率1.6 kW，電控系統(tǒng)工作電壓24 V，電源動(dòng)力由兩塊12 V-100 A.H鉛蓄電池串聯(lián)提供，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。平臺(tái)梁架通過(guò)升降機(jī)構(gòu)對(duì)小麥播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行懸掛，升降滑塊的垂直位移變化可帶動(dòng)固定其上的小麥播種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) 3～5 cm的開(kāi)溝深度調(diào)整，當(dāng)下降至目標(biāo)播深閾值時(shí)，將自動(dòng)觸發(fā)升降機(jī)構(gòu)基座上的限位開(kāi)關(guān)，停止繼續(xù)下深?；?GNSS的電控排種系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于以智能轉(zhuǎn)速控制電機(jī)取代傳統(tǒng)地輪驅(qū)動(dòng)排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)航控制器內(nèi)置的高精度定位模塊實(shí)時(shí)測(cè)算移動(dòng)平臺(tái)的速度，進(jìn)而線性調(diào)控電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制排種量一致。電控系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為主控制器，CAN分析儀作為中繼系統(tǒng)傳輸控制信號(hào)，主控對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的指令可通過(guò)USB-CAN Tool直接進(jìn)行配置和收發(fā)，當(dāng)前監(jiān)測(cè)的通訊數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)反饋信息都將顯示在主控LCD交互顯示屏上。

表1 農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Table 1 Key technical parameters of agricultural mobile platform

1.1 行走方式

農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，用途需求多樣化，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮路面適應(yīng)性、轉(zhuǎn)向靈活性和制造成本等因素，結(jié)合目前廣泛采用的4種移動(dòng)機(jī)構(gòu)[12-13]，即：1） 輪式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，負(fù)載能力和轉(zhuǎn)向靈活性較好，但車輪與地面接觸面積小，在土壤堅(jiān)實(shí)度不足的情況下易發(fā)生沉陷和打滑；2）履帶式：具有較小的觸地壓力，在復(fù)雜路面行駛?cè)跃哂辛己玫耐ㄟ^(guò)性，但機(jī)構(gòu)體積過(guò)大制造成本較高；3 ）腿式：具有較好的路面適應(yīng)能力，但協(xié)調(diào)穩(wěn)定性較差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本過(guò)高、負(fù)載能力不強(qiáng)；4）混合式：功能全面但結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，制造成本高。綜合上述 4種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇輪式作為移動(dòng)平臺(tái)的行走方式，特別設(shè)計(jì)了一種全方位輪，車輪可按轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行全輪偏轉(zhuǎn)，在田間作業(yè)環(huán)境下具備靈活的轉(zhuǎn)向特性，甚至能完成橫移、原地回轉(zhuǎn)等動(dòng)作，極大地縮小了轉(zhuǎn)向半徑。

1.2 轉(zhuǎn)向方式

輪式移動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)向方式主要可分為鉸接式轉(zhuǎn)向、差速轉(zhuǎn)向和車輪轉(zhuǎn)向，目前廣泛采用差速轉(zhuǎn)向及車輪轉(zhuǎn)向中的二輪轉(zhuǎn)向控制方法。前者通過(guò)控制兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，操控簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但轉(zhuǎn)向半徑較大；后者通過(guò)直接控制兩驅(qū)動(dòng)輪的車輪偏角實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，可自由設(shè)計(jì)車身航向，但轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性不強(qiáng)易發(fā)生擺尾現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究提出了差速-四輪轉(zhuǎn)向耦合的轉(zhuǎn)向控制方法，相比于傳統(tǒng)單一轉(zhuǎn)向方式，該法提高了轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)響應(yīng)特性，低速行駛時(shí)能減少轉(zhuǎn)向半徑，提高轉(zhuǎn)向靈活性；高速行駛時(shí)能快速響應(yīng)航向變化且車身擺動(dòng)較小，更易控制移動(dòng)平臺(tái)的姿態(tài)。因此，在設(shè)計(jì)平臺(tái)轉(zhuǎn)向機(jī)械機(jī)構(gòu)時(shí)增加了四套車輪偏轉(zhuǎn)裝置，采用電動(dòng)推桿作為轉(zhuǎn)向執(zhí)行器使車輪按照推桿行程的變化進(jìn)行全方位轉(zhuǎn)向。在移動(dòng)平臺(tái)四驅(qū)同步性好且轉(zhuǎn)向空間充足條件下，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)角較大時(shí)，可采用差速轉(zhuǎn)向；當(dāng)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，可采用四輪轉(zhuǎn)向，由控制器直接向電動(dòng)推桿輸出參考位移，使車輪完成對(duì)應(yīng)角度偏轉(zhuǎn)。

1.3 播種方式

小麥精量播種技術(shù)是一項(xiàng)利用農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合達(dá)到有效控制播量、均勻播種的先進(jìn)栽培技術(shù)，根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求：播前地塊應(yīng)保證良好的墑情，且地表平整，土壤疏松、細(xì)碎，在整地后沒(méi)有漏耕；要求播種機(jī)播量應(yīng)能在45～90 kg/hm2可調(diào)，播種量不大于135 kg/hm2，各行播量均勻性系數(shù)＜ 3%，播種深度合格率≥80%。本研究設(shè)計(jì)了基于 GNSS的電控排種系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于以智能轉(zhuǎn)速控制電機(jī)取代傳統(tǒng)地輪驅(qū)動(dòng)排種，由衛(wèi)星天線實(shí)時(shí)獲取移動(dòng)平臺(tái)速度，并通過(guò)導(dǎo)航控制器同步調(diào)整轉(zhuǎn)速控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，從而精確控制排種量。作業(yè)前，用戶可在導(dǎo)航控制器的人機(jī)交互顯示屏上輸入播種量及作業(yè)參數(shù)，經(jīng)控制器線性調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速與平臺(tái)速度之間的變化，自動(dòng)輸出合理轉(zhuǎn)速對(duì)排量進(jìn)行調(diào)節(jié)；作業(yè)結(jié)束后，系統(tǒng)識(shí)別平臺(tái)速度降為零，立即停止排種，小麥播種機(jī)構(gòu)經(jīng)升降結(jié)構(gòu)提至限位開(kāi)關(guān)識(shí)別范圍內(nèi)，判斷開(kāi)溝器已離開(kāi)土壤表面，停止提升并結(jié)束作業(yè)。

