自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)自動對行檢測裝置的設(shè)計

高飛揚,王 卓,白曉平,楊 亮

(1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所,沈陽 110016;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

0 引言

甜菜是甘蔗以外的重要糖類作物,由于近些年國家供給側(cè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整及食糖價格的提升,增強(qiáng)了我國農(nóng)民對甜菜種植的積極性,食糖產(chǎn)業(yè)的需求的增長,不僅給制糖廠帶來發(fā)展良機(jī)[1],還促進(jìn)了自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自主研發(fā)。我國在甜菜收獲機(jī)智能化方面起步較晚,甜菜收獲機(jī)械化與智能化程度與國外相比具有很大的差距[2]。目前,我國甜菜收獲機(jī)主要是以進(jìn)口為主,在國內(nèi)自主研發(fā)的甜菜收獲機(jī)方面,多以牽引式為主,自走式聯(lián)合收獲機(jī)則處于樣機(jī)狀態(tài)。目前,國內(nèi)外甜菜收獲機(jī)都存在著一些問題:國產(chǎn)甜菜收獲機(jī)的機(jī)械化水平與生產(chǎn)要求相去甚遠(yuǎn),且存在利用率低、使用成本高的情況;國外進(jìn)口生產(chǎn)收獲機(jī)械則存在不能適應(yīng)我國甜菜種植與收獲條件的問題[3]。

甜菜收獲機(jī)自動對行控制是甜菜收獲的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié),地面不平整及其它因素導(dǎo)致的甜菜收獲機(jī)作業(yè)過程中存在漂移,駕駛員需要不斷調(diào)整方向盤以對齊甜菜作物行,難以集中精力調(diào)整收獲質(zhì)量控制參數(shù),影響收獲質(zhì)量與效率。因此,甜菜收獲機(jī)自動對行控制技術(shù)具有重要的研究價值。

對行控制技術(shù)研究主要包括作物行檢測方法研究與軌跡跟蹤方法研究兩部分,本文重點研究作物行檢測方法。

作物行檢測方法主要分為視覺檢測方法與機(jī)械檢測方法。其中,視覺檢測方法能夠提供包括偏航角和橫向偏差在內(nèi)的導(dǎo)航信息,這些信息在收獲機(jī)姿態(tài)控制中起決定性作用。視覺檢測方法主要分為兩步:第一步是采用圖像處理的手段獲得作物行的特征點,第二步是采用霍夫變換或者線性回歸的方法提取作物行。直接掃描作物行的方法在一些低矮的農(nóng)作物上已經(jīng)有比較好的效果,對于甜菜的作物行的檢測具有參考價值。M.Montalvo[4]提到了可以使用模板匹配的方法獲得特征點,然后通過線性回歸的方法可以進(jìn)行玉米作物行檢測,可以檢測出ROI內(nèi)的玉米作物行,然后規(guī)劃出一條比較合適的路徑。梁習(xí)卉子[5]的文章中描述了一種通過提取已收割與未收割分界線的方法進(jìn)行作物行檢測。Billingsley J[6]分別通過線性回歸的方法縮短了圖像處理所需的時間。Xu L等人[7-8]通過使用隨機(jī)Hough變換,縮短了Hough變換所需的時間,進(jìn)而提高了基于視覺的作物行檢測的實用性。M.Montalvo的文章中所述的方案是在玉米生長期中且雜草比較濃密的情況下對作物行進(jìn)行檢測,對于甜菜這類帶有莖葉的收獲過程中的作物行檢測具有一定的參考價值。因甜菜根莖與土壤難以分辨出來,可以通過檢測甜菜莖葉來進(jìn)行作物行的檢測,再采用梁習(xí)卉子文章中所述的方案檢測作物行。雖然通過一些方法解決了基于視覺的作物行檢測中存在的識別時間長的問題,但基于視覺的對行檢測方法易受到光照、天氣等環(huán)境因素的影響,穩(wěn)定性差。機(jī)械檢測是通過機(jī)械裝置與作物的接觸對作物行進(jìn)行檢測的方法。吳慧昌[9]和王芳艷[10]提出了一種基于角度反饋的甜菜收獲機(jī)對行檢測裝置,進(jìn)行了分析與改進(jìn),在收獲試驗過程中取得了良好的效果;但是,所提到的裝置是基于牽引式甜菜收獲機(jī)進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計方案不能夠直接應(yīng)用于自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自動對行控制。

