高速插秧機自動轉向系統(tǒng)研制

印 祥，劉崗微，楊騰祥，金誠謙,

(1.山東理工大學，山東 淄博 255000；2. 農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所，南京 210014)

0 引言

隨著自動控制技術和導航定位技術的快速發(fā)展，農業(yè)裝備的自動化程度和智能化水平也在不斷提高。作為農業(yè)裝備智能化的重要支撐技術，基于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS, Global Navigation Satellite System)的農機自動導航越來越多地應用于拖拉機、自走式聯(lián)合收獲機及乘坐式高速插秧機等田間行走機械的作業(yè)過程中[1-4]。農機自動導航系統(tǒng)主要由衛(wèi)星定位接收裝置、姿態(tài)測量裝置、自動轉向裝置、導航控制器與操作界面、速度自動控制裝置和CAN總線通信控制系統(tǒng)組成。其中，自動轉向是實現(xiàn)農機自動導航的基礎和前提。目前，針對輪式拖拉機的自動轉向，主要通過在原有液壓助力轉向系統(tǒng)上并聯(lián)電磁比例閥和電磁換向閥的方式實現(xiàn)轉向油缸的自動控制[3,5]；而乘坐式高速插秧機大多采用整體式液壓助力轉向裝置，不能通過并聯(lián)油路的方式實現(xiàn)自動轉向[6-8]。在采用步進電機提供轉向力矩以帶動方向盤轉動的情況下，因步進電機具有保持力矩，需要在步進電機和轉向軸之間安裝離合機構以切斷步進電機的動力，便于緊急情況下的人工操作。

本文針對高速插秧機自動轉向的上述問題，以無刷電機作為動力源研制了基于數(shù)字PID(比例-積分-微分)控制方法的高速插秧機自動轉向系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構成

筆者以市場上現(xiàn)有的乘坐式高速插秧機久保田SPV-6C為作業(yè)平臺，結合其底盤結構和轉向機構的特點，研制了如圖1所示的高速插秧機自動轉向系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括帶減速器的無刷電機、電機驅動器、轉向控制器、轉角傳感器、傳動機構及工控機等。轉向控制器根據轉角傳感器的測量值和通過CAN總線接收到的轉向指令，實時計算無刷電機的旋轉方向和旋轉速度并將指令信號發(fā)送至電機驅動器以控制無刷電機的動作。傳動機構將無刷電機的旋轉力矩傳遞至插秧機液壓轉向機構的轉向管柱。轉角傳感器用以檢測前輪的轉向角度并將其反饋至轉向控制器。工控機通過CAN總線將轉向指令發(fā)送至轉向控制器。

圖1 自動轉向系統(tǒng)構成Fig.1 Structure of automatic steering system

2 硬件系統(tǒng)設計

2.1 轉向機構設計

將高速插秧機置于旱地、水田中，采用扭力扳手測量并記錄旋轉方向盤過程中的扭矩變化，其最大值為9.6 N·m。考慮到水田作業(yè)過程中泥腳深、易陷車等因素會導致方向盤旋轉阻力增大，該文選用12V、200W的無刷減速電機，減速比為30，額定輸出扭矩和轉速分別為18N·m和100r/min。

如圖2所示：為便于機械部分的安裝，采用鏈條鏈輪傳動機構將無刷減速電機的輸出傳遞至插秧機轉向管柱，同時保留方向盤以滿足人工操作的需求。同時，無刷減速電機的輸出端安裝有摩擦式扭矩限制器以保證在緊急情況下操作人員能夠克服電機扭力轉動方向盤。

圖2 轉向機構及其安裝Fig.2 Installation of steering mechanism

2.2 轉向角測量

該文選用旋轉式精密電位計作為轉角傳感器測量轉向角度，其輸入軸通過同步帶傳動機構與轉向軸聯(lián)接。通過測量高速插秧機的轉向機構運動特點以及前輪轉向角與轉向軸的角度關系和旋轉范圍，選用了有效角度為360°、阻值5kΩ的旋轉電位計，并確定同步帶傳動的傳動比為3∶1，以保證測量角度在電位計的測量范圍之內。

2.3 轉向控制器設計

轉向控制器是自動轉向系統(tǒng)的控制核心，用以讀取轉向角傳感器的角度測量值，接收CAN總線上的轉向指令，并實時計算無刷電機的旋轉方向和旋轉速度。根據上述系統(tǒng)功能要求，本研究以PIC18F458單片機為中央處理器、PCA82C250為CAN總線接口芯片、MAX232為串口芯片設計并制作了如圖3所示的轉向控制器硬件電路。

