張朝宇 盧 邦 李 強(qiáng) 王登輝 熊子慶 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

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)冬油菜主要產(chǎn)區(qū)，油菜無(wú)人播種作業(yè)作為油菜全產(chǎn)業(yè)鏈智能化建設(shè)中重要環(huán)節(jié)之一，可以大幅度提高作業(yè)精度和勞動(dòng)生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效[1-2]。無(wú)人播種作業(yè)過(guò)程田頭調(diào)頭換行起到關(guān)鍵銜接作用，調(diào)頭路徑規(guī)劃和控制效果直接影響對(duì)行精度與工作效率[3-4]。受我國(guó)南方地區(qū)土地和前茬作物影響，尤其是長(zhǎng)江中下游稻油輪作區(qū)，土地規(guī)模小且土壤黏重[5]，無(wú)人播種作業(yè)過(guò)程田頭換行復(fù)雜。主要表現(xiàn)為調(diào)頭轉(zhuǎn)彎時(shí)輪胎容易滑移，換行后易產(chǎn)生較大初始橫向偏差，拖拉機(jī)沒(méi)有在作業(yè)路線上就進(jìn)行下一行播種作業(yè)，導(dǎo)致對(duì)行精度不高，出現(xiàn)重播漏播現(xiàn)象，影響油菜播種作業(yè)質(zhì)量。

保證自動(dòng)對(duì)行作業(yè)質(zhì)量的核心是實(shí)施良好的轉(zhuǎn)彎調(diào)頭方式和跟蹤控制方法[6-8]。學(xué)者們將兩行間的轉(zhuǎn)彎方式以最短路徑規(guī)劃分為無(wú)需調(diào)頭的Dubins曲線[9]和需要倒退的Reeds-Shepp曲線[10]，在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中主要?dú)w納為魚(yú)尾式[11]、Ω式[12]和C式[13-14]等。無(wú)人播種作業(yè)通常使用套行和梭行作業(yè)路徑，套行作業(yè)路徑更適用于大田塊下無(wú)人播種作業(yè)，其轉(zhuǎn)彎方式多為C式。吳才聰?shù)萚15]針對(duì)SF2104型拖拉機(jī)研發(fā)了自主駕駛與作業(yè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了套行路徑下自動(dòng)駕駛與作業(yè)。張聞?dòng)畹萚16]設(shè)計(jì)了一種適用于2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)組導(dǎo)航的雙切圓尋線模型控制方法，該方法有效解決套行自動(dòng)轉(zhuǎn)彎中兩條直線快速穩(wěn)定換線問(wèn)題。但套行作業(yè)路徑對(duì)田塊寬度具有要求，難以適應(yīng)南方土地規(guī)模小且分散地區(qū)無(wú)人播種的環(huán)境。梭行作業(yè)路徑對(duì)田塊適應(yīng)性較好，可根據(jù)幅寬要求采取不同調(diào)頭方式，因此梭行作業(yè)路徑對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)南方小型分散性農(nóng)田無(wú)人化作業(yè)有較大的意義。劉兆朋等[17]針對(duì)高地隙噴霧機(jī)基于純追蹤方法設(shè)計(jì)了田頭轉(zhuǎn)向控制器，實(shí)現(xiàn)在梭行路徑下自動(dòng)完成水泥路面、旱地和水田的噴霧作業(yè)。YIN等[18]基于SPV-6C型插秧機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑規(guī)劃作業(yè)路徑與跟蹤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了插秧機(jī)在小幅寬下田頭C式自動(dòng)轉(zhuǎn)彎。李革等[19]以改造的井關(guān)PZ60型插秧機(jī)為平臺(tái)，基于改進(jìn)的純追蹤算法實(shí)現(xiàn)兩行間Ω式轉(zhuǎn)彎路徑的跟蹤。CARIOU等[20-21]針對(duì)機(jī)器人小車在相鄰路徑調(diào)頭問(wèn)題，基于回旋曲線的調(diào)頭模型優(yōu)化了調(diào)頭時(shí)間和調(diào)頭區(qū)域面積。張朝宇等[22]針對(duì)履帶式油菜播種機(jī)特性設(shè)計(jì)的一套無(wú)人播種系統(tǒng)可完成小地塊弓字路徑下的油菜無(wú)人播種。適用于梭行作業(yè)調(diào)頭方式中C式研究較成熟，但受機(jī)具幅寬小于拖拉機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑影響，難以滿足小規(guī)模土地中油菜精量直播機(jī)的自動(dòng)調(diào)頭操作；適用于小規(guī)模土地目前已有的調(diào)頭方式中，Ω式可實(shí)現(xiàn)小田塊調(diào)頭，但田頭未作業(yè)區(qū)域面積較大；而田頭未作業(yè)區(qū)域面積較小的魚(yú)尾式受拖拉機(jī)動(dòng)力換向和動(dòng)力換擋技術(shù)不成熟的影響，目前相關(guān)研究較少。

