农业机械自动导航控制系统设计

　　这篇论文主要介绍的农业机械自动导航控制系统设计的内容，本文作者就是通过对农业机械自动导航的内容做出详细的阐述与介绍，特推荐这篇优秀的文章供相关人士参考。

　　关键词：农业机械;导航;系统设计;直线路径跟踪

　　伴随着信息科技的不断发展与应用，精准农业领域发生着日新月异的变化。在此背景下，自动导航等先进技术的研究与实践，已经成为现代智能化农业发展的必然趋势，并被广泛应用在田间作业中，如土地平整、自动喷药等。在自动导航定位中，精准定位和路径控制是其关键的技术。在自动定位方面，GPS、GLONASS、北斗和伽利略等定位系统是当前主流的定位方式，并已成为自动导航应用的重点。如张硕等[1]提出了一种基于GNSS(globalnavigationsatellitesystem，全球导航卫星系统)/MIMU/DR组合的拖拉机自动定位方法，并结合PID控制方法，大大提高了拖拉机运行的精度。而在自动导航的路径控制方面，目前的研究通常集中在PID模糊控制、最优控制、模糊控制、滑膜控制、纯追踪模型理论等。如熊中刚[2]以高速插秧机作为研究对象，提出一种基于模糊PID控制的自动转向方法，并采用直线和曲线路径跟踪的方法，完成对高速插秧机路径和转向的控制;张闻宇等[3]提出一种基于SVR算法的逆向农机导航纯追踪方法，大大提高了纯追踪模型的动态性能;孟庆宽等[4]在PID控制中引入改进粒子算法对参数进行优化，改进后自动导航精度显著高于传统的控制方法。在实际应用中，考虑到农田环境的多样性，农业机械导航的精度还需要进一步改进，并且不同的算法也都存在不同的问题，如PID控制时，其鲁棒性较差;模糊控制过程中，对大曲率转弯作业的导航效果不佳[5];粒子群算法的计算相对复杂;传统的追踪模型很难实现对农业机械状态的自适应调整[6-7]。对此，笔者提出一种基于GNSS的农业机械导航系统，并对系统进行了测试。

　　1系统整体架构搭建

　　本文设计的目的是通过硬件和软件的搭建，实现对农业机械的自动导航，进而使得农业机械在作业的过程中，能严格按照设定的路径进行作业，减少路径运行的误差。系统的整体架构设计如图1所示。该系统包含可编程逻辑控制器(PLC)、前轮转角检测装置、方向控制装置、GNSS定位装置。具体的控制原理图如图2所示。首先通过GNSS对农业机械进行定位，同时结合对前轮转角的测量，将数据发送给PLC控制模块。PLC控制模块在完成对偏差的计算后，将指令发布给方向控制系统，完成对运行路径的修正。

　　2两轮拖拉机运动学模型构建

　　2.1运动学模型构建

　　图3为两轮拖拉机运动简化模型，即将两轮拖拉机的运动简化到一个二维平面上。为方便建模，采用三自由度的建模方法，即建模时只考虑拖拉机的横向、纵向和横摆3个自由度，忽略拖拉机运动过程中出现的滑移，同时假设轮胎侧偏角度为小角度。在图3中，XOY为导航坐标系;O为导航坐标系的原点;xCy为车身坐标系;C点为拖拉机质心;R为拖拉机的转向半径;Fx1,Fy1分别为拖拉机的前轮在纵向和侧向方向上的作用力;Fx2,Fy2分别为后轮在纵向和侧向上的作用力;vC,v1,v2分别为拖拉机质心、前轮、后轮的速度;β,α1,α2分别为质心、后轮侧偏角、前轮侧偏角;δ为前轮的转向角;θ为拖拉机的行驶方向角;φC,φe分别为质心在惯性坐标系之下的航向角度和偏差;φP为P点的航向角;L为前视距离;yP为P点在横向位置出现的偏差;a,b为质心到前后轮的距离。