2 關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 驅(qū)動(dòng)原理

常用的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)[14]，考慮能源清潔性、密封性和搭載方案可行性，本研究選擇電驅(qū)動(dòng)作為移動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)車輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。伺服電機(jī)啟動(dòng)后，輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器降速的同時(shí)增大輸出扭矩，并通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)車輪輪轂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)使移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退動(dòng)作。鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)布置與相鄰機(jī)械機(jī)構(gòu)互不干涉，同時(shí)為避免出現(xiàn)鏈傳動(dòng)多邊形效應(yīng)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比i=1，鏈條張緊程度可根據(jù)電機(jī)固定座上、下兩支撐板之間的相對(duì)位移進(jìn)行調(diào)整。

驅(qū)動(dòng)輪數(shù)量的設(shè)置按照目前廣泛采用的兩輪驅(qū)動(dòng)、四輪驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行選擇，前者成本低、操控性好，但易造成轉(zhuǎn)向不足；后者越野性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，但油耗大。綜合對(duì)比兩種驅(qū)動(dòng)模式，四輪驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)勢(shì)：1)通過(guò)性強(qiáng)。農(nóng)田行駛過(guò)程中當(dāng)某個(gè)驅(qū)動(dòng)輪出現(xiàn)打滑，其余 3個(gè)驅(qū)動(dòng)輪仍能保證車輛繼續(xù)行駛，避免因驅(qū)動(dòng)力不足導(dǎo)致打滑后深陷；2)安全性高。前驅(qū)車容易轉(zhuǎn)向不足，后驅(qū)車容易轉(zhuǎn)向過(guò)度，而四驅(qū)車能穩(wěn)定地使車輛轉(zhuǎn)向保持中性，提高轉(zhuǎn)向能力，保障轉(zhuǎn)彎行駛的安全性。因此，選擇四輪驅(qū)動(dòng)作為農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)模式。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算

輪式移動(dòng)平臺(tái)在田間行走時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動(dòng)系至驅(qū)動(dòng)輪，地面對(duì)輪胎產(chǎn)生一個(gè)促使平臺(tái)前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力Ft，同時(shí)輪胎又受到土壤接觸面產(chǎn)生的反向阻力，根據(jù)驅(qū)動(dòng)輪的行駛原理分析平臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)理（如圖3）。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)勻速平穩(wěn)行駛時(shí)，作用在平臺(tái)上的阻力總和應(yīng)與行駛驅(qū)動(dòng)力Ft平衡，即滿足式（1）；同時(shí)為保證車輪不發(fā)生滑轉(zhuǎn)，地面對(duì)移動(dòng)平臺(tái)法向作用力的極限值Z與附著系數(shù)φ的乘積不小于行駛驅(qū)動(dòng)力Ft，即滿足式 （2）。

移動(dòng)平臺(tái)田間作業(yè)速度不高，迎風(fēng)面積較小，可以忽略空氣阻力的影響。滾動(dòng)阻力、坡度阻力和加速阻力的計(jì)算公式如式（3）。

式中f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；m為平臺(tái)質(zhì)量，kg；a為行駛加速度，m/s2。輪式農(nóng)業(yè)機(jī)械在旱地工作時(shí)滾動(dòng)阻力系數(shù)可取0.05～0.1，平臺(tái)質(zhì)量由表1可得為300 kg，由于平臺(tái)實(shí)際作業(yè)時(shí)勻速穩(wěn)定行駛，因此加速度可忽略不計(jì)。根據(jù)《中華人民共和國(guó)水土保持法》規(guī)定禁止在 25°以上陡坡地開(kāi)墾種植農(nóng)作物，因此取α≤25°。對(duì)驅(qū)動(dòng)前輪與地面接觸點(diǎn)處取力矩，計(jì)算地面對(duì)前輪的法向反作用力Fz1，如式（4），并將結(jié)果與附著系數(shù)φ相乘求得驅(qū)動(dòng)前輪與地面的附著力，當(dāng)附著力為零時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)將無(wú)法爬坡。此時(shí)，根據(jù)式（5）可分析移動(dòng)平臺(tái)的爬坡能力與h和L2的關(guān)系，因此為提升移動(dòng)平臺(tái)的爬坡能力，控制重心高度適當(dāng)下降或增加平臺(tái)重心至后輪的距離。

農(nóng)業(yè)播種平臺(tái)實(shí)際作業(yè)還需考慮土壤反作用于開(kāi)溝器產(chǎn)生的開(kāi)溝阻力Fs。小麥播種機(jī)構(gòu)采用D=300 mm的雙圓盤(pán)開(kāi)溝器[15]，試驗(yàn)最大開(kāi)溝深度H=50 mm，根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]可知，平均作業(yè)阻力為13～20 N/cm，由式（6）計(jì)算移動(dòng)平臺(tái)播種時(shí)所受阻力總和，并根據(jù)式（7）計(jì)算整機(jī)消耗總功率。