針對(duì)油菜無(wú)人播種實(shí)際需求，為減小油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)的調(diào)頭產(chǎn)生的未作業(yè)區(qū)域面積，提高作業(yè)對(duì)行精度，本文以CaseTM1404型拖拉機(jī)為平臺(tái)擬構(gòu)建一套油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)，依據(jù)幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)提出一種兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型，基于該模型改進(jìn)模糊自適應(yīng)純追蹤控制器，通過(guò)模擬駕駛員作業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)聯(lián)合作業(yè)控制策略。開(kāi)展兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型與傳統(tǒng)魚(yú)尾調(diào)頭模型田頭未作業(yè)區(qū)域面積仿真對(duì)比試驗(yàn)；并進(jìn)行路面和田間試驗(yàn)，以驗(yàn)證兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭方法在油菜無(wú)人播種作業(yè)中的可行性和對(duì)行精度。

1 油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)

1.1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

油菜為旱地作物，南方油菜田內(nèi)每行兩側(cè)設(shè)有一條排水溝，2BFQ-8型油菜精量直播機(jī)作業(yè)可一次性完成壓茬、主動(dòng)開(kāi)溝、廂面覆土、精量播種及施肥[1]。為滿足無(wú)人播種作業(yè)需求，構(gòu)建一套油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)，如圖1所示，系統(tǒng)組成主要包括：CaseTM1404型拖拉機(jī)、北斗高精度定位系統(tǒng)、角度傳感器、車載控制器、CAN分析儀、工控計(jì)算機(jī)、電控方向盤(pán)和2BFQ-8型油菜精量直播機(jī)[24]。

圖1 油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of rapeseed unmanned seeding operation system1.北斗定位接收天線 2.角度傳感器 3.CAN分析儀 4.車載控制器 5.2BFQ-8型油菜精量直播機(jī) 6.工控計(jì)算機(jī) 7.電控方向盤(pán)

油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示，拖拉機(jī)牽引油菜精量直播機(jī)，直播機(jī)通過(guò)動(dòng)力輸出帶動(dòng)風(fēng)機(jī)，直播機(jī)工作時(shí)，8行排種器定量排出連續(xù)均勻的種子流，實(shí)現(xiàn)精量播種、施肥、覆土開(kāi)溝一體作業(yè)。

表1 油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of rapeseed unmanned seeding operation system

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油菜無(wú)人播種作業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由傳感裝置、控制模塊和執(zhí)行模塊組成，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)和角度傳感器(424A10A060型角度傳感器，分辨率0.1°，測(cè)量范圍0°～90°)組成，高精度北斗RTK通過(guò)網(wǎng)絡(luò)載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)接收定位信息，角度傳感器安裝在前輪右側(cè)轉(zhuǎn)向銷軸上可直接讀取前輪轉(zhuǎn)角?？刂颇K由CAN分析儀(CANOpenJ1939型，珠海創(chuàng)芯科技有限公司)、車載控制器(NMC308型)和工控計(jì)算機(jī)(LegionY7000P型)組成，無(wú)人播種作業(yè)軟件在工控計(jì)算機(jī)上編寫(xiě)，通過(guò)CAN分析儀與拖拉機(jī)車載控制器進(jìn)行通訊。執(zhí)行模塊由電控方向盤(pán)(上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)有限公司)和油菜精量直播機(jī)組組成，工控計(jì)算機(jī)通過(guò)串口通訊與移動(dòng)站和電控方向盤(pán)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和轉(zhuǎn)向控制，通過(guò)CAN分析儀控制油菜精量直播機(jī)組速度、制動(dòng)器、離合器、機(jī)具升降機(jī)構(gòu)和PTO。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Overall structure of control system

