1KPZ-250型開溝鋪管機GPS自動導航系統設計

摘要：以1KPZ-250型開溝鋪管機為試驗平臺，采用RTK-GPS定位技術，進行農業機械自動導航試驗。針對開溝鋪管機液壓驅動，履帶式行走機構的特點，設計了左右履帶行走速度控制與監測系統，實現了開溝鋪管機行走自動控制。根據GPS接收機與車載傳感器獲取車輛姿態信息，采用PID控制方法，構建轉向閉環控制系統，實現開溝鋪管機的自動對行導航，并進行了開溝鋪管機田間導航跟蹤試驗。試驗結果表明，在開溝鋪管機對行導航作業中，車輛行進速度不大于0.5m/s時，對行跟蹤誤差小于10cm，完全可以滿足開溝鋪管作業精度要求。

關鍵詞：開溝鋪管機；GPS；自動導航

DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2012.11.009

引言

我國北方以及沿海地區有著相當數量的鹽堿地需要治理和改造，依靠人工開溝、鋪管，不僅效率低，勞動強度大，作業成本高，而且工程質量難以保證。1KPZ-250型開溝鋪管機是專用于暗管排堿技術的大型工程機械，可將滲管以精確的高程和坡度埋入地下，同時在滲管周圍包上一定厚度的沙礫料[1-5]。滲管的高程和坡度由激光制導系統來控制，而滲管鋪設的直線度，需要人為在地頭兩端豎立標志桿，用于指引開溝鋪管機上的駕駛員直線行駛。由于田間作業風沙大，駕駛員的駕駛水平及長時間枯燥乏味的跟蹤駕駛，對開溝鋪管作業的直線度有很大影響，并且需要專人豎立標桿，存在不安全因素。開溝鋪管機實現GPS自動對行行走將有效地減輕駕駛員的勞動強度，減少勞動力，提高滲管鋪設直線度精度。本文以1KPZ-250型開溝鋪管機為平臺，對其履帶式行走機構進行電控設計，結合GPS技術與智能控制策略，使開溝鋪管機能跟蹤預設直線路徑行走，實現開溝鋪管自動導航作業。

開溝鋪管機行走機構電控設計

1KPZ-250型開溝鋪管機采用液壓驅動，履帶式行走機構，左右履帶各有一套液壓驅動裝置，通過調節伺服閥開度來改變驅動馬達上的液壓流量，從而控制左右履帶行走速度。驅動馬達上安裝有測速編碼器，通過采集編碼器數字脈沖信號，可推算出左右履帶行走速度。行走機構電控系統結構如圖1所示。

開溝鋪管機行走控制器是硬件設計的核心部分，它由傳感器信號采集、D/A轉換、電壓跟隨驅動電路、微控制器和串行總線接口組成。主要控制電路設計如圖2所示。微控制器采用Microchip公司的PIC18F2580。通過CAN總線與車載計算機進行數據通訊，布線簡單，通訊可靠性高。通過數模D/A轉換器將數字信號轉換成電壓模擬信號，D/A轉換器采用TLC5615，與微控制器采用3線串行輸入，10位數模轉換輸出，其參考電壓源3V由芯片AD780提供，D/A轉換分辨率為3mV/bit，使系統具有較高的轉換輸出精度。U10運算放大器與電阻R101、R102組成電壓放大電路，Q10三極管提高驅動電路帶負載的能力，輸出信號通過限流電阻R106加載到電磁閥線圈上，可實現對電磁閥開度的控制，從而達到調節驅動馬達轉速的目的。微控制器采用定時計數方式對測速編碼器信號進行采集，通過行走動力傳動比，推算出左右履帶的行走速度。整個系統采用24V工作電壓，低功耗設計，與外部設備的接口進行光電隔離，降低外部干擾，提高系統工作可靠性。

自動導航系統

系統結構

開溝鋪管機自動導航系統具備兩方面的功能：一是定位，即精確判斷車輛當前相對于已知參考點的位置以及車輛的姿態；二是控制，即決策和執行必要的操縱控制量，使開溝鋪管機可以在預定的路線上行走[7~8]。開溝鋪管機自動導航系統包括GPS、車載計算機、微控制器、傳感器及各執行機構等部分組成，系統組成如圖3所示。

