小麥播種自走式農用移動平臺設計與試驗

徐琪蒙，李洪文,2※，何 進，王慶杰，盧彩云,2，王春雷

（1.中國農業大學工學院，國家保護性耕作研究院，北京 100083；2.中國農業大學農業農村部河北北部耕地保育農業科學觀測實驗站，涿州 072750）

0 引 言

播種作為農業生產的重要環節之一，其作業效果對農作物的豐產起著決定性的作用。但現階段機手駕駛拖拉機進行機械化播種，仍然存在人工輔助作業、經驗調節誤差、土壤壓實大和油耗重等問題[1]，尚不能完全滿足現代農業的需求。此外，中國正面臨著快速發展的城鎮化和人口老齡化，農業生產勞動力短缺和人工成本大幅度增長等問題日益突出[2]。隨著新一代信息技術與農業的深度融合，使用無人駕駛車輛、小型無人機進行自動化作業，可提高作業效率、保證作業精度，解決傳統農業受農時、機手經驗、人工疲勞等問題的影響，以“機器換人”促進了無人農業的發展。因此，自動控制理論與農業機器人技術已成為國內外研究學者關注的熱門研究領域[3-6]，針對大田農業播種的無人化需求，發展自動導引車等智能裝備，對于提高播種質量、節省勞動力及增加作業安全性等方面均具有重要意義。日本農研機構聯合北海道大學[7]采用地磁方位傳感器（Geomagnetic Direction Sensor，GDS）和圖像傳感器設計了一種無人駕駛耕種機器人 Robotra，作業效率是人工駕駛操作的 1.8倍，并根據搭載不同的農具（翻耕機、播種機和水田攪漿機）開發了相應的上位機操作軟件，通過遠程操作和監督順利完成小麥播種作業。美國Raven公司[8]推出了一款自走式農用動力平臺Omnipower，可靈活搭載播種機、噴藥機和施肥機等農具，通過用戶手持平板電腦遠程控制平臺執行自主任務，并具備路徑規劃和自主避障能力，保證了作業精度和安全性。Lin等[9-10]設計了一種四驅全轉向的小麥精密播種機器人，基于Backstepping設計方法和滑模控制思想優化了軌跡跟蹤控制器，提高了閉環系統的穩定性，在不同播種速度下，播種合格率大于93%，滿足小麥精密播種的農藝要求。國外現有農業自動化車輛的研究雖然已經很成熟，但是機型龐大且價格昂貴[11]，尚不能完全適應中國小農經濟的分散經營模式；而國內相關研究仍處于起步階段，研究對象多以末端執行器和機械臂為主，成果多面向設施農業場景。鑒于此，本研究針對大田農業環境，設計了一種自走式農用播種移動平臺，通過中央控制系統協調4個伺服電機和4個電動推桿完成平臺行走和全輪轉向；基于全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System, GNSS）定位測速技術和播深控制技術，設計了電控排種系統和播深控制系統。

1 整體結構及工作原理

小麥播種移動平臺整體結構設計如圖1所示，主要由平臺梁架、小麥播種機構、開溝鎮壓機構、升降（懸掛）機構、行走機構和控制系統等部分組成。整機外形參數1 500 mm×1 000 mm×900 mm，配套功率1.6 kW，電控系統工作電壓24 V，電源動力由兩塊12 V-100 A.H鉛蓄電池串聯提供，關鍵技術參數如表1所示。平臺梁架通過升降機構對小麥播種機構進行懸掛，升降滑塊的垂直位移變化可帶動固定其上的小麥播種機構實現 3～5 cm的開溝深度調整，當下降至目標播深閾值時，將自動觸發升降機構基座上的限位開關，停止繼續下深。基于 GNSS的電控排種系統，其特點在于以智能轉速控制電機取代傳統地輪驅動排種軸轉動，通過導航控制器內置的高精度定位模塊實時測算移動平臺的速度，進而線性調控電機轉速，控制排種量一致。電控系統以STM32單片機作為主控制器，CAN分析儀作為中繼系統傳輸控制信號，主控對驅動器發出的指令可通過USB-CAN Tool直接進行配置和收發，當前監測的通訊數據和驅動反饋信息都將顯示在主控LCD交互顯示屏上。

表1 農用移動平臺關鍵技術參數Table 1 Key technical parameters of agricultural mobile platform

1.1 行走方式

農用移動平臺作業環境復雜，用途需求多樣化，設計時應綜合考慮路面適應性、轉向靈活性和制造成本等因素，結合目前廣泛采用的4種移動機構[12-13]，即：1） 輪式：結構簡單，制造成本低，負載能力和轉向靈活性較好，但車輪與地面接觸面積小，在土壤堅實度不足的情況下易發生沉陷和打滑；2）履帶式：具有較小的觸地壓力，在復雜路面行駛仍具有良好的通過性，但機構體積過大制造成本較高；3 ）腿式：具有較好的路面適應能力，但協調穩定性較差，且結構復雜、成本過高、負載能力不強；4）混合式：功能全面但結構過于復雜，制造成本高。綜合上述 4種機構的特點，選擇輪式作為移動平臺的行走方式，特別設計了一種全方位輪，車輪可按轉向結構進行全輪偏轉，在田間作業環境下具備靈活的轉向特性，甚至能完成橫移、原地回轉等動作，極大地縮小了轉向半徑。