式中∑F為行駛阻力總和，N；Fs為開(kāi)溝阻力，N；P為整機(jī)功率，kW；v為行駛速度，m/s；λ為傳動(dòng)系機(jī)械效率。假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)速度v=1 m/s，機(jī)械傳動(dòng)效率為98%。選擇電機(jī)型號(hào) DSEM-V242030，主要參數(shù)如表2所示；減速機(jī)配備APE80，減速比30；驅(qū)動(dòng)器選擇ARES8020，配備2 500線增量編碼器。

表2 伺服電機(jī)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of servo motor

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 轉(zhuǎn)向原理

農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)車輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖4所示。電動(dòng)推桿內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿做水平方向的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架將運(yùn)動(dòng)變?yōu)槔@回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)的周向運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向架上端通過(guò)帶座軸承與回轉(zhuǎn)軸固定，下端與車輪輪轂連接。該種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，在不平整的農(nóng)田環(huán)境下也具備良好的通過(guò)能力和轉(zhuǎn)向能力。全輪精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)彎半徑，甚至無(wú)需轉(zhuǎn)彎半徑，做出原地轉(zhuǎn)向動(dòng)作。

2.2.2 電動(dòng)推桿選型

電動(dòng)推桿選型時(shí)應(yīng)依據(jù)推桿速度、推力和有效導(dǎo)程等參數(shù)決定。電動(dòng)推桿的推力大小主要取決于農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)田間作業(yè)時(shí)每個(gè)車輪輪胎與土壤接觸的阻力，推桿導(dǎo)程的選擇取決于每個(gè)車輪在不發(fā)生機(jī)械干涉前提下車輪轉(zhuǎn)向角的閾值。選擇常州路易電動(dòng)推桿公司BMXL小推桿系列（帶編碼器）作為平臺(tái)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的執(zhí)行器，由車載電源提供的工作電壓確定推桿電壓為24 V，并根據(jù)車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)不發(fā)生機(jī)械干涉的最小安裝距離確定電動(dòng)推桿的導(dǎo)程為250 mm，因此選定電動(dòng)推桿型號(hào)為BMXL250。將導(dǎo)程參數(shù)分別代入式（8）和式（9），可得推桿線速度為12 mm/s，推桿推力為1000 N。該電動(dòng)推桿采用雙通道AB相增量式磁編碼器，絲桿轉(zhuǎn)一圈為16脈沖。編碼器脈沖信號(hào)由單片機(jī)采集，通過(guò)PWM控制電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)，從而精確控制推桿伸縮行程數(shù)據(jù)。

式中l(wèi)為導(dǎo)程，mm；na為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；va為推桿線速度，mm/s；F為電動(dòng)推桿推力，kN；T為電機(jī)扭矩，N·m；Ra為減速比；η為綜合傳動(dòng)效率。

3 農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)是移動(dòng)平臺(tái)完成任務(wù)的重要前提，該農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)總體控制系統(tǒng)如圖5所示。整體結(jié)構(gòu)主要由檢測(cè)單元、控制單元、執(zhí)行單元及監(jiān)測(cè)單元4部分組成。1）檢測(cè)單元主要包括角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和推桿編碼器，負(fù)責(zé)獲取、產(chǎn)生、輸出農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)的狀態(tài)信息，并將檢測(cè)信號(hào)反饋給控制單元；2）控制單元主要包括單片機(jī)控制器、CM40L播深控制器、導(dǎo)航控制器，負(fù)責(zé)運(yùn)算、處理、判斷各種傳感器輸入信息，并向執(zhí)行器發(fā)送控制信號(hào)；3）執(zhí)行單元主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電動(dòng)推桿，負(fù)責(zé)輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)推桿行程信息，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的行走和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制；4）監(jiān)測(cè)單元主要包括USB-CAN Tool軟件和單片機(jī)LCD液晶人機(jī)交互顯示屏，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、反饋移動(dòng)平臺(tái)當(dāng)前狀態(tài)至控制單元。

3.2 單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)采用 STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的主控制器，以CAN總線技術(shù)向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)四輪同步行走和差速轉(zhuǎn)向功能。CAN分析儀作為中繼系統(tǒng)傳輸控制信息，可以利用 USB-CAN Tool工具軟件直接進(jìn)行CAN總線的配置、發(fā)送和接收，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主控對(duì)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送的指令，當(dāng)前通訊數(shù)據(jù)和驅(qū)動(dòng)反饋信息均可顯示在單片機(jī)LCD人機(jī)交互觸摸屏上。

單片機(jī)作為連接上位機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要中樞，在本研究中主要功能是控制伺服電機(jī)和電動(dòng)推桿的運(yùn)動(dòng)，并在平臺(tái)行駛過(guò)程中獲取轉(zhuǎn)角信息和速度信息，主要包括4個(gè)模塊：1）信息交互模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)RS485通訊串口與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交互，并通過(guò)CAN總線與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，即通過(guò)單片機(jī)串口的收斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)信息流傳遞；2）數(shù)據(jù)采集模塊?？蓪?shí)時(shí)獲取角度傳感器和速度傳感器的作業(yè)數(shù)據(jù)，具備采集、顯示與反饋等功能；3）運(yùn)動(dòng)執(zhí)行模塊。該模塊主要作用于伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電動(dòng)推桿，其一功能是將目標(biāo)速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的報(bào)文指令，其二功能是將目標(biāo)轉(zhuǎn)角信號(hào)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)推桿的行程量數(shù)據(jù)；4）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊主要針對(duì) 4臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的初始化和運(yùn)動(dòng)控制[17]，在速度模式設(shè)定下由CAN總線向4臺(tái)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送速度指令，使電機(jī)按目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