2 拖拉機(jī)導(dǎo)航兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型

2.1 調(diào)頭模型

油菜無(wú)人播種作業(yè)路徑通常由平行線段組成，直播機(jī)需要在不同的作業(yè)軌跡之間進(jìn)行對(duì)行切換。在田塊面積較小的情況下，魚(yú)尾調(diào)頭方式是一種接近人駕駛習(xí)慣的調(diào)頭方式，魚(yú)尾調(diào)頭路徑可分為2類：①由1段直線軌跡和2段圓弧相切軌跡組成調(diào)頭路徑(圖3a)。②由3段圓弧相切的軌跡組成調(diào)頭路徑(圖3b、3c)。

調(diào)頭初始橫向偏差為完成一次調(diào)頭后車輛與換行后目標(biāo)直線的橫向偏差，為避免調(diào)頭過(guò)程中拖拉機(jī)滑移造成初始橫向偏差過(guò)大，導(dǎo)致未上線就開(kāi)始進(jìn)入下一條直線跟蹤，基于以上原則設(shè)計(jì)一種兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭路徑。如圖3c所示，在第1行完成播種作業(yè)后規(guī)劃一條倒退路徑AB，AB長(zhǎng)度為機(jī)具長(zhǎng)度，在不碾壓已作業(yè)區(qū)域的情況下有效利用土地資源；由幾何關(guān)系得出換行到第2行線上的最短魚(yú)尾路徑；再通過(guò)第2行起始處規(guī)劃出1條倒退路徑EF，EF長(zhǎng)度為一個(gè)車身長(zhǎng)度，倒退過(guò)程模擬人駕駛時(shí)的對(duì)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在未作業(yè)區(qū)域面積較小的情況下精準(zhǔn)換行。

圖3 魚(yú)尾調(diào)頭幾何模型Fig.3 Geometry relations of fishtail U-turn

基于調(diào)頭路徑幾何關(guān)系建立3種魚(yú)尾調(diào)頭模型，如圖3所示，以點(diǎn)B為原點(diǎn)，第1行作業(yè)線為Y軸，方向?yàn)閅軸正向，其中θ1、θ2、θ3分別是以點(diǎn)O1、O2、O3為圓心的夾角。定義Ls為調(diào)頭長(zhǎng)度，Lt為田頭預(yù)留長(zhǎng)度，R為拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑，設(shè)點(diǎn)E為(x，y)，其中x為機(jī)具幅寬，y為機(jī)具長(zhǎng)度，且x

Lsa=Rθ1+LCD+Rθ3=R(θ1+θ3)+2R-LAE

(1)

式中Lsa——T型魚(yú)尾調(diào)頭路徑長(zhǎng)度，m

根據(jù)幾何關(guān)系可得到點(diǎn)D坐標(biāo)為(-R+x+Rcosθ3，y+Rsinθ3)，點(diǎn)C坐標(biāo)為(R-Rcosθ1，y+Rsinθ1)。

Lsb=Rθ1+Rθ2+Rθ3=R(θ1+θ2+θ3)

(2)

式中Lsb——切圓魚(yú)尾調(diào)頭路徑長(zhǎng)度，m

根據(jù)幾何關(guān)系可得點(diǎn)D坐標(biāo)為(-R+x+Rcosθ3，y+Rsinθ3)，點(diǎn)C坐標(biāo)為(R-Rcosθ1，y+Rsinθ1)。得到θ1和θ3的幾何關(guān)系為

(3)

Lsc=LAE+Rθ1+Rθ2+Rθ3+LEF=LAE+R(θ1+θ2+θ3)+LEF

(4)

式中Lsc——兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭路徑長(zhǎng)度，m

根據(jù)幾何關(guān)系可得到點(diǎn)D坐標(biāo)為(-R+x+Rcosθ3，y+Rsinθ3)，點(diǎn)C坐標(biāo)為(R-Rcosθ1，Rsinθ1)。得到θ1和θ3的幾何關(guān)系為

(5)

(6)

根據(jù)切圓幾何關(guān)系可得

θ1+θ2+θ3=π

(7)

Lt=Rsinθ3

(8)