基于以上分析,本文研發(fā)了一種基于角度信息反饋的對行檢測裝置,能夠提供定量的導(dǎo)航信息,用于實現(xiàn)對自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的自動對行控制。

1 甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置

1.1 裝置的結(jié)構(gòu)

自動對行檢測裝置核心部件主要包括角度傳感器、扭簧、主軸與探測桿,如圖1所示。

圖1 甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置

甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置被成對安裝在甜菜收獲機(jī)挖掘裝置的前部。

甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置工作原理:在工作過程中,當(dāng)收獲車輛沿甜菜作物行收割時,甜菜露出地面部分的根可以從兩個探測桿中間通過;收獲車輛偏離甜菜作物行時,甜菜根露出地面的部分就會接觸其中一根探測桿并產(chǎn)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)的角度通過主軸傳遞給角度傳感器,角度傳感器產(chǎn)生角度偏轉(zhuǎn)信號傳遞給控制器,控制器通過運行控制程序發(fā)送轉(zhuǎn)向信號控制甜菜收獲機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向,最后使收獲機(jī)繼續(xù)沿甜菜作物行進(jìn)行收割。對行控制系統(tǒng)原理圖,如圖2所示。

圖2 對行控制系統(tǒng)原理圖

作物行檢測過程中需要扭簧對檢測裝置進(jìn)行回位,使得探測桿能夠回復(fù)到初始位置。為了不讓探測桿回位時超過標(biāo)記的零點,在前端加上一塊限位擋板,旨在防止泥沙進(jìn)入到裝置里,降低了裝置因為泥沙而導(dǎo)致堵塞的概率。

角度傳感器選用了elobau公司生產(chǎn)的角度傳感器。因農(nóng)田收割環(huán)境惡劣,對防水防塵等密封性要求極高,角度傳感器的電氣防護(hù)等級為IP67,能夠適應(yīng)惡劣的收割環(huán)境。傳感器輸出特性如圖 3所示。

角度傳感器技術(shù)參數(shù)為

工作電壓/V:4.5～5.5

輸出電壓/V:0.5～4.5按比例輸出

測量范圍:-45°～+45°

角度傳感器通過螺柱與圓蓋連接,傳感器的軸與主軸進(jìn)行配合。由于傳感器的測量范圍有限,所以傳感器的安裝方向需要進(jìn)行調(diào)整,以防止檢測裝置無法進(jìn)行正常測量。傳感器需要人工設(shè)置零點,以此來對測量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,此種方案可以減少在校準(zhǔn)過程中的工作。

圖3 角度傳感器輸出特性

扭簧選用了直臂旋轉(zhuǎn)扭簧,扭簧的各項參數(shù)均按照安裝空間進(jìn)行設(shè)計。彈簧的一端與一塊有凹槽的鐵塊固定,鐵塊通過頂絲與主軸固定,完成了彈簧一端與主軸的固定;彈簧另一端則是由圓蓋上面的一個固定銷進(jìn)行固定。扭簧需要進(jìn)行預(yù)緊,以防止出現(xiàn)擺探測桿在回擺時彈簧恢復(fù)力不足導(dǎo)致回復(fù)過慢的情況。