基于 STM 32單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了移動(dòng)平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)模塊，采用 PID控制算法協(xié)調(diào)各車輪在行駛和轉(zhuǎn)向時(shí)的速度和轉(zhuǎn)角，控制信號(hào)由CAN總線發(fā)送給伺服電機(jī)控制器和執(zhí)行器。采用CAN總線目的是為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)控制部件的智能化和控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，并為以后的功能拓展留有足夠余地。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)指定路徑按照T型加速策略進(jìn)行速度控制，運(yùn)動(dòng)過(guò)程采用PID算法調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速以達(dá)到平臺(tái)整體穩(wěn)定。搭配完善的上位機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件 Motion Studio，可對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)控制，并通過(guò)示波器顯示電機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)時(shí)生成的速度、位置、電流等波形曲線，支持?jǐn)?shù)據(jù)、波形文件的存儲(chǔ)和導(dǎo)出。

3.4 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

3.4.1 轉(zhuǎn)向模型

假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)車輪運(yùn)動(dòng)時(shí)與地面接觸為純滾動(dòng)而無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向時(shí)后輪也配合前輪做一定角度的偏轉(zhuǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)向更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎半徑也更小。平臺(tái)高速轉(zhuǎn)向時(shí)，前后輪同向偏轉(zhuǎn)易發(fā)生側(cè)滑，因此確定前后輪互為反向偏轉(zhuǎn)，且內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角比外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角大。平面內(nèi)二自由度反向四輪轉(zhuǎn)向模型如圖6所示。

該模型滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理，轉(zhuǎn)向時(shí)四輪圍繞同一中心點(diǎn)作純滾動(dòng)圓周運(yùn)動(dòng)[18-20]。轉(zhuǎn)向中心位于車身轉(zhuǎn)向一側(cè)，四輪面向轉(zhuǎn)彎中心且軸心線互為相交，通過(guò)同一瞬心軸線，投影為O′點(diǎn)。水平投影面內(nèi)，車身繞瞬心O′點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑R隨偏轉(zhuǎn)程度變化，四車輪轉(zhuǎn)向角的表達(dá)關(guān)系如式（10）。

當(dāng)αA = αB時(shí)，內(nèi)側(cè)的前、后輪偏轉(zhuǎn)角大小相同、方向相反，且運(yùn)動(dòng)軌跡相同；當(dāng)αC = αD時(shí)，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪亦同理。該模式下平臺(tái)全方位轉(zhuǎn)向效果最佳。簡(jiǎn)化圖6為二輪模型，以前輪為例，研究同一水平軸線上不同側(cè)車輪的偏轉(zhuǎn)角關(guān)系如式（11），其中W為已知參數(shù)，代入得前輪到瞬心的水平距離L1，以及內(nèi)側(cè)車輪到瞬心的距離d，如式（12）所示。

計(jì)算平臺(tái)前輪線速度與偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，如式 （13）所示。同理后輪線速度與同側(cè)前輪的大小相同。

式中VA和VD表示車輪線速度，m/s；ω為平臺(tái)轉(zhuǎn)向角速度，rad/s。

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)行至地頭時(shí)，行駛速度降低，為保證在非作業(yè)區(qū)完成準(zhǔn)確的鄰接行距、較小的轉(zhuǎn)彎半徑以及靈活的轉(zhuǎn)向操控，可采用前后輪同向偏轉(zhuǎn)的四輪轉(zhuǎn)向方式，即蟹形轉(zhuǎn)向[21]。該轉(zhuǎn)向方式下各輪的偏轉(zhuǎn)角度相同，即αA=αB=αC=αD，靈活操縱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)側(cè)向運(yùn)動(dòng)，甚至橫向運(yùn)動(dòng)，能有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，縮短轉(zhuǎn)向時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑較大時(shí)，各車輪轉(zhuǎn)角等于轉(zhuǎn)向控制器命令轉(zhuǎn)角，此時(shí)由前輪驅(qū)動(dòng)方式完成小角度的轉(zhuǎn)向任務(wù)[22-24]。

3.4.2 轉(zhuǎn)向策略

轉(zhuǎn)向時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)采用差速轉(zhuǎn)向和電動(dòng)推桿轉(zhuǎn)向兩種方式。差速轉(zhuǎn)向時(shí)，兩差速輪之間的驅(qū)動(dòng)器通過(guò)CAN總線聯(lián)網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制功能；控制器軌跡規(guī)劃采用 PVT（Position，Velocity，Time，縮寫(xiě)為 PVT）軌跡模式實(shí)現(xiàn)兩輪插補(bǔ)，該模式控制精度更高，兩輪同步性更好?？刂破鲗?duì)于差速輪的控制可采用位置控制和速度控制兩種模式：1）速度模式下，控制器可在每個(gè) PVT點(diǎn)根據(jù)兩輪實(shí)際速度進(jìn)行速度補(bǔ)償，使兩輪速度保持一致，從而對(duì)前進(jìn)方向的偏移進(jìn)行糾正；2）位置模式下，可直接指定平臺(tái)前進(jìn)坐標(biāo)，控制器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃并走到指定坐標(biāo)，另外也可指定拐彎半徑和弧度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中拐彎。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用了速度環(huán)前饋的控制模式，能提供較好的動(dòng)態(tài)性能，加大慣量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，最終將速度誤差穩(wěn)定時(shí)間控制在較優(yōu)水平。

