智能農機自動導航系統應用研究

戴增輝，何鳳琴

(1.上海立達職業技術學院,上海 201609；2.上海師范大學，上海 200234)

智能農機自動導航系統應用研究

戴增輝1，何鳳琴2

(1.上海立達職業技術學院,上海 201609；2.上海師范大學，上海 200234)

首先設計了農機自動導航系統硬件及軟件，分析了常見四輪農機結構，并以此作為研究平臺展開模型分析，為后續自動導航算法奠定基礎。研究了定位坐標系，分析了大地坐標系、直角坐標系及二者相互轉化，確定導航定位解算原理及差分定位原理，在此基礎上設計導航系統關鍵組成部分。最后，基于農機導航定位系統原理進行農機姿態測量及路徑追蹤，在此基礎上提出路徑追蹤改善方法，從而為后續農機自動導航系統設計提供參考。

農機；導航；坐標系；定位

0 引言

目前，我國耕地面積位居世界前列，但種植效率遠低于世界發達國家，究其原因是農業機械化程度較低，種植過程中需要耗費大量人力。隨著我國農業種植模式由小面積分散型種植向大面積集中種植不斷轉變，傳統種植模式已經無法滿足實際需求，因此亟待提升我國農業生產機械化程度。當前，農業機械作業速度不斷提高，人工操作難度越來越大，為提高農業機械操作效率和安全性，需在我國農機控制過程中引進智能化農機導航系統。為此，筆者展開了智能農機自動導航系統研究。首先，以當前常見農機作為研究對象，探究具有一定實用性的農業機械導航系統；其次，對農業機械導航系統的導航控制、組合定位、轉向等關鍵技術展開研究，提升農業機械導航系統可操作性、穩定性、定位精度，為農業機械智能化控制奠定堅實基礎。

1 智能農機自動導航系統

在常見農機基礎上設計一套完整的液壓系統，主要包括電機、油箱、油缸、油泵、液壓閥、轉向控制器及安全閥，裝有無線衛星接收系統，結合角度傳感器設計出硬件模擬平臺；模擬拖拉機運行狀況，對導航算法精確度、編程可行性等展開研究，并為后續程序改進及算法改善奠定堅實基礎。

1.1 模型車結構分析

農機自動導航主要是實現農業機械的自動轉向和提升轉向精確度。為提高農機自動導航系統實用性，本研究將常用農機配備一整套硬件平臺，模擬大型拖拉機工作過程，結合軟件導航系統設計一套農機自動導航系統硬件設施。模型機構如圖1所示。

圖1 電動模型車的機構圖

模型車系統主要包括車體結構、電子控制器、電機、電源、充電器及顯示器等部分，結合可拆裝液壓系統，便于展開多次實驗。其主要功能如下：

1)車體。主要包括車身結構、車輪、轉向結構，另外還包括指示燈、座椅、喇叭、反光鏡等。

2)電動機。類型為三相感應電動機，是模型動力裝置。

3)中央控制器。主要功能是控制電動機開關、速度、轉向。

4)蓄電池。提供模型所需動力及照明電力。

當前，大多農機均采用液壓系統作為轉向動力，本設計轉向油路構成包括方向盤、轉向器、轉向油泵、液壓轉向油缸及油箱，結構如圖2所示。

圖2 農機原配轉向油路示意圖

農機液壓機構包括裝箱機構、油缸、油泵、溢流閥、單向閥、過濾器、轉向輪及輔助元件。液壓裝置及轉向機構在設計時應該根據功率需求及農機實際作用選取適當信號。若功率較大，則選用開芯且無反應轉向器，當轉向器位于中間位置時，可有效實現自主卸荷；若功率較小，則選用閉芯轉向器，當轉向器位于中間位置時，需經過相互匹配變量泵后完成卸荷。

可編程控制器主要通過編程實現對系統的控制過程。農機上安裝的接收機接收無線衛星信號，并將信號傳輸至車載電腦；自動導航軟件系統對所接收信號進行處理后傳送至可編程控制器，之后控制液壓系統、轉向機構，控制轉向角度，實現農機自動導航。設計過程中，在模型車上安裝小型液壓系統及拖拉機液壓系統，結合導航算法設計程序，并通過可編程控制器自帶觸摸控制顯示器進行編程及系統控制。