針對(duì)以上3種魚(yú)尾調(diào)頭模型，可得當(dāng)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑R接近拖拉機(jī)最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmin時(shí)，構(gòu)成的調(diào)頭長(zhǎng)度Ls最優(yōu)，田頭預(yù)留長(zhǎng)度Lt最小，且田頭預(yù)留長(zhǎng)度Lt與機(jī)具幅寬x、機(jī)具長(zhǎng)度y、轉(zhuǎn)彎半徑R有關(guān)。

2.2 無(wú)人作業(yè)路徑生成算法

無(wú)人作業(yè)路徑算法以C++作為編程語(yǔ)言，基于Google地圖API在Qt平臺(tái)上編寫(xiě)路徑規(guī)劃軟件，農(nóng)田邊界信息通過(guò)人工在地圖上鼠標(biāo)獲取四邊形田塊的地理信息，以矩形邊界信息、拖拉機(jī)和懸掛機(jī)具的基本參數(shù)為輸入，路徑生成圖如圖4所示，O、P、Q、R為田塊邊界，經(jīng)過(guò)墨卡托投影(Universal transverse Mercator，UTM)算法進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將WGS84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面坐標(biāo)[23]，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，建立相對(duì)坐標(biāo)系，以點(diǎn)O為原點(diǎn)，作業(yè)邊方向?yàn)閅軸方向，得到田塊頂點(diǎn)坐標(biāo)O(0，0)、P(0，y2)、Q(x3，y3)、R(x4，0)。規(guī)定機(jī)具從點(diǎn)O方向進(jìn)入田塊，參照OP邊為作業(yè)邊，且與Y軸平行，根據(jù)平面兩點(diǎn)間距離公式可得到各邊的長(zhǎng)度。

路徑生成算法流程如下：通過(guò)等距偏置處理生成平行的作業(yè)路徑[24-25]，調(diào)頭邊偏置距離為L(zhǎng)t+La，偏置次數(shù)為2次；作業(yè)邊偏置距離為x/2，偏置次數(shù)為

m=lOR-2Lax

(9)

式中m——偏置次數(shù)

La——安全距離，m

圖4 基于兩退三切魚(yú)尾模型的作業(yè)路徑生成圖Fig.4 Path planning algorithm of two-back and three-cut fishtail U-turn model

節(jié)點(diǎn)P′1和P′2分別對(duì)應(yīng)圖3c中的點(diǎn)A和點(diǎn)E，依據(jù)2.1節(jié)魚(yú)尾調(diào)頭幾何關(guān)系生成5條單次調(diào)頭路徑，同理按播種順序?qū)⑺泄?jié)點(diǎn)處添加調(diào)頭路徑，生成基于兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型的梭行作業(yè)路徑。

矩形田塊土地調(diào)頭產(chǎn)生的未作業(yè)區(qū)域面積為田頭預(yù)留長(zhǎng)度和田塊寬度乘積。根據(jù)以上路徑生成算法，在忽略偏移安全距離所產(chǎn)生的非作業(yè)區(qū)域下，定義Sab為矩形田塊的面積，田塊長(zhǎng)度為a，田塊寬度為b，在不考慮車身尺寸情況下的調(diào)頭產(chǎn)生的未作業(yè)區(qū)域面積為

Ss=bLt=bRsinθ3

(10)

2.3 路徑仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型相較于傳統(tǒng)魚(yú)尾調(diào)頭方法田頭未作業(yè)區(qū)域面積更小，通過(guò)仿真試驗(yàn)，以C++作為編程語(yǔ)言，在Qt平臺(tái)上編程，基于Google地圖API編寫(xiě)路徑規(guī)劃軟件，在Intel(R)Core(TM)i7-9750HCPU @2.60 GHz、16 GB、Windows 10操作系統(tǒng)下，運(yùn)行程序并測(cè)試效果。

采用表1中油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)參數(shù)作為輸入，根據(jù)式(8)對(duì)不同幅寬下3種魚(yú)尾調(diào)頭模型田頭預(yù)留長(zhǎng)度Lt進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示，仿真結(jié)果表明，兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型相對(duì)于傳統(tǒng)魚(yú)尾調(diào)頭模型田頭預(yù)留長(zhǎng)度減少0.93～1.57 m。根據(jù)式(10)對(duì)3種魚(yú)尾調(diào)頭模型產(chǎn)生的未作業(yè)區(qū)域面積進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型相對(duì)于傳統(tǒng)魚(yú)尾調(diào)頭模型田頭未作業(yè)區(qū)域面積減少14.62%～22.43%。