電動(dòng)推桿轉(zhuǎn)向時(shí)，通過(guò)PWM控制推桿電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)。單片機(jī)采集推桿編碼器（霍爾傳感器）的脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)推桿電機(jī)轉(zhuǎn)角，并通過(guò)電動(dòng)推桿內(nèi)部換向裝置將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為推桿的直線運(yùn)動(dòng)，并基于圖4設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，將推桿行程變化量經(jīng)獨(dú)立車輪轉(zhuǎn)向架變?yōu)檐囕喥亲兓??？刂破髀窂揭?guī)劃的角度偏差可在兩種轉(zhuǎn)向方式間切換最優(yōu)方案，并由霍爾傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。移動(dòng)平臺(tái)路徑跟蹤控制多采用PID控制方法，其具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)、算法參數(shù)簡(jiǎn)明等優(yōu)點(diǎn)；但是在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)非線性的變化，以及超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間矛盾的問(wèn)題[25]，農(nóng)業(yè)移動(dòng)平臺(tái)路徑跟蹤控制為非線性控制，且工作環(huán)境信號(hào)擾動(dòng)較大，鑒于上述問(wèn)題本文采用模糊控制算法[26-28]，該算法對(duì)模型精度要求不高且對(duì)誤差不敏感。設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)量決策的模糊控制器原理如圖7所示，輸入量為移動(dòng)平臺(tái)與目標(biāo)路徑之間的橫向偏差Δe和航向偏差Δφ，輸出量為電動(dòng)推桿電機(jī)轉(zhuǎn)角值u，設(shè)定平臺(tái)前進(jìn)方向左側(cè)為負(fù)，右側(cè)為正，橫向偏差Δe量化等級(jí)為{ -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}，航向偏差Δφ量化等級(jí)為{-15, -10, -5, 0, 5, 10, 15}，電機(jī)轉(zhuǎn)角u量化等級(jí)為{-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}，模糊語(yǔ)言值均為{NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）}，建立模糊控制規(guī)則庫(kù)如表3所示。最終求出電機(jī)轉(zhuǎn)角的精確解，并將其發(fā)送至單片機(jī)控制車輪的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

表3 模糊控制器規(guī)則表Table 3 Table for fuzzy control rules

4 GNSS電控排種系統(tǒng)

智能精播系統(tǒng)主要由導(dǎo)航控制器、衛(wèi)星天線、限位開(kāi)關(guān)和智能轉(zhuǎn)速控制電機(jī)等組成。高精度定位模塊內(nèi)置北斗/GPS/GLONASS三系統(tǒng)單頻定位，可根據(jù)衛(wèi)星天線接收的信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)算平臺(tái)的速度信息。作業(yè)時(shí)只需在人機(jī)交互顯示屏上輸入目標(biāo)播種量，控制器即可自動(dòng)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，且能根據(jù)不同作業(yè)需求設(shè)定不同轉(zhuǎn)速比例。智能轉(zhuǎn)速控制電機(jī)取代了播種機(jī)構(gòu)原先地輪驅(qū)動(dòng)裝置，固定在種箱驅(qū)動(dòng)裝置位附近的梁架上，并通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種。限位開(kāi)關(guān)固定在升降機(jī)構(gòu)的基座上，播種時(shí)不會(huì)接觸發(fā)開(kāi)關(guān)；但上升離開(kāi)地面后能夠準(zhǔn)確觸發(fā)限位開(kāi)關(guān)，立即停止排種。人機(jī)交互顯示屏能動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前行駛速度和系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)異常時(shí)，蜂鳴器會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟報(bào)警功能。

4.1 排量精準(zhǔn)控制

播種移動(dòng)平臺(tái)采用外槽輪排種器進(jìn)行小麥條播，3個(gè)排種器間的播種行距設(shè)定為 150 mm，根據(jù) JB/T 9783—1999G給出的外槽輪排種器排種性能指標(biāo)，計(jì)算排種器平均排量。手動(dòng)調(diào)節(jié)排種軸使小麥排種器至最大下種量，模擬實(shí)際排種轉(zhuǎn)速0.6 rad/s旋轉(zhuǎn)排種軸分別測(cè)定10、20、30次排量，每組測(cè)試重復(fù)3次，然后摘取導(dǎo)種管出口端的集種袋，對(duì)袋內(nèi)種子質(zhì)量進(jìn)行稱取，經(jīng)計(jì)算確定該外槽輪排種器平均排量為13 g。

由于傳統(tǒng)小麥條播種距不均勻，播行內(nèi)種子重疊擁擠，易出現(xiàn)欺苗現(xiàn)象。因此，本研究采用 GNSS電控排種系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)播種作業(yè)中的實(shí)時(shí)排量，即使平臺(tái)行駛速度發(fā)生改變，排種電機(jī)也能自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速控制小麥排量。系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)計(jì)算模式：一種是根據(jù)排種量計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，另一種是根據(jù)排種間距計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。每轉(zhuǎn)排種量的設(shè)置需要實(shí)際稱量，稱量時(shí)將排種器的排種量調(diào)節(jié)至最大，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)排種齒轉(zhuǎn)軸，多次取樣獲得平均排種量；每公頃排種量則根據(jù)用戶需求設(shè)定。作業(yè)時(shí)，排種量隨平臺(tái)行駛速度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)。電機(jī)轉(zhuǎn)速九級(jí)可調(diào)，保證單位面積內(nèi)的排種量均勻，減少重播率和漏播率。