轉角傳感器輸出的角度測量值為模擬信號(0～5V)，由中央處理器內部的10位A/D轉換器轉換為數(shù)字信號(0～1024)。中央處理器通過PCA82C250接收轉向指令，并通過MAX232輸出相關運算結果以便于調試與監(jiān)控程序的運行過程。引腳C2和D0分別輸出PWM信號和高/低電平信號至電機驅動器，以控制電機的旋轉速度和旋轉方向。

圖3 轉向控制器Fig.3 Automatic steering controller

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 轉向控制算法

本研究采用PID控制算法實時計算無刷電機的旋轉速度和旋轉方向，其控制原理如圖4所示。

圖4中，φd和φa分別為期望角度值和實際角度值，E(ti)為ti采樣時刻的角度誤差，則

E(ti) =φd-φa

(1)

文中，KP、KI和KD分別為比例運算、積分運算和微分運算的調整系數(shù)，則SO為

SO=KP·E(ti) +KI·[E(ti)-2E(ti-1)+E(ti-2)+

KD·[E(ti)-E(ti-1)]

(2)

調整系數(shù)KP、KI和KD的值需要通過轉向實驗確定，以保證自動轉向系統(tǒng)在快速響應的同時具有較小的超調量。當SO>0時，無刷電機朝某一方向旋轉，使誤差E(ti)減小至0；當SO<0時，無刷電機相反方向旋轉，使誤差E(ti)減小至0；當SO=0時，無刷電機停止。

圖4 PID轉向控制算法Fig.4 PIC control algorithm for automatic steering

3.2 軟件設計

根據轉向控制器硬件電路、轉向控制算法、轉向控制器的輸入輸出信號等要求，基于MPLAB IDE開發(fā)環(huán)境開發(fā)了轉向控制器程序，其工作流程如圖5所示。系統(tǒng)初始化后，首先接收CAN總線上的轉向指令，然后讀取角度傳感器的數(shù)值，根據PID轉向控制算法計算SO的值，判斷SO值的大小后向電機驅動器發(fā)送相應的PWM信號和高低電平信號。

根據圖5所示的工作流程，本研究在基于C語言的PIC單片機編程環(huán)境下完成了程序編寫，利用PICkit3編程器進行了程序下載和在線仿真測試。

圖5 轉向控制器工作流程圖Fig.5 Flow chart of steering controller

4 試驗與數(shù)據分析

如圖6所示：為了評價所研制的高速插秧機自動轉向系統(tǒng)的工作性能，將RTK-GNSS接收機安裝于高速插秧機的前橋上方，由工控機以10Hz的控制頻率給轉向控制器發(fā)送轉向角度指令，記錄不同前輪轉向角下的RTK-GNSS定位數(shù)據以描述其行駛軌跡。

圖6 轉向控制實驗Fig.6 Experiments for automatic steering

本研究規(guī)定左轉時的前輪轉向角為正、右轉時的前輪轉向角為負。角度指令在[-5°,+5°]范圍時，轉彎半徑較大，僅記錄其轉向誤差變化；角度指令在[-40°，-5°)和(+5°，+40°]范圍內時，根據其行駛軌跡計算平均轉彎半徑，同時記錄轉向誤差變化。

表1為實驗過程中所記錄的測量數(shù)據。圖7所示為角度指令分別為-8°、-15°、-25°時高速插秧機的行駛軌跡。圖7中灰色線條為RTK-GNSS記錄的實際行駛軌跡，黑色線條為理論行駛軌跡。

表1 自動轉向實驗Table 1 Automatic steering experiments

續(xù)表1

(a) φd=8°，Ra=7.49m

(b) φd=15°，Ra=4.35m

(c) φd=25°，Ra=2.50m圖7 行駛軌跡Fig.7 Movement trajectories

由角度的最大誤差、均方根誤差和行駛軌跡可知：本文所研制的電動自動轉向系統(tǒng)在[-10°，10°]范圍內的轉向控制誤差小于1°，具備良好的控制穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足高速插秧機田間自動導航的基本要求。

5 結論

1)研制了高速插秧機自動轉向系統(tǒng)，能夠通過CAN總線接收轉向指令，使前輪轉動至期望的角度值。

2)該系統(tǒng)采用直流無刷電機作為動力源，經減速增扭和鏈輪鏈條傳動后帶動高速插秧機的轉向軸旋轉，機械結構緊湊、便于安裝。

3)無刷電機的輸出端采用扭矩限制器，能夠保證緊急情況下的人工操作。

4)田間試驗表明：該系統(tǒng)在[-10°,+10°]范圍內的轉向控制誤差小于1°，具備良好的控制穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足高速插秧機田間自動導航的基本要求。