采用高性能的車載計算機為整個插秧機平臺導航控制中心，通過處理GPS、左右履帶速度傳感器信息實現智能行為決策，輸出導航信息指令。GPS采用RTK定位方式，基準站為Trimble5700接收機，移動站為AgGPS332農業型GPS接收機，靜態定位精度小于2cm，定位信息輸出頻率設定為1Hz。行走控制器根據車載計算機的導航信息指令，調整輸出信號的大小，控制驅動馬達轉速，從而對左右履帶行走車速進行調節，實現開溝鋪管機航向與前進速度的控制，達到對行行走的目的。微控制器采集左右履帶速度信號，與車載計算機之間通過CAN總線進行數據傳輸。

對行行走控制

開溝鋪管機對行行走控制中最主要是對左右履帶行走速度控制，通過對左右履帶差速控制，實現開溝鋪管機航向的調整。對行行走控制系統是一個閉環控制系統，其控制框圖如圖4所示。首先車載計算機通過安裝在車輛上的傳感器組，獲取車輛位置姿態信息以及左右履帶行走速度，解算出車輛當前位置相對于預定路徑的偏航距離、航向偏差。由PID控制算法根據偏差信息，給出左右履帶行走控制策略，車載計算機通過CAN總線將控制策略發送給行走控制器，然后由行走控制器輸出控制信號，調整左右驅動馬達轉速，從而控制車輛前進速度和轉向，達到對行行走的目的。

試驗

試驗場地

為了檢測開溝鋪管機實際作業時自動導航系統的導航精度，在山東省東營市廣饒縣丁莊鎮二分廠鹽堿地改造田塊，進行了開溝鋪管機對行行走作業試驗。

試驗步驟

首先在試驗田地兩端確定2個點A、B，AB直線距離大于30m，利用GPS接收機測定2點經緯度信息，車載計算機內路徑規劃軟件根據A、B點的經緯度信息，自動生成預定行走的AB直線路徑。同時在田地里間隔距離3米的位置，用細漁線確定一條平行AB直線的導航基準線，用于后續測量實際導航偏差。GPS導航天線安裝在開溝鋪管機中心軸線上。然后發動開溝鋪管機，啟動導航控制系統，聯動開溝鋪管機構，開溝鋪管機以正常的作業速度自動導航，同時開溝機構在田地里開出一條400mm寬的鋪管溝。開溝鋪管機整個行進過程分為上線和對行導航2個階段。開始為上線過程，即行走路徑與預定路徑垂直誤差小于20cm，連續大于3s以上，開溝鋪管機即完成上線過程。接下來為對行導航過程，也是與預定路徑進行比較，衡量開溝鋪管機對行精度的過程。

試驗結果

開溝鋪管機自動導航完成后，以剛開出的鋪管溝中心與事先確定的導航基準線進行比較，如圖5所示。

使用米尺測量兩者之間的垂直偏移距離，試驗數據如表1所示。經試驗檢測，開溝鋪管機行走速度小于等于0.5m/s時，自動對行導航誤差小于10cm。

開溝鋪管機按照預定AB直線行走軌跡如圖6所示。從圖中可看出，開溝鋪管機起始作業點與預定路徑具有較大的距離偏差4.5m，自動導航系統可快速跟蹤到預定路徑，偏航誤差控制在10cm左右。試驗結果表明，自動導航系統具有良好的控制精度和穩定性，能夠滿足開溝鋪管機的對行作業要求。

結論

(1)為了進行農業工程機械導航試驗研究，以1KPZ-250型開溝鋪管機為試驗平臺，對其行走機構進行手控與自動控制設計，研制了基于GPS技術的控制器，實現了開溝鋪管機的自動導航作業。

(2)自動導航控制采用了PID控制方式，閉環反饋控制方法實現了開溝鋪管機行走轉向系統的自動跟蹤控制。

(3)開溝鋪管機在田間試驗時，在車輛行進速度不大于0.5m/s時，跟蹤最大誤差小于10cm，基本滿足開溝鋪管機自動對行的精度要求。

(4)開溝鋪管機高程控制目前普遍使用激光制導系統來控制，但因激光發射和接收天氣環境、距離等因素影響較大，能否結合GPS高程信息進行控制，還需要進一步試驗研究。

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