線性天線陣列自抗擾的田間輪式小車控制系統(tǒng)研制

劉志剛，吳東明， 汪小志

(1.南昌大學，南昌　330031；2.焦作師范高等專科學校，河南 焦作　454000；3.南昌工學院，南昌　330108)

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線性天線陣列自抗擾的田間輪式小車控制系統(tǒng)研制

劉志剛1,3，吳東明2， 汪小志1,3

(1.南昌大學，南昌330031；2.焦作師范高等專科學校，河南 焦作454000；3.南昌工學院，南昌330108)

摘要：隨著移動通信技術的發(fā)展，陣列技術也得到了廣泛應用，并形成了智能天線的研究領域，而具有自適應和抗干擾能力的線性陣列天線是研究的熱點。為此，提出了一種具有自抗擾能力的田間追隨小車控制系統(tǒng)，并設計了小車的機械與傳動結構。該小車利用線性陣列天線可以簡單而靈活地操作控制信號，從而可以獲得理想的空間定向波束，充分高效地利用用戶信號，并刪除或者抑制干擾信號。設計了田間追蹤小車的樣車，并設計了一個由N個天線單元組成的線性陣列。通過測試發(fā)現(xiàn)：小車在受外界轉矩干擾后，系統(tǒng)的橫向和縱向通道仍然能夠很好地追隨各自的設定值，具有較好的魯棒性，可以保證在田間復雜環(huán)境和信號干擾的情況下，具有較高的作業(yè)效率和精度。

關鍵詞：追隨小車；線性陣列；抗干擾；自適應；魯棒性

0引言

導航技術是農業(yè)機器人的核心技術之一，近10年來國內外專家和學者對其進行了大量的研究。由于農業(yè)機器人的實際作業(yè)環(huán)境開放性較高，盡管研究人員設計了很多傳感器和監(jiān)控設備，但仍然無法實現(xiàn)機器人在開放的環(huán)境中獨立自主地工作。要完全實現(xiàn)機器人的自主導航，還需要進行大量的研究工作。出于對成本和安全的考慮，研究一種無人操作的自動追隨小車具有重要的意義。追隨小車可以自動跟隨駕駛員駕駛的母車進行作業(yè)，從而實現(xiàn)田間的自動化作業(yè)。

田間追隨小車在進行作業(yè)過程中，由于野外環(huán)境的復雜性，輪胎和地面、輪子和驅動力、回轉力都是非線性變化的，時刻面臨障礙物、振動及惡劣的自然條件，使追隨小車的控制存在很多未知的干擾因素，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)很難滿足小車控制系統(tǒng)的設計需求。線性陣列天線具有自適應和抗干擾能力，具有較好的魯棒性，能夠保證小車在復雜環(huán)境下控制的穩(wěn)定性，將其應用在田間追隨小車的控制系統(tǒng)中，可以產生較好的控制效果。

1田間輪式追隨小車結構模型

田間輪式追隨小車的控制系統(tǒng)是一個時變非線性的多輸入多輸出的耦合系統(tǒng)，其設計一直是國內外研究的熱點。近年來，國內外對其進行了大量的研究，取得了一定的成果。水稻自動追隨小車的作業(yè)實際效果如圖1所示。

圖1　水稻收割自動追隨小車

該小車采用精度較高的RTK-GPS來控制兩臺收割機的行走軌跡。通過實驗發(fā)現(xiàn)：在作業(yè)速度達到0.3m/s時，子機的追隨的橫向和縱向偏差分別為8cm和19cm。

圖2為田間追隨小車的結構示意圖。工作時，電機首先帶動減速齒輪進行傳動，然后利用前后轉動軸帶動錐齒輪，最后帶動輪胎轉動。其密封性能好，傳動比大，扭矩高，適合在田徑復雜的地塊下進行作業(yè)。

2轉向機構設計

田間輪式追隨小車的轉向設計是重點，是保證小車能正常換壟的關鍵。其萬向軸的兩個軸線之間存在夾角，連接的兩個軸可以做連續(xù)的回轉，并將轉矩和運動傳遞。田間輪式追隨小車的傳動屬于低扭矩傳動，因此可以選擇萬向節(jié)的形式，其軸的材料選用的是45鋼，并做調質處理，最小軸徑的計算表達式為

(1)

其中，C值可以通過查表得到，n2表示轉速，P2表示功率。軸的兩端進行打孔，假設孔的直徑為dh，則最后軸徑為

d1=dmin+dh

(2)

車輛的轉向主要是依靠轉向杯來帶動車輪進行轉向，而旋轉運動可以利用連桿轉換為直線運動。其轉換原理如圖3所示。

1.電機　2.球籠式萬向聯(lián)軸器　3.軸承

1～5. 活動構件　1～7.低運動副

將虛約束去掉后，設計轉向運動。為了順利地實現(xiàn)運動轉換，需要對自由度進行計算，其表達式為

F=3n-2PL-PH

(3)

其中，n為活動構件的數目；PL為低運動副；PH為高運動副。由圖3可以得出田間追隨小車的自由度為1，但田間作業(yè)環(huán)境比較顛簸，為了防止小車構件受顛簸影響，將自由度放寬為3。其原理如圖4所示。

圖4　三自由度轉向結構簡圖

添加運動副后，將裝置的自由度進行了放寬處理，使田間追隨小車在作業(yè)過程中可以平穩(wěn)轉向。最終機構立體效果如圖5所示。

圖5　轉向機構立體示意圖

田間追隨小車在追隨的過程中，轉向機構在接受轉向信號時往往會受到干擾，因此需要采取必要的手段消除田間作業(yè)干擾。本研究采用線性相控天線陣控制模型，可以有效地增強小車的抗干擾能力，提高轉向的可靠性。