圖5 不同調(diào)頭模型田頭預(yù)留長(zhǎng)度Fig.5 Different U-turn models reserve lengths for field heads

3 兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型控制方法

3.1 拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何模型

對(duì)于阿克曼轉(zhuǎn)向的車輛，在忽略輪胎滑移、車軸剛度和傾角等因素的情況下，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖6所示，在慣性坐標(biāo)系XOY下，可得車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為

(11)

v——行駛速度，m/s

L——拖拉機(jī)前后輪軸距，m

α——拖拉機(jī)當(dāng)前偏角，(°)

圖6 拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.6 Schematic of tractor movement

轉(zhuǎn)向半徑與前輪偏角的關(guān)系為

(12)

當(dāng)前輪偏角為最大值δmax時(shí)，有最小轉(zhuǎn)向半徑Rmin。

3.2 控制器設(shè)計(jì)

基于拖拉機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和幾何模型，設(shè)計(jì)了導(dǎo)航路徑跟蹤控制器。自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，轉(zhuǎn)向控制器接收目標(biāo)轉(zhuǎn)角和實(shí)時(shí)角度信息，形成反饋回路，通過(guò)角度偏差計(jì)算控制量，發(fā)送至電控方向盤(pán)，對(duì)直播機(jī)組轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制。

圖7 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Automatic steering control system

為適應(yīng)拖拉機(jī)變速狀態(tài)下穩(wěn)定控制，路徑跟蹤采用改進(jìn)的模糊自適應(yīng)純追蹤控制器[22]，根據(jù)幾何關(guān)系得到目標(biāo)前輪偏角與前視距離[26]關(guān)系為

(13)

式中Ld——前視距離，m

d——拖拉機(jī)到作業(yè)路徑的橫向偏差，m

不同于履帶式車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)，改進(jìn)后導(dǎo)航控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，對(duì)該控制器模糊規(guī)則進(jìn)行重新定義，以橫向偏差d、航向偏差θ和拖拉機(jī)行駛速度v作為模糊自適應(yīng)純追蹤控制器的輸入，前視距離Ld作為模糊控制器的輸出，計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)角，通過(guò)轉(zhuǎn)向控制器控制拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向。

圖8 導(dǎo)航控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of navigation controller system

3.3 控制策略

油菜無(wú)人播種作業(yè)有一定的播種規(guī)范，油菜精量直播機(jī)作業(yè)時(shí)由于旋耕機(jī)和被動(dòng)式開(kāi)溝犁的交互作用，會(huì)在種床廂面與畦溝連接部位形成傾斜邊坡[27]。有序控制拖拉機(jī)速度、制動(dòng)器、離合器、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、機(jī)具升降機(jī)構(gòu)和PTO是實(shí)現(xiàn)無(wú)人播種的重要環(huán)節(jié)。控制策略結(jié)合農(nóng)藝操作要求，無(wú)人播種作業(yè)控制規(guī)則如表2所示。

表2 作業(yè)控制規(guī)則Tab.2 Autonomous operation control strategy

無(wú)人播種作業(yè)控制流程圖如圖9所示，圖中v0為停止速度，v1為慢速，v2為作業(yè)速度，vR為倒退速度，根據(jù)RTK北斗定位獲取當(dāng)前車輛的位置信息，按照表2中控制作業(yè)邏輯對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行控制，拖拉機(jī)播種作業(yè)行駛到點(diǎn)A時(shí)，處于前進(jìn)和后退切換處，機(jī)具抬升，PTO停止工作，進(jìn)行倒退導(dǎo)航；行駛到點(diǎn)B時(shí)，處于后退和前進(jìn)切換處；從B～E進(jìn)行魚(yú)尾調(diào)頭切圓導(dǎo)航，按照控制作業(yè)邏輯對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行控制；拖拉機(jī)第1次行駛到點(diǎn)E時(shí)，處于前進(jìn)和后退切換處，進(jìn)行倒退導(dǎo)航，行駛到點(diǎn)F時(shí)，處于后退和前進(jìn)切換處；當(dāng)拖拉機(jī)第2次行駛到點(diǎn)E時(shí)，機(jī)具下降，PTO開(kāi)始工作，進(jìn)行播種作業(yè)。