4.2 播深精準(zhǔn)控制

采用直線升降導(dǎo)軌代替?zhèn)鹘y(tǒng)吊臂控制小麥播種機(jī)構(gòu)的離地高度，圓盤(pán)開(kāi)溝器隨之開(kāi)出不同深度的種溝。主控制器 CM35D通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角控制滑塊沿著絲杠導(dǎo)軌進(jìn)行垂直升降運(yùn)動(dòng)，同時(shí)滑塊與小麥播種機(jī)構(gòu)的梁架固定，從而實(shí)現(xiàn)小麥播種深度的準(zhǔn)確控制，保證雙圓盤(pán)開(kāi)溝器均勻開(kāi)出30～50 mm的種溝。

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 四輪驅(qū)動(dòng)控制測(cè)試

5.1.1 測(cè)試方法

為驗(yàn)證移動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)行駛時(shí)的控制效果，需測(cè)試車輪實(shí)際轉(zhuǎn)速，分析四輪同步驅(qū)動(dòng)的控制精度。根據(jù)參考文獻(xiàn)[29-32]，多電機(jī)同步控制研究，本試驗(yàn)主要測(cè)定四驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)在負(fù)載擾動(dòng)下的穩(wěn)定性及電機(jī)間實(shí)際轉(zhuǎn)速同步性，分析平臺(tái)在直線行駛時(shí)的控制效果。平臺(tái)行駛過(guò)程中搭載上位機(jī) PC同步監(jiān)測(cè)伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速誤差，通過(guò)RS485串口通訊實(shí)現(xiàn)PC與伺服電機(jī)編碼器之間的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)電機(jī)空載預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果參考，設(shè)定測(cè)試轉(zhuǎn)速分別為0.6、0.8、1.0 rad/s 3個(gè)檔位，行駛方向?yàn)槠脚_(tái)開(kāi)溝器實(shí)際播種方向。

5.1.2 測(cè)試結(jié)果及分析

總在不同檔速下的測(cè)試過(guò)程中，四臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)、行駛流暢，鏈傳動(dòng)準(zhǔn)確可靠均未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，根據(jù)車輪行駛軌跡測(cè)量移動(dòng)平臺(tái)與目標(biāo)路徑之間的橫向偏差最大值為2.2 cm。上位機(jī)調(diào)控軟件MotionStutio可隨車監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)示波器功能對(duì)實(shí)際速度值、目標(biāo)速度值以及速度誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。將測(cè)試中采集的實(shí)際轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，分析跟蹤速度誤差變化及電機(jī)同步速度誤差ε12、ε23、ε34、ε41。轉(zhuǎn)速控制過(guò)程響應(yīng)曲線如圖8所示。由圖中驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線可知，平臺(tái)運(yùn)行啟動(dòng)時(shí)間約為3 s，此時(shí)間用于填充發(fā)送緩沖區(qū)，在驅(qū)動(dòng)控制程序中以延時(shí)函數(shù)的形式被設(shè)置在電機(jī)使能程序之前，用于校驗(yàn)通訊命令的返回代碼，若返回命令與通信命令相同，則表示通訊成功，繼而進(jìn)入電機(jī)使能階段。電機(jī)獲得速度指令后，實(shí)際轉(zhuǎn)速約在2.6 s后趨于目標(biāo)轉(zhuǎn)速并逐漸穩(wěn)定，但由于電機(jī)自身轉(zhuǎn)差率的存在，實(shí)際轉(zhuǎn)速曲線會(huì)圍繞目標(biāo)轉(zhuǎn)速值上下波動(dòng)，但基本處于穩(wěn)定控制狀態(tài)，表明電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后響應(yīng)速度快、靈敏度高，且轉(zhuǎn)速誤差較小基本滿足設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速要求。

多電機(jī)協(xié)同控制策略的優(yōu)劣，由同步速度誤差這一評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)衡量，用以反映電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差，誤差值越小，電機(jī)的同步性能越好[31]。電機(jī)之間的同步速度誤差關(guān)系如式（14）所示，以運(yùn)行時(shí)間為變量，動(dòng)態(tài)地反映某一時(shí)刻相互兩臺(tái)電機(jī)之間的實(shí)際轉(zhuǎn)速差，衡量?jī)烧咧g的速度一致性。由圖8可知，任意兩臺(tái)電機(jī)之間的同步誤差在 0值附近往復(fù)波動(dòng)，并穩(wěn)步趨于轉(zhuǎn)速同步。測(cè)試結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可在負(fù)載擾動(dòng)下快速趨于穩(wěn)定，且四臺(tái)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具備較好的速度一致性，同時(shí)平臺(tái)具有較強(qiáng)的抗干擾能力和較好的同步性。

式中，ε12、ε23、ε34、ε41表示兩臺(tái)電機(jī)之間的同步速度誤差，r/min；ωi（i=1,2,3,4）表示第i臺(tái)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min。

5.2 電動(dòng)推桿轉(zhuǎn)向控制測(cè)試

5.2.1 測(cè)試方法

移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性影響著實(shí)際播種作業(yè)的對(duì)行效果和轉(zhuǎn)彎半徑，因此需驗(yàn)證電動(dòng)推桿轉(zhuǎn)向方式下的控制精度，對(duì)轉(zhuǎn)向輪的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。通過(guò)STM32單片機(jī)向電動(dòng)推桿的編碼器發(fā)送脈沖信號(hào)，控制推桿行程量，以此調(diào)節(jié)車輪的轉(zhuǎn)角?；跍y(cè)速試驗(yàn)過(guò)程，在上位機(jī)串口控制軟件內(nèi)分別設(shè)定不同的角度值，通過(guò)多次測(cè)量實(shí)際反饋數(shù)據(jù)并求取轉(zhuǎn)角平均值，分析實(shí)際轉(zhuǎn)角的控制精度[33]。