主軸通過銑削加工在圓柱軸表面上加工出了一個平面,是考慮在實際收割過程中會遭遇比較大的沖擊力,且裝置在軸與擺探測桿的固定上使用的為頂絲而非銷鍵,使用圓柱軸會導(dǎo)致主軸與擺探測桿發(fā)生相對滑動,使得檢測裝置出現(xiàn)故障無法正常使用,加工出平面則便于頂絲與主軸的緊密配合。同理,扭簧與主軸之間的固定也是頂絲配合,所以在配合的部位加工出平面。

為了保證擺探測桿具有耐磨、耐沖擊與輕便性,擺探測桿選用尼龍材料。為了解決直行過程中雜草與擺探測桿的糾纏問題,擺探測桿前端設(shè)計帶有回彎;擺探測桿起始位置與垂直于收割行的平面呈15°角。同時,考慮到甜菜根露出地面的程度不同,為了保證探測的穩(wěn)定性,擺桿設(shè)計厚度比吳慧昌中論文中提出的探測桿更厚一些。

擺探測桿長度依據(jù)甜菜壟的壟寬進(jìn)行設(shè)計,且由于探測桿與垂直收割行平面呈15°角定義沿探測桿的直線方向的長度為探測桿的橫向長度,變量標(biāo)注如圖4所示。根據(jù)下列公式確定探測桿的橫向長度,即

式中Lrow—甜菜行距;

dbeet—甜菜根直徑;

Lrod—擺探測桿橫向長度。

擺探測桿回彎可以取與桿相切圓的圓弧的一部分,圓心位置的選定無特殊要求。

圖4 對行傳感器示意圖

通過對探測桿進(jìn)行應(yīng)力分析,可以得到探測桿的厚度和寬度。探測桿的厚度與寬度的設(shè)計不當(dāng)會導(dǎo)致探測桿在與甜菜根接觸瞬間斷裂,從而影響裝置的使用。

甜菜根是不規(guī)則的形狀,在這里假設(shè)其切面為圓形,設(shè)其半徑為R,在甜菜根和探測桿接觸的瞬間,甜菜根產(chǎn)生形變?yōu)閐。設(shè)在接觸瞬間探測桿受到的正壓力F⊥=F,F為車輛牽引力,探測桿正應(yīng)力示意圖如圖5所示。

已知探測桿厚度為h,與甜菜根接觸時導(dǎo)致甜菜根產(chǎn)生形變,使得甜菜根與探測桿接觸面積變?yōu)?/p>

則其接觸瞬間產(chǎn)生的正應(yīng)力為

在設(shè)計時,對探測桿的正應(yīng)力的要求為

(1)

式中F—車輛的牽引力;

h—探測桿厚度;

Rave—甜菜根的平均半徑,根據(jù)測量多個甜菜根半徑之后獲得;

d—甜菜根在接觸過程中產(chǎn)生的形變,可以在實驗室內(nèi)實驗獲得;

σfeeler—探測桿所用材料的最大許用應(yīng)力。

分析甜菜根在與探測桿接觸瞬間產(chǎn)生的剪應(yīng)力,從圖 5的斷面圖得到探測桿的剪應(yīng)力示意圖,如圖6所示。

圖5 正應(yīng)力示意圖

圖6 剪應(yīng)力示意圖

當(dāng)在甜菜根接觸到探測桿產(chǎn)生壓力之后,設(shè)探測桿的寬度為w,甜菜根對探測桿的剪應(yīng)力為

設(shè)計時,對探測桿的剪應(yīng)力要求為

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)可以求解探測桿的最小厚度與最小的寬度。

為了更換方便,擺桿與主軸通過桿托相連接,桿托與擺桿被設(shè)計為易于拆卸的,可以通過更換不同長度的擺桿來適應(yīng)不同寬度的甜菜壟。

為了固定對行傳感器,依據(jù)對行檢測裝置及自走式甜菜收獲機(jī)設(shè)計了對行檢測裝置的固定架,如圖7所示。

圖7 對行檢測裝置固定架

由于自走式甜菜收獲機(jī)割臺前端沒有合適的安裝位置,所以需要農(nóng)機(jī)廠設(shè)計支架,結(jié)合圖7所示的固定架,將對行檢測裝置安裝固定在挖掘裝置的前部。