1.2 軟件控制系統

軟件設計可有效提升農機自動導航系統控制便利性，且可通過軟件調試糾正提升算法穩定性,實現農機行走控制及農機作業控制。拖拉機自動駕駛模擬軟件通過QT平臺開發兩次，在實際控制中通過界面對追蹤結果進行動態顯示，并通過對話框設置拖拉機行走路徑及原始狀態；通過定時器結合算法推算拖拉機路徑信息，并在系統中自動規劃出下一單位時間行走路徑及方向。軟件主流程圖如圖3所示。

圖3 軟件主流程圖

2 導航定位與航向角度測量

2.1 定位原理

農機導航主要通過衛星導航系統實現，在定位時需要將地球作為參考系，建立地球坐標系。地球坐標系又可分為直角坐標系和大地坐標系。直角坐標系主要指以設定地球質心作為原點O，北極與原點O連線所在直線作為Z軸，0°經線與質心連線作為X軸，將垂直于X軸和Z軸且經過兩軸交點的直線作為Y軸，記作坐標系XYZ，坐標系所在點可表示為(x,y,z)；大地坐標系主要指地球橢球中心與地球球心重合，地球橢球短軸與其自轉軸重合，緯度為過地球橢球中心與地球球心重合點橢球法線與赤道夾角為φ，經度為地球橢球中心與地球球心重合點所在橢球子午面和格林威治大地子午面之間的夾角λ。高度h為地球橢球中心與地球球心重合點沿著橢球法線方向所在直線到球面距離，坐標系所在點可表示為(φ,λ,h)。直角坐標系與大地坐標系間可互相轉換，如某點P直角坐標系為(x,y,z)，在大地坐標系中為(φ,λ,h)，轉換關系為

其中，n為曲率半徑；e為第一偏心率。設地球所在橢球長半徑和短半徑分別為a、b，則

通過疊加法求得

直角坐標系和大地坐標系經常進行過互相轉換。在大地坐標系中進行定位，得出定位點坐標屬于經緯度坐標位置；在直角坐標系中進行定位，得出定位點坐標屬于地表坐標位置。實際應用中，不可直接將大地坐標系用于農機導航，直角坐標系可直接用于農機導航。

2.2 定位解算

若要實現精準定位，則需保證移動站和衛星標準時間同步，在此基礎上進行三維定位，在此過程中存在3個未知量，因此需要3個獨立方程求解。實際上，難以實現移動站和衛星標準時間同步，在實際作業定位過程中將移動站和衛星標準時間差量作為第4個未知量，因此需要4個獨立方程進行求解，即需要在空中具備4顆定位衛星。

圖4為定位原理圖，分別有定位衛星1、2、3、4，其坐標在圖4中標出。由圖4可知：4顆衛星分別對待測點進行定位量測，得出4個方程為

c(Vt1-Vt0)

c(Vt2-Vt0)

c(Vt3-Vt0)

c(Vt4-Vt0)

4個未知量分別為待測點三維坐標參數(x0,y0,z0)和Vt0。其中，di(i=1,2,3,4)為4顆衛星到接收機間距；Vti(i=1,2,3,4)為4顆衛星鐘差，可通過衛星星歷得到；Vt0是接收機鐘差。在此基礎上可得

di=cΔti

圖4 定位原理圖

2.3 雙天線航向測量

航向測量坐標系即農機工作地點水平坐標系(LLS)，原點為GNSS天線陣列主天線相位中心，將正北方向作為X軸正方向，將正東方向作為Y軸正方向，XY互相垂直，Z軸與X軸、Y軸均垂直且滿足右手定則。O-XYZ為大地坐標系，設H-XYZ為LLS坐標系，對其中某點設其LLS坐標系和經緯度(B,L)情況下，對其進行坐標變換：