3線性相控天線陣控制模型

根據小車的尺寸，其動力選擇市場上最常用的RC模型方案，小車實驗平臺母機和子機車載工控機都選用Atmel公司生產的ATmega128單片機，其主控系統(tǒng)電路結構如圖6所示。

控制系統(tǒng)主要包括I/O結構、電源電路、晶振復位電路、JTAG接口和中控芯片。其中，電機使用RC模型的無刷電機作為動力輸出，其結構如圖7所示。

圖6　控制系統(tǒng)結構原理圖

圖7　無刷電機示意圖

無線電機的優(yōu)點是體積小、轉速高、噪聲小和使用壽命長，并且有較強的續(xù)航能力。根據以上優(yōu)點，設計了追隨小車的動力傳遞結構，其原理如圖8所示。

圖8　電機動力傳遞結構示意圖

為了提高小車的自抗擾性能，信號的傳輸采用線性陣列天線，天線陣列是一個由N個天線單元組成的線性陣列，均勻地排成一條線，其結構如圖9所示。

其中，天線在y方向上等間距均勻分布，間距為d，每個天線單元的激勵電流為Ii,i=(0,1,2,…,N-1)。其中，輻射電場的強度與激勵電流Ii成正比，天線單元方向函數假設為fi=(θ,φ)，則第i個線性單元對追隨小車在遠區(qū)產生的電場強度為

(4)

其中，ki為第i個線性單元的輻射場比例系數；ri為第i個線性單元到追隨小車的距離。每個天線單元的激勵電流為

Ii=aie-jiΔφB

(5)

其中，ai為激勵電流幅度的加權系數；ΔφB為線性陣列中兩個相鄰單元的反饋電位差。在線性陣列天線發(fā)射和接受信號的過程中，其信號波的波束指向迅速且非常靈活，還可以實現(xiàn)多種信號波束的并行工作，雷達的自適應能力較強。

圖9　線性相控天線陣原理圖

4自抗擾實驗研究

為了驗證田間追隨小車的自抗擾性，設計了追隨小車的樣車。實驗樣車采用直流電動機作為動力源，電機輸出的動力通過減速器傳遞給車輪，并利用萬向軸進行方向的控制，實現(xiàn)田間母機的追隨。具體實驗樣機如圖10所示。

圖10　田間追隨實驗小車

為了測試小車的抗干擾性能，建立了半波陣子矩形平面相控陣天線模型，并對有無故障時的最大增益、最大副瓣電平及輻射功率等輻射特性參數的變化情況進行了測量，得到了如表1所示的結果。

表1　故障前后相控陣天線模型參數特性

由表1的測量數據可以看出：隨著故障單元數目的增大，天線的增益有所下降，最高電平有所抬高；但輻射的功率有所降低，這種變化可以通過小車的自抗擾進行削弱。

圖11為在無外界干擾的情況下追隨小車輸出偏差值。由圖11可以看出：在無外界干擾時，追隨小車的橫向誤差和縱向誤差都比較小，小車對母車的追隨精度較高。

圖11　無外界干擾下追隨小車車間距輸出偏差值

圖12為對追隨小車控制系統(tǒng)施加轉矩擾動后得到的小車橫向和縱向偏差曲線。由圖12可以看出：受外界干擾后，小車系統(tǒng)的橫向和縱向通道仍然能夠很好地追隨各自的設定值，系統(tǒng)具有較好的魯棒性，可以滿足系統(tǒng)的控制要求。

圖12　有外界干擾下追隨小車車間距輸出偏差值

5結論

依據天線陣列理論，根據自主導航原理，提出了一種具有自抗擾能力的田間追隨小車控制系統(tǒng)，并設計了小車的實驗樣機。對實驗小車故障前后相控陣天線模型參數特性進行了測量，由測量結果發(fā)現(xiàn)：隨著故障單元數目的增大，天線的增益有所下降，最高電平有所抬高，但輻射的功率有所降低。對小車的抗干擾性測試發(fā)現(xiàn)：小車在受外界轉矩干擾后，系統(tǒng)的橫向和縱向通道仍然能夠很好地追隨各自設定值，具有較好魯棒性，為田間追隨式小車的研究提供了可靠的理論依據和技術參考。

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Control System Development for the Wheeled Field Vehicle of Auto-disturbance Rejection Based on Linear Antenna Array

Liu Zhigang1,3, Wu Dongming2, Wang Xiaozhi1,3

(1.Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2.Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000, China;3.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

Abstract：With the development of mobile communication technology, array technology has been widely used, and formed the research field of smart antenna, which has adaptive and anti-jamming capability of linear array antenna is a hot research. Based on this, a field with the auto disturbance rejection ability of the field to follow the car control system, and the design of the car's mechanical and transmission structure. The vehicle can be used to control the signal with simple and flexible operation, so as to obtain the ideal spatial directional beam, and make full use of the user's signal, and delete or inhibit the interference signal. Design of experiment of tracing robot prototype, and the design of a linear array of composed of N number of antenna elements, found by testing, car after external interference torque, system of horizontal and vertical channels can still good follow their respective set value, has better robustness, can guarantee in the field of complex environment and signal interference, with high working efficiency and precision.

Key words：follow the car; linear array; anti jamming； adaptive; robustness

中圖分類號：S237；TN958

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0202-05

作者簡介：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。通訊作者：汪小志(1981-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目(41505015)

收稿日期：2015-12-04