1.2 對行檢測裝置的分析

對行檢測裝置在用于基于模型的控制時,需要對檢測量進(jìn)行分解,但對于所選用的對行檢測裝置來說,其對行過程中可能的狀態(tài)總計9種,且存在兩對狀態(tài),在偏向不同的方向時會觸發(fā)同一側(cè)檢測裝置,所以需要對狀態(tài)進(jìn)行討論分析,使得狀態(tài)與所觸發(fā)的裝置是一一對應(yīng)的。

1.2.1 收獲機(jī)位置的分析

令集合A={左偏,無偏,右偏},代表車輛偏離作物行的狀態(tài);集合B={左觸發(fā),右觸發(fā),無觸發(fā)},代表檢測裝置觸發(fā)狀態(tài)。對集合A和集合B做笛卡爾積,可以得到A×B={(左偏,左觸發(fā)),(左偏,無觸發(fā)),(左偏,右觸發(fā)),(無偏,左觸發(fā)),(無偏,無觸發(fā)),(無偏,右觸發(fā)),(右偏,左觸發(fā)),(右偏,無觸發(fā)),(右偏,右觸發(fā))},令集合中的每個元素分別對應(yīng)狀態(tài)S(n)。其中,n取1～9的整數(shù),對應(yīng)的狀態(tài)圖,如圖8所示。

首先,對于狀態(tài)S(1)和S(9)這兩種工作狀態(tài)為異常工作狀態(tài),在產(chǎn)生S(1)和S(9)狀態(tài)之前,農(nóng)機(jī)操縱員就已經(jīng)將自動對行狀態(tài)切換為手動駕駛狀態(tài),所以這兩種狀態(tài)在一般情況下無法到達(dá)。

而對于S(2)和S(8),此時對應(yīng)的橫向偏差為0,航向偏差則不為0。對于對行檢測裝置來說,存在當(dāng)測量值為0時,傳感器并不能返回有效數(shù)值,無法進(jìn)行分解的問題;但當(dāng)處于狀態(tài)S(2)和S(8)時,由于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)無動作,其下一時刻的狀態(tài)將分別轉(zhuǎn)化為S(3)和S(7),即正常工作狀態(tài),使得對行檢測裝置可以進(jìn)行正常的測量工作。

圖8 對行檢測裝置的工作狀態(tài)

當(dāng)處于狀態(tài)S(4)和S(6)時,會觸發(fā)對行檢測裝置進(jìn)行檢測,基于運動學(xué)和動力學(xué)的狀態(tài)分解方程,可以獲得測量值,就可以計算橫向偏差和航向偏差;然后,通過基于模型的控制律對控制車輛轉(zhuǎn)向,使得車輛能夠回到預(yù)定的行走路線上。

根據(jù)以上分析,可以將對行檢測裝置的工作狀態(tài)與所觸發(fā)的裝置一一對應(yīng),分析后的工作狀態(tài)如圖9所示,在此基礎(chǔ)上可以對檢測量進(jìn)行橫向偏差與航向偏差的分解。

以下分析均是基于探測桿與固定模塊軸線垂直的情況。

1.2.2 檢測量的分解

在對對行檢測裝置進(jìn)行動力學(xué)分析之前,先根據(jù)其幾何條件進(jìn)行運動學(xué)的分析,進(jìn)而求解出基于模型控制所需的變量。

對行檢測裝置的運動學(xué)模型如圖10所示。圖10中,ψe為航向偏差,xe為橫向偏差。

圖9 分析后的工作狀態(tài)

圖10 對行檢測裝置的運動學(xué)模型

根據(jù)如圖 10所示的幾何關(guān)系可得

(3)

(4)

xe=r2cosψe

(5)

由式(3)和式(5)可得

(6)

