農業自動引導車的路徑模糊控制技術研究

劉雪蘭 田宏偉

摘要：自動引導車作為解放勞動力的自動化運輸裝備，雖然暫時還不能用來做載人的交通工具，但在工業上已經具有很廣泛的應用，可以提高農業生產效率。提出農業自動引導車的路徑模糊控制技術研究。首先，進行農業自動引導車進行運動建模，然后對農業自動引導車的路徑模糊控制技術進行優化。設計視覺導航控制系統，確定路徑模糊控制的跟蹤論域，然后根據跟蹤論域設定模糊控制規則，最后進行路徑跟蹤器的優化。設計測試實驗將農業自動引導車的路徑模糊控制技術與傳統技術相比較，分別得出兩種技術控制農業自動引導車路徑后，跟蹤路徑和實驗路徑的誤差，利用研究技術的農業自動引導車對于車輛轉彎時候產生的偏差的穩定時間為0.8～1.2 s之間，按照實驗參數設定的車輛行駛速度（v=1.2 m/s）進行計算，可以抵消所產生的較大偏差，模糊控制技術的平均絕對誤差和最大絕對誤差都比傳統方法的誤差更小。該農業自動引導車的路徑模糊控制技術研究更具推廣價值。

關鍵詞：農業自動引導車;路徑偏差;模糊控制;路徑規劃;路徑跟蹤

中圖分類號：S232.3???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0139-04

Path Fuzzy Control Technology of Agricultural Automatic Guided Vehicle

Liu Xuelan 1，Tian Hongwei 2

（1. School of Agricultural Information， Jiangsu Vocational College of Agriculture and Animal Husbandry Science and Technology， Taizhou，Jiangsu 225300， China;2. School of Applied Technology， Suzhou University， Kunshan， Jiangsu 215325， China）

Abstract： As an automatic transportation equipment to liberate the labor force， although it can not be used as a manned vehicle for the time being， it has been widely used in industry and can improve the efficiency of agricultural production. The path fuzzy control technology of agricultural automatic guided vehicle was proposed. Firstly， the motion model of agricultural automatic guide vehicle was established， and then the path fuzzy control technology of agricultural automatic guide vehicle was optimized. The visual navigation control system was designed to determine the tracking domain of path fuzzy control， then the fuzzy control rules were set according to the tracking domain， and finally the path tracker were optimized. A test experiment was designed to compare the path fuzzy control technology of the agricultural automatic guide vehicle with the traditional technology. After the two technologies control the path of the agricultural automatic guide vehicle， the errors of the tracking path and the experimental path were obtained respectively. The stability time of the agricultural automatic guide vehicle using the research technology for the deviation when the vehicle turns is between 0.8～1.2 s. The calculation according to the vehicle speed （v=1.2 m/s） was set by the experimental parameters， which could offset the large deviation. The average absolute error and maximum absolute error of fuzzy control technology are smaller than those of traditional methods. The research on the path fuzzy control technology of the agricultural automatic guidance vehicle has more popularization value.

Key words： agricultural automatic guided vehicle; path deviation; fuzzy control; route plan; path tracking

0 引言

自動引導車指的是可以按照設定好的路線自動前進的運輸車輛。車輛的動力來源一般是電或太陽能，很少有汽油或柴油驅動的。例如生產線到倉庫送貨工作[1]，利用自動引導車就節省了很多人力。現代化農業的大部分工作已經實現了機器代替人工，但是農機駕駛需要在田地里不斷地調整駕駛方向才能滿足種植要求。對駕駛農機的農民的注意力和反應力都是考驗，如果駕駛經驗不足的人進行駕駛非常容易引發事故，一般都是村中最具有經驗的人才能駕駛農機。早在多年前農業自動化研究領域的專家就開始研究可以沿著壟溝自動前進的自動引導車，來滿足日益增長的農作物產量要求。