5.2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

轉(zhuǎn)向輪電動(dòng)推桿的最大推力為1 000 N，沿順時(shí)針、逆時(shí)針?lè)较蜃畲笮谐叹鶠?25 mm，在轉(zhuǎn)向控制過(guò)程中絲桿以12 mm/s的推速帶動(dòng)車輪偏轉(zhuǎn)，行程至單側(cè)轉(zhuǎn)角閾值所需最長(zhǎng)時(shí)間為10.4 s。由表4分析可得，電動(dòng)推桿控制車輪在實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)向測(cè)試過(guò)程中，轉(zhuǎn)向控制的最大平均絕對(duì)誤差μ=0.77°，最大標(biāo)準(zhǔn)差約為 5°，轉(zhuǎn)角的絕對(duì)誤差值基本滿足轉(zhuǎn)向目標(biāo)控制要求。但隨著目標(biāo)轉(zhuǎn)角逐漸增大，從標(biāo)準(zhǔn)差的變化來(lái)看，轉(zhuǎn)向控制穩(wěn)定性卻相對(duì)減弱。當(dāng)轉(zhuǎn)向角度較小時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差σ＜ 0.5°，滿足車輪在小角度轉(zhuǎn)向要求時(shí)的控制精度；當(dāng)轉(zhuǎn)向角度設(shè)定較大時(shí)，雖然絕對(duì)誤差仍不大于1°，但是控制穩(wěn)定性明顯不強(qiáng)。因此，在車輪轉(zhuǎn)向角度較小的情況下，由主控制器發(fā)送的轉(zhuǎn)角指令可直接轉(zhuǎn)化為電動(dòng)推桿的位移量輸出，使轉(zhuǎn)向車輪以給定目標(biāo)角度隨動(dòng)。該電動(dòng)推桿轉(zhuǎn)向控制方式能在差速轉(zhuǎn)向方式的基礎(chǔ)上提高轉(zhuǎn)向控制精度，閉環(huán)控制響應(yīng)穩(wěn)定可靠。

表4 車輪轉(zhuǎn)角控制試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of wheel deflection angle control

5.3 排量穩(wěn)定性與播深穩(wěn)定性試驗(yàn)

5.3.1 試驗(yàn)條件及設(shè)備

為檢測(cè) GNSS電控排種系統(tǒng)和播深控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，于河北涿州保護(hù)性耕作試驗(yàn)田開(kāi)展小麥排種量和播種深度控制試驗(yàn)。試驗(yàn)地塊具有較好的土壤堅(jiān)實(shí)度，能可靠地承載該移動(dòng)平臺(tái)在田間順利行駛，保證車輪不會(huì)深陷土壤原地打滑，土壤表面混有少量秸稈殘茬，田間試驗(yàn)情況如圖9所示。小麥試驗(yàn)品種選用煙農(nóng)19，千粒質(zhì)量約 40 g，麥粒尺寸形態(tài)近似橢圓體，基本符合正態(tài)分布；小麥排量稱量設(shè)備采用 OHAUS公司ARA520型電子天平，稱量范圍0～1 500 g，精度0.01 g；播深測(cè)量尺精度0.1 cm。

5.3.2 試驗(yàn)方法

小麥排種量控制試驗(yàn)以排量穩(wěn)定性變異系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)。進(jìn)行排種試驗(yàn)前，首先在 GNSS電控排種系統(tǒng)的人機(jī)交互屏上配置本次作業(yè)參數(shù)，分別設(shè)置每轉(zhuǎn)下種量、每公頃下種量、幅寬和傳動(dòng)比等，系統(tǒng)根據(jù)下種質(zhì)量自動(dòng)配置智能轉(zhuǎn)速控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)定下種量為206.25 kg/hm2，幅寬0.5 m。系統(tǒng)啟動(dòng)后約30 s接入GNSS衛(wèi)星定位信號(hào)，并在人機(jī)交互界面顯示當(dāng)前行駛速度。根據(jù)5.1.1設(shè)定的驅(qū)動(dòng)電機(jī)三檔轉(zhuǎn)速，將其對(duì)應(yīng)換算為移動(dòng)平臺(tái)的行駛速度0.7、1、1.2 r/min進(jìn)行排量試驗(yàn)，行駛距離均為5 m，每組重復(fù)3次。每次排種試驗(yàn)結(jié)束后，將各行種管所對(duì)應(yīng)的集種袋依次取下并進(jìn)行稱量。

小麥播種深度控制試驗(yàn)以播種深度合格率和播深穩(wěn)定性系數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)。進(jìn)入田間作業(yè)前，通過(guò)人機(jī)交互控制器 CM35D向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，控制絲杠滑塊行程變化從而帶動(dòng)小麥播種機(jī)構(gòu)整體下降 40 mm，保證雙圓盤(pán)開(kāi)溝器開(kāi)出對(duì)應(yīng)土壤溝深。試驗(yàn)以1 m/s行駛速度在田間完成兩次往復(fù)的直線對(duì)行播種，對(duì)測(cè)定地塊沿對(duì)角線等距離隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)區(qū)寬度為1個(gè)工作幅寬，長(zhǎng)度為5 m，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置應(yīng)避開(kāi)地頭和邊緣，以耕后地表為基準(zhǔn)測(cè)定播種深度，并根據(jù)式（15）計(jì)算試驗(yàn)指標(biāo)。