從這里看出:r1和r2之間的差距取決于θ的大小,在較小的角度內(nèi)可以做近似。在這種近似條件下,假設(shè)探測桿由A點運動到B點過程中角加速度恒定為α,到達(dá)B點時加速度為ω,根據(jù)下式,即

(7)

從而得到B點的角速度為

進(jìn)而得到關(guān)系式為

(8)

聯(lián)立式(4)、式(6)和式(7)并經(jīng)過整理化簡得

帶入到式(4)和式(5)并整理可以得

對行檢測裝置在與甜菜根接觸過程中的動力學(xué)模型,如圖11所示。

圖11 對行檢測裝置的動力學(xué)模型

根據(jù)力矩平衡條件,取順時針為正設(shè)探測桿相對于主軸的轉(zhuǎn)動慣量為J,在某一時刻中,有

Jα=Fr1cosθ-k(ψ0+θ)

其中,k滿足

式中E—線材的楊氏模量;

d—線徑;

Dm—彈簧中徑;

N—總?cè)?shù)。

由力矩平衡方程可以解出

根據(jù)在運動學(xué)方程中所求得式(8)表達(dá)式,可得

根據(jù)幾何關(guān)系,結(jié)合已求得的r1和ψe,可得

xe=r1cos(θ+ψe)

式中J—探測桿轉(zhuǎn)動慣量;

F—甜菜根對探測桿的推動力,這里取車輛牽引力;

ψ0—彈簧預(yù)緊時扭轉(zhuǎn)的角度。

1.2.3 小結(jié)與分析

從獲得的表達(dá)式中可以看出:對于狀態(tài)S(2)和S(8),基于運動學(xué)建立的方程出現(xiàn)了不合理的數(shù)值,但因為不觸發(fā)測量,則控制系統(tǒng)不會對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,所以不會造成崩潰。

不論是使用哪種模型,都需要檢測裝置探測桿在一定時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)一定角度,否則無法進(jìn)行分解。對于控制時間要求較嚴(yán)格的系統(tǒng)來說,會影響控制的效果;而對于控制周期寬裕的控制系統(tǒng)來說具有一定的參考價值。由于角加速度α為間接測量得到,會影響分解精度,可以通過增加MEMS器件進(jìn)行輔助測量來改善分解精度。

增加輔助測量用的傳感器會使系統(tǒng)變得復(fù)雜不易于維護(hù),一種簡單的做法則是直接將對行檢測裝置返回的信號直接作為對行偏離程度的參考,將測量獲得的信號加權(quán)后用于PID控制。

1.3 裝置的安裝位置

安裝對行檢測裝置的位置對于收獲機(jī)對行控制具有很大的影響,如果安裝位置不佳,極易造成滯后效應(yīng),不利于系統(tǒng)的快速響應(yīng)甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。車輛轉(zhuǎn)向模型如圖12所示。

圖12 收獲機(jī)轉(zhuǎn)向示意圖

依據(jù)車輛運動學(xué)模型對車輛模型進(jìn)行分析,由阿克曼轉(zhuǎn)向原理可知在轉(zhuǎn)向角度較小的情況下,左右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度相差可忽略即認(rèn)為近似相等[11],考察其運動學(xué)模型,以狀態(tài)空間方程形式給出[12],即

(9)

(10)

(11)

式中x—后輪中心橫坐標(biāo);

y—后輪中心縱坐標(biāo);

v—車輛縱向行駛速度;

ψ—車輛航向角;

δ—車輪轉(zhuǎn)角;

L—車輛軸距。

在對行控制中,車輛航向與作物行的角度很小,車輪轉(zhuǎn)向角也相對很小,在此前提下,對車輛轉(zhuǎn)向的狀態(tài)空間模型(9)、(11)進(jìn)行線性化處理可得

(12)

(13)

