高地隙植保機輔助駕駛系統設計與試驗

陳黎卿 許 鳴 柏仁貴 楊 洋 張 鐵 楊學軍

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 230036；3.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

高地隙植保機作為田間管理機械的一種，其作業環境較為復雜，駕駛員操縱時受到視野和植株遮擋等影響，易出現傷苗現象。近年來，國內外眾多學者針對拖拉機、植保機械的自動駕駛[1-5]、導航控制系統[6-10]、對靶噴霧[11-15]以及霧滴漂移特性[16-18]等開展研究,取得了一定的研究成果，為高地隙植保機的自動駕駛發展打下了基礎。從現有研究成果分析得知，目前高地隙植保機的自動駕駛主要集中于導航或圖像處理等技術在機械上的應用，針對駕駛系統的設計主要是使用電機控制的轉向系統，但在田間轉向等特殊工況下依然存在轉向延遲的問題，尚需進一步研究。

本文以黃淮海地區玉米植保機為研究對象，通過在現有高地隙植保機基礎上對其液壓系統進行設計，開發一套基于液壓控制的輔助駕駛系統，使其作業時具有人工駕駛和輔助駕駛兩種模式。

1 傳統高地隙植保機結構與原理

1.1 整機結構

高地隙植保機結構簡圖如圖1所示，主要由四輪驅動系統、前后液壓轉向系統、柴油機、油泵、液壓無級變速系統、分動器等組成。主要結構參數如表1所示。

圖1 高地隙植保機結構簡圖Fig.1 Structure diagram of high-gap plant protection machine1.轉向柱 2.方向盤 3.座椅 4.柴油機 5.油泵 6.分動器 7.機架 8.后橋 9.后輪轉向油缸 10.液壓油箱 11.前橋 12.人字形輪胎 13.前輪轉向油缸

1.2 工作原理

該高地隙植保機為四輪驅動，動力傳遞順序依次是柴油機、油泵、液壓無級變速器(HST)、分動器、驅動橋。轉向系統采用液壓轉向控制，液壓轉向的動力由柴油機帶動油泵提供；油泵上裝有液壓無級變速系統，通過驅動電機帶動拉桿改變HST中柱塞泵的變量盤傾斜角度控制其排量和方向，改變柱塞馬達的轉速與方向，從而控制分動器的轉速達到控制車速的目的；其中動力、轉向系統示意圖如圖2所示。

表1 高地隙植保機主要結構參數Tab.1 Main structure parameters of high-gap plant protection machine

圖2 高地隙植保機動力和轉向系統示意圖Fig.2 Power and steering system schematic of high-gap plant protection machine

2 輔助駕駛系統設計

2.1 設計方案

高地隙植保機離地間隙較高，駕駛員難以觀察到行間行走時的苗帶情況，易出現壓苗、傷苗等現象，因此設計的輔助駕駛系統應能夠實現行間自主行走。為了實現輔助駕駛功能，在原有高地隙植保機液壓助力轉向系統基礎上并聯一套輔助轉向液壓系統，原理如圖3所示。圖中P為系統壓力油輸入口、T為系統回油口、P1為全液壓轉向器壓力油輸入口、T1為全液壓轉向器回油口、P2為優先閥的優先口、LS為負載壓力反饋口。通過電磁閥開關實現人工駕駛和輔助駕駛自動切換功能，該電動助力轉向閥組由博世力士樂生產，型號為TG171200，主要由液壓鎖、比例換向閥、卸載閥、邏輯閥、電磁閥、溢流閥、優先閥等部件組成。其中液壓鎖的作用是確保植保機的原轉向系統工作時不受并聯的電動助力轉向閥組影響；比例換向閥是通過輸入電信號而連續按比例對液壓油的流量、方向進行控制；卸載閥的作用是控制油泵的卸荷和加載；電磁閥的作用是通過通斷電改變比例閥油路的通斷；溢流閥的作用是保護閥組油路；邏輯閥的作用是對比例換向閥的供油節流口進行壓力補償，保證進出口壓差基本保持不變，從而使比例換向閥的輸出流量只與閥芯開口大小有關，而不受負載壓力變化的影響；優先閥是保證油路優先從P2口進入負荷傳感型全液壓轉向器，當全液壓轉向器處于中位時油路不通，在優先閥的油壓達到某一值時推動彈簧實現換向。系統在原有的液壓助力轉向基礎上，并聯了該閥組模塊，壓力油從P口進入，經過優先閥，并從P2口流出進入全液壓轉向器的P1口，此時處于人工駕駛狀態；當方向盤處于中位并給電磁閥通電時，則使輔助駕駛油路連通，液壓油在優先閥作用下進入比例換向閥，此時處于輔助駕駛狀態，當人工轉動方向盤時，全液壓轉向器閥芯離開中位，優先閥油壓降低，優先閥在彈簧的作用下實現換向，此時液壓油從P2口流向全液壓轉向器，人工駕駛直接啟動，該功能可保證輔助駕駛系統的安全性。兩種駕駛模式通過按鍵操作，按鍵安裝在操作面板上，駕駛員可以根據行駛時的行間狀態進行模式切換。輔助駕駛狀態時，液壓油在優先閥的作用下經比例換向閥到達轉向油缸，工作時利用NI板控制比例閥的電信號從而控制閥芯的移動，達到對液壓油流量、方向的控制，使油缸產生位移，完成輔助駕駛工況下的自動轉向工作。