　　2.2直线路径跟踪偏差模型

　　结合两轮拖拉机运动简化模型，可以得到拖拉机-路径动力学模型。式中：I为拖拉机的转动惯量;m为拖拉机犁具质量;k1,k2分别为前、后轮侧向力与侧偏角的比例系数;width=133,height=17,dpi=110为状态向量。为保证拖拉机能够沿着直线进行跟踪，将式(4)进一步变形，从而可得：

　　3自动导航软件设计

　　本文构建的自动导航软件包括上机位和下机位。其中上机位在工控机中运行，主要负责数据的存储、收发等;下机位在PLC中运行，主要接收上机位发送的控制命令，并对导航控制进行反馈。

　　3.1上机位软件实现

　　上机位主要负责将系统采集到的GNSS数据和PLC数据等进行分析，然后显示出拖拉机的路径、姿态，以及相关的偏差角度信息。具体功能模块如图4所示。在上机位软件数据处理流程中，通过多线程串口通信的方式完成对不同数据的收发，以保证数据通信的可靠性，同时提取GNSS坐标，在对坐标进行变换以后，完成路径的搜索，最终发送相关的控制指令。

　　3.2下机位软件实现

　　对于下机位软件的实现采用C++编程和MFC技术框架。下机位的功能模块如图6所示，包括通信模块、控制模块和AD/DA模块3个部分。

　　4系统测试

　　为验证系统的可行性，以雷沃重工股份有限公司的TG1254拖拉机作为载体，搭建和开发该导航测试平台。具体试验方案为：以拖拉机直线路径模型中的前视距离L处航位偏差为零作为目标，以实时采集到的拖拉机位姿信息来计算横向位置偏差和航向角偏差，并将其与实际的结果进行比较，进而评价导航控制的优劣。同时设定前视距离为4.5m，采样频率和控制频率都为5Hz，采样时间为60s。在试验之前，结合农田的实际情况规划出一条直线的路径，并结合导航系统标定起点和终点的坐标，进而得到目标路线。然后拖拉机靠近该路线，并启动自动导航模式。试验过程中，结合实时采集到的拖拉机位置坐标，计算出其实时横向位置偏差和航向角偏差。

　　5结束语

　　本文构建的拖拉机运动路径系统，可实时完成对路径的自动导航。在导航中，系统可根据采集到的信息，自动调整偏差和方位角。而在本文构建的控制算法中，经过测试发现，车辆的速度越大，与目标路径之间的偏差越大。由此可以看出，本文构建的导航系统在农用拖拉机导航作业上具有一定的实用价值。

　　参考文献：

　　[1]张硕,刘进一,杜岳峰,等.基于速度自适应的拖拉机自动导航控制方法[J].农业工程学报,2017,33(23):48-55.

　　[2]熊中刚,贺娟,曲祥君，等.插秧机作业面积自动测量系统硬件电路设计[J].湖北农业科学,2015,54(14):3517-3522.

　　[3]张闻宇，丁幼春，李兆东，等.基于双切圆寻线模型的农机导航控制方法[J].农业机械学报，2016，47(10)：1-10.

　　[4]孟庆宽，仇瑞承，张漫，等.基于改进粒子群优化模糊控制的农业车辆导航系统[J].农业机械学报，2015，46(3)：29-36.

　　[5]尹纯源,王卓,白晓平,等.基于模糊PID变阻尼方法的农机自动转向控制系统研究[J].中国农机化学报,2016,37(11):111-115.

　　[6]丁世宏,姜月霞,赵德安,等.输入饱和情况下农用拖拉机的直线导航控制[J].控制理论与应用,2013,30(10):1287-1293.

　　[7]付拓,毛文华,张小超,等.一种履带拖拉机自动导航转向控制方法[J].农业工程,2018,8(1):84-88.

　　作者：杨保香