自動引導車分為電磁感應引導車和激光引導車，電磁感應引導車需要首先根據實際情況設定好車輛的路線，然后沿途鋪設電線[2]。自動引導車安裝電磁感應系統，當高頻電流產生的電磁力被自動引導車的電磁感應系統接收時，自動引導車就會按照固定的路線開始移動。駕駛員可以根據電磁感應系統接收的電磁的強度來判斷是否出現路線偏差。出現的偏差如果不嚴重可以等待車輛自動調節，出現的偏差嚴重駕駛員可以進行手動調節。電磁感應引導車工作原理簡單，相比于激光引導車更適合大型自動引導車使用。近些年來更加現代化的自動引導車開始陸續投入市場。有國內外研究表明：帶有視覺導航的自動引導車安裝攝像頭和定位裝置，可將固定路徑的圖像信息進行儲存和隨時更新，車輛移動的時候攝像機記錄路徑行駛全過程，與數據信息庫中的路徑圖像進行對比，提高了自動引導車的智能化水平。為此，本文對農業自動引導車的路徑模糊控制技術進行研究。

1 運動建模

自動導航車輛的物理模式有兩種選擇，一種是運動物理模型，一種是動力物理模型。農業自動引導車的路徑模糊控制屬于在車輛運動狀態對他的路徑偏差進行監測屬于物理運動范疇，所以選擇構建運動學模型。由于農業自動引導車以常規速度運動時，其運動學建模特征較為明顯，故以直線為 x 軸，建立目標田地直角坐標系。該車輛的坐標為 Q ，建立物理運動模型[3]：

式中：x、y 分別為 Q 的橫縱坐標數值;o 為車輛轉彎逆時針的航向角;v 為車輛播種的常規行駛的平均速度;r 為車輛的前輪轉角;l 為前輪的輪軸距。

車輛前輪的控制驅動系統采用電能源驅動，電機的功率越大控制器的能量就越大。將前輪轉向的慣性經過統一處理得到前輪的系統建模為：

式中：r1為前輪轉角的角度;T 為固定常數，是慣性數值經過統一處理后的結果。

2 路徑模糊控制技術優化

農業自動引導車一般由電池電源、作業裝置和控制路徑部分組合而成。其中路徑控制部分包括攝像機和攝像圖片處理器、控制路徑的顯示屏、單片機、車輛行駛速度檢測儀驅動電機[4]。作業裝置包括車輛和減速裝置。電池電源由蓄電池和充電電池組成。

2.1 視覺導航控制系統

控制系統由圖像控制系統、電機控制系統兩大主要部分組成。圖像處理系統對基于攝像機對路面標識的拍攝結果的處理，對于采集到的圖像進行數字化處理，然后進行閾值分割，基于最優的閾值理論將路面標識的圖像從背景中剝離出來。根據路面標識的圖像和導航參數的對比確定偏差的位置[5]。

農業自動引導車使用直流電機作為機器運作的動力來源，農業自動引導車帶有減速輪可以根據減速需求選擇轉動前輪減速輪或者后輪減速輪。改變直流電機的驅動電壓就可以控制前輪的控制傾角。在車體上安裝電磁感應器來監測脈沖信號，對電機的控制效果使用仿真器裝置進行測試和調整。測試的仿真器裝置與 PC機相連用來測試程序，與測試圖像的圖像處理系統原理相似。

GPS導航系統采用下機位結構，采取每隔3 s就進行一次定位的方式，下機位通過端口的信號接收控制器控制。上機位與下機位的通信是通過芯片安裝來實現的。上機位負責信號發送，信號通過芯片發送到下機位的限號接收口[6]，下機位接收信號后儲存起來。并對上機位發出的信息作出反饋。

綜上所述，視覺導航控制系統的工作流程為攝像機進行路標圖像的采集經過圖像控制系統的濾波處理技術處理之后，基于最優閾值進行邊緣檢測。模糊處理器結合 GPS導航參數判斷是路徑偏差是否需要處理，需要進行處理就直接發送處理。

2.2 路徑模糊控制跟蹤論域

關于農業自動引導車的跟蹤研究更多的采取精確研究的方法，但精確數值的過程反而使控制系統的穩定效果下降。因此可以嘗試使用模糊控制方式，在該理念下對農業自動引導車移動過程進行跟蹤。將實際路徑與操作路徑進行比較，將偏差輸入計算機進行計算[7-8]。基于計算結果設計農業自動引導車模糊控制法。

農業自動引導車在作業期間要按照預先設計好的路徑進行運動來完成播種中農業操作。跟蹤路徑是只要保證自動引導車的偏差在合理范圍內就可以滿足作業要求。與此同時要提高的是農業自動引導車的運行穩定性和車輛行駛速度。在第1節建立的物理模型也并不復雜，因為模糊控制方法的規則比傳統的控制方法更加簡單。