圖3 輔助轉向液壓系統原理圖Fig.3 Principle diagram of auxiliary steering hydraulic system1.優先閥 2.電磁閥 3.溢流閥 4.邏輯閥 5.卸載閥 6.比例換向閥 7.雙向液控單向閥 8.轉向油缸 9.負荷傳感型全液壓轉向器

2.2 轉向系統結構改進

為了獲得行走中輪胎轉向角度和轉向液壓缸的映射關系，建立如圖4所示轉向系統幾何模型，其中A為油缸固定端，O為轉向柱的中心點，B為轉向節臂的移動端，轉向節臂的轉角即為轉向輪的轉角。當車輛從直線方向向右轉向時活塞桿向右移動，A、B之間的距離X增大。

圖4 轉向輪偏轉角與油缸位移關系圖Fig.4 Relationship diagram between steering wheel angle and cylinder displacement

圖4中β為右側車輪轉角,(°)；L為油缸固定端到轉向柱中心點的距離，mm；n為轉向節臂長度,mm。設XP為油缸位移,mm，車輪轉角β和轉向油缸位移XP的映射關系為

(1)

根據實際測量，確定L=440 mm，n=160 mm，X=470 mm，得到油缸位移XP與右輪轉角β之間的映射關系如圖5所示。

圖5 車輪轉角與油缸位移之間的關系曲線Fig.5 Relationship between wheel angel and cylinder displacement

由圖5可知，油缸位移與轉角近似呈線性關系，數據擬合確定兩者的比例系數K為6.758 rad/m，通過采集油缸位移和輪胎轉角數據，驗證比例系數K的準確性，試驗數據擬合得到比例系數K為6.743 rad/m，相對誤差0.22%。根據該特點以及轉向機構處于往復擺動的運動方式，采用鉸接式直線位移傳感器，型號為KPC-175mm，其基本參數為：有效行程175 mm，內部電阻5 kΩ，滑刷正常工作電流不超過10 μA，線性精度±0.1%,輸出為0～100%給定輸入工作電壓。如圖6所示，位移傳感器與油缸采用鉸接式平行連接，轉向油缸的位移等量轉換到拉桿式位移傳感器上，通過采集電壓信號實現轉向油缸的位移測量，并由比例系數K得到前輪轉角。

圖6 傳感器安裝位置結構圖Fig.6 Structure diagram of sensor installation position1.轉向柱 2.轉向節臂 3.連接塊 4.轉向油缸推桿 5.位移傳感器 6.轉向油缸 7.驅動橋

2.3 控制系統設計

圖7 輔助駕駛控制系統原理圖Fig.7 Principle diagram of auxiliary driving control system

輔助駕駛系統控制結構如圖7所示，通過電子比例控制器控制直流電機推動拉桿控制HST達到控制車速的目的，在高地隙底盤車輪位置安裝霍爾轉速傳感器，獲取植保機行走速度，作為路徑跟蹤控制模塊的反饋輸入。北斗導航接收機獲取車輛位姿信號，并由路徑跟蹤控制算法得到轉角信號，比例換向閥控制車輪轉向。

根據電動助力轉向閥組的特性將比例集成控制閥塊簡化為通過控制比例換向閥閥芯的左右移動實現液壓油方向和流量的精確控制。由文獻[19]得知電液比例閥控缸的特性，從而獲得液壓缸活塞位移對閥芯位移的傳遞函數為

(2)

式中XV——比例換向閥閥芯位移，m

Kq——滑閥流量增益

AP——主滑閥閥芯的有效作用面積，m2

wh——主滑閥液壓放大級的固有頻率

ζh——主滑閥液壓放大級的阻尼比

閥控缸系統為非線性傳遞，本文采用PID控制算法實現轉向系統閉環控制。

預瞄算法被廣泛地應用在機器人的路徑跟蹤上[20]。該算法以車的后軸為切點，縱向車身為切線，通過控制前輪轉角δ，使車輛可以沿著一條經過預瞄點的圓弧行駛。高地隙植保機在行間作業時以低速直線行駛為主，將高地隙植保機簡化為兩輪轉向模型，如圖8所示。

圖8 追蹤模型直線跟蹤原理圖Fig.8 Line tracking schematic of pursuit model

圖8中，(Gx，Gy)為規劃路徑上的預瞄點；(Cx，Cy)為車輛當前位置；Ld為預瞄距離，即后輪與預瞄點的距離；La為車身軸距；α為車與預瞄點的夾角。根據正弦定理可得到

(3)

(4)

(5)

式中R——圓弧曲率半徑

根據阿克曼轉向公式，前輪轉角δ為

(6)

由式(5)、(6)可得

(7)

根據文獻[21]，可得到預瞄距離計算公式

Ld=Av2+Bv+C

(8)