1)圍繞Z'軸旋轉角度(180+L)°，從而獲得坐標系H-X″Y′Z′；

2)圍繞Y''軸旋轉角度(270+B)°，從而獲得坐標系H-X′Y′Z′；

3)在上述兩步基礎上，圍繞X''軸旋轉角度180°。轉換過程如圖5所示。

圖5 坐標系轉換過程

通過以上步驟可將大地坐標系轉換為LLS坐標系。在此基礎上可得

xLLS=Rx(180°)Ry(270°+L)Rz(180°+L)×

RY(270°+B)=

Rz(180°+L)=

將接收天線安裝于需自動導航農機上，使用雙天線測量農機姿態可得出其航向角及俯仰角；之后固定天線，便可實現精確測量。

雙天線航向測量圖如圖6所示。其中，A1和A2的坐標分別為(0,0,0)、(L2,0,0)；L2表示兩天線間距。由此可知

其中，ψ為航向角，θ為俯仰角。

3 航向追蹤和路徑追蹤

3.1 航向追蹤

自動轉向控制系統目的首先是實現對農機精確導航，控制農機航向及路徑；其次為路徑追蹤及導航控制奠定基礎。航向追蹤主要指在已知農機當前航向下通過控制技術使其航向與目標航向一致。

1)航向追蹤控制的PID校正。一般PID控制屬于線性控制技術，控制算法比較復雜，具有良好控制效果。根據校正方式不同可將其分為比例、微分、積分3個校正環節。比例環節按比例對系統誤差做出響應，并迅速推動控制器作用，縮小系統誤差；調節速度與比例系數為正比關系；最后通過積分環節消除系統存在的穩態誤差，消除效果與積分常數呈正相關，消除過程中易出現穩定性及振蕩問題。因此，在微分環節需要根據誤差信號做出應對，并在誤差信號變大前輸入早期矯正信號，以此降低調節時間，提升系統響應速度。

2)基于速度的自適應PID控制。農機實際作業過程中會出現以下幾種情況：①正常作業時，其速度保持不變：②轉彎時，速度連續變小；③曲線行駛時，速度隨曲率變化不斷改變；④操作結束時，速度連續降低直至為零。

實際設計中，將速度改變作為基本依據，設計自適應PID控制器，通過PID自適應控制器實現航向追蹤控制目的。首先計算得出農機實際航向與目標航向誤差，并將其作為控制器輸入錄入系統，控制器結合農機實際運行狀況生成在線調節參數，并輸出控制參數控制轉向輪。

圖6 雙天線航向測量圖

3.2 路徑追蹤

路徑追蹤可分為3個步驟：首先是獲取農機相對預期目標的動態參數；其次對操縱控制量進行決策；最后實現精確控制操作。在實際操作中，采用位置信息接收機接受農機相對預期目標的動態參數，并將其作為基本信息展開分析；設定預瞄點，確定橫向追蹤誤差和縱向航向偏差兩個參數，并結合程序算法得出最佳控制動作，在指定時間點執行該動作；農機在運行過程中其運動狀態參數被不斷傳送至系統，處于不斷循環控制動態過程。

4 結論

設計了一套完整的液壓系統，包括電機、油箱、油缸、油泵、液壓閥、轉向控制器及安全閥，裝有無線衛星接收系統；結合角度傳感器設計出硬件模擬平臺，模擬拖拉機運行狀況，對導航算法精確度、編程可行性等展開研究。結合模型設置軟件控制系統和硬件控制系統，在此基礎上展開導航定位與航向角度測量及航向追蹤和路徑追蹤分析，得出科學有效控制策略，實現對農機運行全過程自動導航。

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Research on the Application of Intelligent Automatic Navigation System of Agricultural Machinery

Dai Zenghui1，He Fengqin2

(1.Shanghai Lida Polytechnic Institute,Shanghai 201609, China; 2.Shanghai Normal University，Shanghai 200234, China)

This paper focuses on the application of intelligent agricultural machinery navigation system. First, design the hardware and software of farm machinery auto - navigation system, analyze the common four - wheel farm machinery structure, and then analyze it as the research platform, and lay the foundation for the following automatic navigation algorithm. After the study of location coordinate analysis, geodetic coordinate system, coordinate system and the two mutual conversion, determine the positioning and navigation solution principle and the differential positioning principle, on the basis of the design of the key component of navigation system.Finally,based on the principle of the agricultural machinery navigation and positioning system for attitude measurement and path tracking, on this basis, the path tracking improvement method is proposed to provide reference for the follow-up of the automatic navigation system of agricultural machinery.

agricultural machinery; navigation; coordinate system; location

2016-12-15

國家自然科學基金項目(51608325)

戴增輝(1975-)，女，哈爾濱人，講師，(E-mail)lvvytj@163.com。

S127

A

1003-188X(2018)02-0202-05