在路徑跟蹤過程中輸入的變量分別為路徑的距離偏差和車輛前輪傾角的角度偏差。農業自動引導車的行駛速度和供電電機的轉動速度。模糊控制器為了保證其動態性能使用的是二維控制法，根據輸入的變量參數設計了幾種參數的模糊控制法。模糊控制法對于輸入輸出量的取值范圍有一定的要求，取值范圍根據田地為行駛道路留下的寬度和車輛的尺寸確定。田地為車輛留下的行駛距離為120 cm ，車輛的長度為行駛距離的2倍。由此得出輸入輸出量的取值范圍為 u=[-60 cm ，60 cm]，前胎傾角的取值范圍為 a=[-50°，50°]。輸出量的取值范圍為ΔU=[-3 V ，3 V]。路徑跟蹤的跟蹤論域為：

根據上述路徑跟蹤的跟蹤論域將模糊量分為不同的等級，依據隸屬函數將7個等級量化為7個模糊子集。將偏離方向設為向左較大偏移、向左正常偏移、向左較小偏移、無偏移、向右較大偏移、向右正常偏移、向右較小偏移來表示車輛偏移的程度。同樣的方式來表達電流變化的大小。

2.3 根據跟蹤論域設定模糊控制規則

模糊控制規則是車輛最后能否按照設定路徑行走的關鍵。正常的農機駕駛員通過視覺和大腦的判斷來實現控制路徑偏移，農業自動引導車的模糊控制規則的設定也可以參考該原理。農業自動引導車是根據車輛上的攝像機對路面上特有的機器可識別標志進行捕捉來識別路徑的[9]，這一點和駕駛員用視覺識別道路的原理一致。機器收集路徑周圍的畫面和偏差也會自動進入信息庫，為后期路徑跟蹤和自動引導偏差做準備。

根據最優控制方法選擇原則，在模糊控制規則的控制下使自動引導的各項性能達到最優。性能指標優化方法的目標函數為：

式中：xt 為系統狀態量; ut 為系統控制量; J 為目標函數;Q 為加權矩陣;p 為常數。

在本文的設計中加權矩陣的計算數值不宜選取過大，運算量過大的加權矩陣會導致系統輸出量因其正向相關性一起增大。系統趨于飽和后抗干擾能力隨之下降。角度超調也是加權矩陣的數值選取不在合理范圍內的不良后果，計算出的結果超過車輛實際傾角的最大限度。所以在計算加權矩陣的時候要加上約束條件，車輛在模型 xoy 坐標系中 x 方向和 y 方向的行駛最大速度以及轉彎的最大角度都需要進行限定。最優控制規則可以得到加權矩陣的最優序列，為了將 Q 的取值難題用更簡單的辦法解決，可以設置離散系統。

離散系統有利于模糊控制規則嵌入控制器的滾動控制。x 軸和 y 軸的最大速度是兩個獨立的數據，相互之間不受任何因素的影響[10-11]。但兩者都與跟蹤路徑的偏差大小有關，農機沿著既定路線行走的切線速度和最大轉角慣性的速度差決定最終的距離偏差。在速度可控的情況下，選擇適合的傾角。

2.4 跟蹤器路徑優化

常用的控制方式有 PIN 控制和結構變換控制，在控制算法中 PIN 控制因其結構簡單的優勢被廣泛使用。在正常行駛的過程中，車輛的行駛過程的空氣阻力幾乎可以忽略不計，因此不考慮阻力所造成的偏差。控制器主要考慮由于角度誤差所產生的偏差。農機受到的力矩也只有角速度不滿足要求的時候才存在。農機在既定線路上行駛，角速度越小農機受到的力矩就越小。設定參數的時候，比例參數可以根據線性相關性進行調整，在系統產生系統偏差之后輸出縮小的偏差值，得出的數據是非常準確的。

農業自動引導車在路徑跟蹤過程中，在某時刻攝像機采集到農業自動引導車的角度偏差應該如何快速的消除偏差，可以考慮調整位姿狀態來進行偏差消除。農業自動引導車的位姿狀態為 k[12]，設消除偏差的周期為 T，在角度偏差產生后的 T 周期內，位姿狀態達到另一種狀態 k+1。則此時 k+1的角度偏差無限接近于偏差最小值。3 測試實驗