圖9 無(wú)人播種作業(yè)控制流程圖Fig.9 Control flow chart of unmanned seeding operation

4 兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭方法試驗(yàn)

4.1 路面試驗(yàn)

為測(cè)試兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型路面導(dǎo)航控制性能，在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)“油菜全程機(jī)械化”基地進(jìn)行轉(zhuǎn)向試驗(yàn)和不同速度下直線跟蹤試驗(yàn)。

拖拉機(jī)魚(yú)尾調(diào)頭切圓導(dǎo)航時(shí)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑為最小轉(zhuǎn)彎半徑，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)角為最大前輪偏角，拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向行駛速度為1.0 m/s，給定階躍控制信號(hào)21°，轉(zhuǎn)向控制響應(yīng)結(jié)果如圖10所示，拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向角從0°轉(zhuǎn)至21°，耗時(shí)4 s，超調(diào)量為0.15°，當(dāng)角度達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)角后，穩(wěn)態(tài)誤差為0.09°。

圖10 轉(zhuǎn)向控制響應(yīng)Fig.10 Steering control response

拖拉機(jī)分別在慢速v1、作業(yè)速度v2和倒退速度vR下進(jìn)行路面直線跟蹤試驗(yàn)。各速度進(jìn)行3次直線跟蹤試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)拖拉機(jī)速度為-0.8、0.9、1.5 m/s時(shí)，改進(jìn)的模糊自適應(yīng)純追蹤控制器最大橫向偏差分別不大于3.64、3.21、3.55 cm，平均絕對(duì)偏差分別不大于1.22、1.04、1.30 cm。

表3 路面不同速度下直線跟蹤結(jié)果Tab.3 Straight line tracking results at different speeds on road surface cm

4.2 田間試驗(yàn)

為測(cè)試不同魚(yú)尾調(diào)頭方法田間導(dǎo)航性能，于湖北省荊門(mén)市掇刀區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行田間試驗(yàn)，田內(nèi)無(wú)障礙物，試驗(yàn)材料：皮尺、北斗RTK移動(dòng)站、工控計(jì)算機(jī)。具體操作步驟：①試驗(yàn)前進(jìn)行傳感器、工控計(jì)算機(jī)等各控制系統(tǒng)部件的檢查，將北斗RTK移動(dòng)站電源打開(kāi)，等待移動(dòng)站冷啟動(dòng)完成并在工控計(jì)算機(jī)成功顯示定位數(shù)據(jù)后，在軟件系統(tǒng)上設(shè)定兩行梭行路徑和作業(yè)幅寬。②將拖拉機(jī)懸掛的直播機(jī)抬升并保持懸空，再將拖拉機(jī)行駛至作業(yè)起點(diǎn)附近，初始姿態(tài)調(diào)節(jié)到橫向偏差50 cm、初始航向偏角5°以內(nèi)。③打開(kāi)上位機(jī)軟件中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)保存功能，開(kāi)始試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)單次調(diào)頭下兩退三切魚(yú)尾模型和傳統(tǒng)魚(yú)尾模型進(jìn)行跟蹤，記錄試驗(yàn)過(guò)程中的橫向偏差。在不考慮作業(yè)時(shí)間的情況下，3種調(diào)頭方法跟蹤完成后進(jìn)入下一條作業(yè)路徑的橫向偏差如圖11所示。

圖11 不同調(diào)頭方法橫向偏差Fig.11 Initial distance deviation of different U-turn models

由圖11可知，兩退三切魚(yú)尾模型較切圓魚(yú)尾模型作業(yè)路徑初始橫向偏差減小8.08 cm，上升時(shí)間減小1.3 s；較T型魚(yú)尾模型作業(yè)路徑初始橫向偏差減小7.37 cm，上升時(shí)間減小2.3 s，說(shuō)明有規(guī)劃出倒退路徑的模型可有效補(bǔ)償轉(zhuǎn)彎時(shí)土壤滑移引起拖拉機(jī)沒(méi)有上線就進(jìn)行下一行作業(yè)產(chǎn)生的橫向偏差，減少了初始橫向偏差和上升時(shí)間。