在恒定巡航速度下,考察車輛橫向變化率,聯(lián)立式(12)與式(13)可得

對于傳感器的橫向坐標(biāo),設(shè)對行檢測裝置距前輪軸距離為c,則有

xs=x+csinψ

得到關(guān)于傳感器橫向坐標(biāo)的微分方程為

對近似得到的微分方程,在零初始條件下進(jìn)行拉式變換,可得

對上式進(jìn)行分析可得:當(dāng)c<0時,系統(tǒng)有一個正實部的開環(huán)零點,此時該系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng),非最小相位系統(tǒng)的穩(wěn)定性差,系統(tǒng)響應(yīng)速度慢,同時增加了控制器設(shè)計難度。所以,需要將對行檢測裝置安裝在挖掘裝置的前部,使得滿足c>0,并在控制部分增加反相環(huán),使得閉環(huán)零極點均在虛軸左側(cè),此時系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng)。

2 對行傳感器測試與校正平臺

對行傳感器安裝如圖13所示。由于對行傳感器安裝在測試車輛的前端,避免了非最小相位系統(tǒng)的出現(xiàn)。

圖13 對行傳感器的安裝

由于機(jī)械加工的精度不同及安裝過程中產(chǎn)生的誤差,且檢測裝置兩側(cè)的讀數(shù)變化趨勢方式相反,使得檢測裝置零點位置輸出數(shù)據(jù)不統(tǒng)一,未進(jìn)行校正過的檢測裝置的輸出值不能直接用于對行控制。此時,需要對檢測裝置進(jìn)行校正,具體措施是對輸出讀數(shù)進(jìn)行采集,擬合曲線進(jìn)行比對與校正,直到檢測裝置在相同角度的讀數(shù)相差可以在接受范圍之內(nèi)。

通過對傳感器進(jìn)行測量與標(biāo)定,確定其校正方程,根據(jù)傳感器測量到的角度與輸出電壓的線性關(guān)系,確定校正方程形式為y=kx+b。其中,x為AD采樣得到的數(shù)據(jù),y為輸出角度。左側(cè)檢測裝置的校正方程為

根據(jù)測量過的左側(cè)數(shù)據(jù)及最大轉(zhuǎn)角,確定右側(cè)檢測裝置的線性校正方程為

3 實驗結(jié)果

通過CAN總線采集數(shù)據(jù),并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點、擬合出來的曲線如圖14所示。圖中橫坐標(biāo)為由AD采樣獲得的數(shù)據(jù),縱坐標(biāo)為AD采樣經(jīng)過校正方程校正后輸出的測量值。

圖14 傳感器校正之后的輸出特性

針對左側(cè)對行檢測裝置擬合后的曲線方程,結(jié)合所采集到的數(shù)據(jù)讀數(shù)可以得到如下輸出方程,即

對右側(cè)對行檢測裝置擬合后的曲線方程,同樣結(jié)合所采集到的數(shù)據(jù)讀數(shù)可以得到如下輸出方程,即

從校正之后的方程可以看出:輸出特性曲線和設(shè)定的校正方程相差不大,表明此時對行檢測裝置左右輸出幾乎一致,在測量過程中通過簡單的濾波處理之后,可以用在自動對行控制中。

4 結(jié)論

1)設(shè)計研發(fā)了一種自走式甜菜收獲機(jī)自動對行檢測裝置,相比于單純的機(jī)械開關(guān)能夠進(jìn)行更精確的反饋控制,設(shè)計思路相比于純機(jī)械開關(guān)復(fù)雜,但機(jī)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)。實驗結(jié)果表明:所設(shè)計研發(fā)的裝置能夠準(zhǔn)確測量對行偏差量,滿足自動對行控制需求。下一步將重點開展對行控制方法的研究工作,以實現(xiàn)甜菜收獲精確自動對行。

2)實驗結(jié)果表明:不同的對行偏差有不同的角度讀數(shù),且成正比關(guān)系,在進(jìn)行校正之后,兩邊傳感器輸出曲線相近,經(jīng)過處理后可以反映出對行偏差。