式中X1為播種深度合格點(diǎn)數(shù)；X0為測(cè)定總點(diǎn)數(shù)；A為播種深度合格率，%；Xi為測(cè)量點(diǎn)i的播種深度，mm；X為平均播種深度，mm；N為測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)；S為測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差；V為播種深度變異系數(shù)，%；播種深度穩(wěn)定性系數(shù)U=1-V。

5.3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

排種量控制試驗(yàn)過(guò)程中，GNSS電控排種系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，排種響應(yīng)時(shí)間短，測(cè)試結(jié)果如表5所示。智能轉(zhuǎn)速控制電機(jī)帶動(dòng)排種軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速的不同會(huì)影響排種量，從而對(duì)排種精度造成影響，隨著移動(dòng)平臺(tái)行駛速度的增加，相同行駛距離內(nèi)排種量也越大，排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不斷減小。根據(jù)JB/T 9783—1999《播種機(jī)外槽輪排種器》要求用于小麥播種的外槽輪排種器的排量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤1.8%，本試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范性能指標(biāo)要求，各行排量一致性較好，電控排種控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

表5 排量穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of sowing quantity stability

播種深度控制試驗(yàn)過(guò)程中，觀察土壤開(kāi)溝播種痕跡，溝內(nèi)種子呈連續(xù)分布狀態(tài)，種粒無(wú)明顯堆疊，播行均勻無(wú)斷條現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果如表6所示。通過(guò)分析可知，設(shè)定播種深度為40 mm時(shí)，在不同的測(cè)區(qū)之間測(cè)量最大播深平均值為44.2 mm，最小播深平均值為37.7 mm，實(shí)際播深的誤差絕對(duì)值不大于10 mm，播深合格率≥90%。根據(jù)NY/T 996—2006《小麥精少量播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)中播種深度合格率≥80%的要求，滿足小麥播種深度性能指標(biāo)。綜合試驗(yàn)表明，實(shí)際播種深度雖有波動(dòng)，但穩(wěn)定在一個(gè)變化范圍內(nèi)，以播種深度40 mm為試驗(yàn)，播深變異系數(shù)不大于11%，播深控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)≥89%，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的 80%。測(cè)試系統(tǒng)控制精度較高，能滿足機(jī)器人在田間自走作業(yè)時(shí)對(duì)播種深度穩(wěn)定性的要求，具有可靠的播種控制效果。

表6 播種深度穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of sowing depth stability

6 結(jié) 論

1）通過(guò) CAN總線分布式控制完成上位機(jī)軟件、主控制器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的指令傳輸，采用 PID調(diào)速算法保證四輪電機(jī)協(xié)同性和穩(wěn)定性，完成移動(dòng)平臺(tái)直行控制、速度調(diào)節(jié)、差速轉(zhuǎn)向等功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走。該農(nóng)業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，通過(guò)上位機(jī)設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，四輪可快速趨于目標(biāo)轉(zhuǎn)速且同步性較好，機(jī)器人車身偏航距離誤差小于 2.2 cm，保證了行駛直線度以及四輪同步驅(qū)動(dòng)的協(xié)同性、穩(wěn)定性。

2）采用GNSS高精度定位模塊實(shí)時(shí)獲取播種移動(dòng)平臺(tái)的行駛速度，并線性調(diào)控排種軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)小麥排量的自動(dòng)、精準(zhǔn)控制，小麥排種連續(xù)穩(wěn)定，排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于1.80%，滿足0.7～1.2 r/min行駛速度下排量穩(wěn)定性要求；通過(guò)控制絲杠導(dǎo)軌懸掛機(jī)構(gòu)的下降運(yùn)動(dòng)使圓盤(pán)開(kāi)溝器準(zhǔn)確開(kāi)出40 mm的土壤溝深，實(shí)際播深的誤差絕對(duì)值小于 10 mm，播深穩(wěn)定性系數(shù)≥89%，滿足播種深度的精準(zhǔn)控制要求。

3）結(jié)合對(duì)角差速與電動(dòng)推桿結(jié)合的轉(zhuǎn)向控制方法，能夠在不平整的土壤條件下保持良好通過(guò)能力和轉(zhuǎn)向能力。當(dāng)轉(zhuǎn)角較大時(shí)，采用差速轉(zhuǎn)向控制方法，主控制器分別設(shè)置差速電機(jī)轉(zhuǎn)向速度，并通過(guò)CAN總線將速度指令輸出給對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；當(dāng)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，采用機(jī)械電動(dòng)推桿轉(zhuǎn)向控制方法，由單片機(jī)控制器控制推桿行程變化，并通過(guò)采集編碼器脈沖，實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)向行程最長(zhǎng)轉(zhuǎn)向時(shí)間為10.4 s，轉(zhuǎn)角最大平均絕對(duì)誤差小于 0.77°，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.5°，滿足車輪在小角度轉(zhuǎn)向要求時(shí)的控制精度。

目前本研究?jī)H針對(duì)該農(nóng)用移動(dòng)平臺(tái)搭載小麥播種機(jī)構(gòu)直線行駛時(shí)的實(shí)施情況，重點(diǎn)驗(yàn)證平臺(tái)可靠性和直線播種穩(wěn)定性。但仍存在例如地頭自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、小麥播種行線提取等技術(shù)問(wèn)題尚未完善，將在后續(xù)研究中繼續(xù)展開(kāi)。