4.3 無(wú)人播種作業(yè)試驗(yàn)

為了對(duì)油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)對(duì)行精度和性能進(jìn)行評(píng)估，于2021年10月5日在湖北省鄂州市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)油菜試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。采用五點(diǎn)采樣法進(jìn)行田間土壤條件測(cè)試，測(cè)得田間土壤含水率為24.3%，土壤堅(jiān)實(shí)度為651.6 kPa。油菜播種無(wú)人作業(yè)系統(tǒng)在地圖上選定田塊，根據(jù)油菜播種農(nóng)藝要求自動(dòng)規(guī)劃作業(yè)路徑，規(guī)劃播種路徑為9行，作業(yè)幅寬為2.3 m，北斗移動(dòng)站接收位置信息頻率為10 Hz，油菜無(wú)人播種系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)完成無(wú)人播種作業(yè)，無(wú)人作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和導(dǎo)航路徑軌跡如圖12所示，各行直線跟蹤結(jié)果如表4所示。

圖12 自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)試驗(yàn)Fig.12 Experiment of unmanned operation

對(duì)行精度為作業(yè)軌跡間平均偏差[28]，油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)按照控制策略完成兩段相鄰作業(yè)軌跡跟蹤，在這兩段作業(yè)軌跡的穩(wěn)態(tài)跟蹤階段，等間距地提取10對(duì)左側(cè)邊界點(diǎn)，邊界點(diǎn)之間的距離應(yīng)等于幅寬設(shè)定距離，用卷尺測(cè)量對(duì)應(yīng)邊界點(diǎn)之間的距離，減去設(shè)定的作業(yè)幅寬，得到10個(gè)作業(yè)點(diǎn)與作業(yè)行距之間的偏差，求取10個(gè)偏差的平均值作為作業(yè)軌跡間平均偏差，測(cè)量計(jì)算求得直播機(jī)無(wú)人作業(yè)對(duì)行精度為1.48 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為2.41 cm。

表4 田間各行直線跟蹤結(jié)果Tab.4 Line tracking results

5 結(jié)論

(1)為實(shí)現(xiàn)油菜無(wú)人播種作業(yè)，針對(duì)CaseTM1404型拖拉機(jī)和2BFQ-8型油菜精量直播機(jī)構(gòu)建了一套油菜無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)，試驗(yàn)表明搭建的油菜無(wú)人播種系統(tǒng)在選取田塊邊界后，生成作業(yè)路徑，能按照規(guī)劃路徑完成直線行駛、田頭調(diào)頭，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)直播機(jī)無(wú)人播種作業(yè)。

(2)根據(jù)油菜直播機(jī)組無(wú)人播種作業(yè)特點(diǎn)與機(jī)具特性，定量分析了3種魚(yú)尾調(diào)頭方式的路徑幾何關(guān)系，提出一種兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭方法，以田頭未作業(yè)區(qū)域面積最少和對(duì)行精度最優(yōu)為目標(biāo)，得到路徑生成算法。根據(jù)無(wú)人播種作業(yè)系統(tǒng)的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型設(shè)計(jì)了改進(jìn)的模糊自適應(yīng)純追蹤控制器，依據(jù)該控制器結(jié)合油菜播種農(nóng)藝特點(diǎn)構(gòu)建了無(wú)人作業(yè)控制策略。

(3)針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了3種魚(yú)尾調(diào)頭模型產(chǎn)生的未作業(yè)區(qū)域面積仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明：兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭模型相對(duì)于傳統(tǒng)魚(yú)尾調(diào)頭模型田頭未作業(yè)區(qū)域面積減少14.62%～22.43%。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：兩退三切魚(yú)尾調(diào)頭方法較傳統(tǒng)魚(yú)尾調(diào)頭方法初始橫向偏差減小7.37～8.08 cm，上升時(shí)間減少1.3～2.3 s，該調(diào)頭方法有效補(bǔ)償轉(zhuǎn)彎時(shí)土壤滑移引起拖拉機(jī)沒(méi)有上線就進(jìn)行下一行作業(yè)產(chǎn)生的橫向偏差，且無(wú)人播種作業(yè)對(duì)行精度為1.48 cm。