為了驗證本文優化的路徑模糊控制技術是否符合農業自動引導車的路線偏離要求，進行對比測試實驗。將農業春季播種常用的機器作為實驗對象，使用傳統技術和本文優化后的技術同時進行路徑跟蹤實驗，最后根據 GPS定位系統，得出實際跟蹤路徑和實驗路徑的誤差。

3.1 實驗準備

模糊控制規則并非傳統的線性規則，路徑偏差在誤差固定值之內時，可以很好地執行車輛的偏移控制規律。規則曲面圖中的上半部分和下半部分呈對稱形態。實驗對象選擇的是水稻直播機，實驗對象在進行實驗之前，首先要測試一下原本的數據，水稻直播機的初始橫向偏差為0.2 m ，在水稻田勞作的速度一般為1.0 m/s ，將其進行自動化升級改造。如圖1所示。

在傳統的水稻直播機上安裝障礙區識別后自動轉向裝置、適合水稻播種的速度控制裝置和 GPS定位系統。該定位系統使用的為高精密定位，最高定位精度誤差不超過5cm ，導航方向偏離誤差不超過2°。實時更新目標的動態位置。傾角傳感器的型號為 BE-VCTTY265，該傳感器不僅可以精確進行距離測量，還能預判車輛慣性帶來的誤差。使其動態測量精度和靜態測量精度都可達到0.1°傾角傳感器的作用是測量車身的俯角，根據俯角大小來修正點位數據。別看只是對車輛前輪轉角數據進行了測量但是卻可以 GPS定位精度。速度控制裝置在車輛油門上加裝了電動拉線，可以通過控制觸發油門的力度來控制整輛車的速度。

3.2 實驗結果與分析

分別使用文獻中的技術和本文優化后的技術進行水稻直播機路徑跟蹤實驗。找兩塊面積差不多大的水稻田作為實驗范圍，實驗對象形式速度控制為 v=1.2 m/s ，播種機的前輪轉角為150°，實驗為保證結果的客觀性進行多次實驗，農機的初始偏離差控制在0.2～0.6 m 之間。沿著預先設定好的路線行駛。重復5次該實驗，實驗結果如表1所示。

農業自動引導車在工作的過程中的路徑是從田地的一邊到另一邊的直線距離，為了將種子均勻的播種在農田中，需要農業自動引導車規劃出合理的路線經過農田的每一處角落，根據水稻的種植特點采用穿梭行走的方式，農業自動引導車進行田間作業時候，根據該車輛的車頭寬度計算出轉彎半徑的數值。由于慣性原因，車輛轉彎比車輛直行的時候產生的偏差更大。橫向偏差會在車輛轉彎的瞬間增大，所以農業自動引導車對轉彎時橫向偏差的控制時間也很重要。對比兩種方式的控制精度結果如表2所示。

傳統方式的路徑跟蹤精度都大于本文設計的方法，本文方法中農業自動引導車對于車輛轉彎時候產生的偏差的穩定時間為0.8～1.2 s之間，按照實驗參數設定的車輛行駛速度 v=1.2 m/s進行計算。完全可以抵消所產生的較大偏差。

4 結束語

本文基于自動引導車應用在農業生產上的原理，建立運動學模型。根據運動模型的特征優化現有的農業自動引導車的路徑模糊控制技術。通過約束最快行駛速度和前輪傾角來控制偏差。優化后的方法具有良好的偏差糾正效果，可以克服精準控制的不確定性。研究成果可以為模糊控制技術的進步作出貢獻。但本文仍存在不足之處，后續研究需要完善基于旋轉編碼器的路徑軌跡推算導向法結合激光導引方位計算原理用于小車的自動導引，進一步研究激光導引小車的運動控制問題，解決小車實際行走時諸多因素對精度影響的問題，進一步研究檄光導引的理論和實現方法，并對其數據處理速度、方位計算準確性進行應證。

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第一作者簡介：劉雪蘭（1979-），女，碩士，講師，研究領域為計算機在農業科學領域的應用。

（編輯：刁少華）