式中v——車輛行駛速度

A、B、C——常數

式(8)中等式右邊第1項表示車輛制動距離，A=1/(2amax)，其中amax為車輛最大制動加速度，經試驗測量，該植保機最大制動加速度為2 m/s2；第2項表示車輛遇到異常情況進行緊急制動時的車輛反應距離，令B為0.2；第3項表示車輛的最小轉彎半徑，經試驗測量最小轉彎半徑為4.0 m。

在給定車體初始位置和航向角下，根據車輛橫向運動模型計算車輛下一刻的車體位置和航向角等信息，模擬北斗導航反饋給車體的姿態信息，建立Matlab/Simulink仿真模型如圖9所示。

圖9 高地隙植保機仿真模型Fig.9 Simulation model of plant protection machine with highland clearance

仿真結果如圖10所示，黑線為規劃路徑，紅線代表車輛以2 m/s的速度行駛時的行駛軌跡；初始位置橫坐標為8 m，縱坐標為零，航向角θ設為0.8π、初始車輪轉角為零。圖11分別為前輪偏角控制量隨時間的變化曲線和車輛位置偏差曲線圖，仿真結果顯示在橫向偏差3 m的情況下，時間在2.9 s時，橫向偏差接近零，之后方向開始回正，7 s后橫向偏差保持為零，滿足高地隙植保機玉米田間作業要求。

圖10 路徑跟蹤曲線Fig.10 Tracking curve

圖11 仿真效果Fig.11 Simulation effect diagrams

3 田間試驗

3.1 試驗測試平臺搭建

構建高地隙植保機輔助駕駛系統試驗平臺，主要包括車身位姿信息采集、上位機控制系統、下位機控制系統，如圖12所示。

系統的主要組成為：雙天線GNSS組合定位系統、電動助力轉向閥組、路徑跟蹤控制模塊、鉸接式直線位移傳感器、NI PXI-1036型機箱、PXI6211型板卡、霍爾開關、轉速變送器、比例閥控制器、電子比例控制器；GNSS系統采用的是斗星通C201-AT-680型接收機，實時動態差分(RTK)水平精度為(10+10-6D)mm，D表示移動站與基準站距離，km；電源輸入DC 10～32 V；霍爾開關基本參數：輸出方式是三線NPN常開，檢測距離4 mm，工作電壓DC 12 V，感應方式為磁鐵；轉速變送器型號HY194-BS4N，基本參數：輸入0～60 r/min，輸出DC 0～5 V，齒數為5齒，精度0.5級，工作電壓DC 12 V；電子比例控制器型號BL1-L12，工作電壓DC 12 V，電流小于25 mA，功率80 W。首先利用雙天線GNSS接收機測得當前車身的位姿(經度、緯度、航向角等)，上位機采集當前位姿信息，并將經緯度坐標經過高斯投影轉換到空間直角坐標系中，最后轉換到局部坐標。同時在上位機中搭建路徑跟蹤控制算法，將已規劃路徑進行離散化，基于預瞄距離搜索預瞄點，利用預瞄算法獲得期望的前輪偏角。

圖12 試驗系統結構圖Fig.12 Test system structure diagram

3.2 輔助駕駛行走試驗

為驗證輔助駕駛系統行間行走性能，分別在水泥地和玉米田間兩種工況下進行試驗，玉米生長處于三葉期階段，土質較松軟，試驗時以輔助駕駛模式進行路徑跟蹤?？紤]到植保機在田間工作時的速度范圍，試驗車速設定為0.5 m/s，水泥路面試驗在安徽農業大學機電工程園進行、玉米田間試驗在安徽省肥東縣某家庭農場進行。水泥路面導航作業軌跡、橫向偏差、前輪偏角如圖13所示，玉米田間作業軌跡、橫向偏差、前輪偏角如圖14所示。試驗結果表明，在水泥路面上，導航的控制偏差均值為5.2 cm，橫向位置偏差的標準差為3.4 cm。在玉米田間路面上，導航的控制偏差均值為6.8 cm，橫向位置偏差的標準差為4.8 cm，不同路面條件下導航控制偏差的標準差相近，表明輔助駕駛系統具有較好的穩定性。

圖13 水泥路面輔助駕駛試驗結果Fig.13 Assisted driving test results with concrete pavement

圖14 玉米田間輔助駕駛試驗結果Fig.14 Assisted driving test results with corn field

4 結論

(1)針對傳統高地隙植保機作物行間行走容易壓苗的問題，進行了輔助駕駛系統設計，給出了液壓系統、轉向系統、控制系統等結構的詳細設計方案；同時基于預瞄算法進行了高地隙植保機輔助駕駛系統的設計。

(2)基于NI設備和LabVIEW軟件設計了高地隙植保機輔助駕駛系統田間試驗，試驗表明：該系統能夠滿足既定路徑下的行駛，在水泥路面和玉米田間兩種不同的環境下，橫向位置偏差均值為5.2、6.8 cm，標準差為3.4、4.8 cm；該輔助駕駛系統具有良好的行駛穩定性和行間作業精度，能夠滿足作業需求。