1.2 轉向方式

輪式移動平臺的轉向方式主要可分為鉸接式轉向、差速轉向和車輪轉向，目前廣泛采用差速轉向及車輪轉向中的二輪轉向控制方法。前者通過控制兩側驅動輪的轉速差實現轉向，操控簡單易實現，但轉向半徑較大；后者通過直接控制兩驅動輪的車輪偏角實現轉向，可自由設計車身航向，但轉向穩定性不強易發生擺尾現象。針對上述問題，本研究提出了差速-四輪轉向耦合的轉向控制方法，相比于傳統單一轉向方式，該法提高了轉向的瞬態響應特性，低速行駛時能減少轉向半徑，提高轉向靈活性；高速行駛時能快速響應航向變化且車身擺動較小，更易控制移動平臺的姿態。因此，在設計平臺轉向機械機構時增加了四套車輪偏轉裝置，采用電動推桿作為轉向執行器使車輪按照推桿行程的變化進行全方位轉向。在移動平臺四驅同步性好且轉向空間充足條件下，當目標轉角較大時，可采用差速轉向；當轉角較小時，可采用四輪轉向，由控制器直接向電動推桿輸出參考位移，使車輪完成對應角度偏轉。

1.3 播種方式

小麥精量播種技術是一項利用農機與農藝結合達到有效控制播量、均勻播種的先進栽培技術，根據相關農藝要求：播前地塊應保證良好的墑情，且地表平整，土壤疏松、細碎，在整地后沒有漏耕；要求播種機播量應能在45～90 kg/hm2可調，播種量不大于135 kg/hm2，各行播量均勻性系數＜ 3%，播種深度合格率≥80%。本研究設計了基于 GNSS的電控排種系統，其特點在于以智能轉速控制電機取代傳統地輪驅動排種，由衛星天線實時獲取移動平臺速度，并通過導航控制器同步調整轉速控制電機的輸出轉速，從而精確控制排種量。作業前，用戶可在導航控制器的人機交互顯示屏上輸入播種量及作業參數，經控制器線性調節電機轉速與平臺速度之間的變化，自動輸出合理轉速對排量進行調節；作業結束后，系統識別平臺速度降為零，立即停止排種，小麥播種機構經升降結構提至限位開關識別范圍內，判斷開溝器已離開土壤表面，停止提升并結束作業。

2 關鍵機械結構設計

2.1 驅動機構設計

2.1.1 驅動原理

常用的驅動方式有電動驅動、氣動驅動和液壓驅動[14]，考慮能源清潔性、密封性和搭載方案可行性，本研究選擇電驅動作為移動平臺的驅動方式，設計車輪驅動結構如圖2所示。伺服電機啟動后，輸出轉速經減速器降速的同時增大輸出扭矩，并通過鏈傳動帶動車輪輪轂軸轉動，車輪的正轉、反轉使移動平臺實現前進、后退動作。鏈傳動結構布置與相鄰機械機構互不干涉，同時為避免出現鏈傳動多邊形效應，設計傳動比i=1，鏈條張緊程度可根據電機固定座上、下兩支撐板之間的相對位移進行調整。

驅動輪數量的設置按照目前廣泛采用的兩輪驅動、四輪驅動模式進行選擇，前者成本低、操控性好，但易造成轉向不足；后者越野性強、穩定性好，但油耗大。綜合對比兩種驅動模式，四輪驅動具有以下優勢：1)通過性強。農田行駛過程中當某個驅動輪出現打滑，其余 3個驅動輪仍能保證車輛繼續行駛，避免因驅動力不足導致打滑后深陷；2)安全性高。前驅車容易轉向不足，后驅車容易轉向過度，而四驅車能穩定地使車輛轉向保持中性，提高轉向能力，保障轉彎行駛的安全性。因此，選擇四輪驅動作為農用移動平臺的驅動模式。

2.1.2 驅動功率計算

輪式移動平臺在田間行走時，驅動電機產生的轉矩經傳動系至驅動輪，地面對輪胎產生一個促使平臺前進的驅動力Ft，同時輪胎又受到土壤接觸面產生的反向阻力，根據驅動輪的行駛原理分析平臺運動機理（如圖3）。當移動平臺勻速平穩行駛時，作用在平臺上的阻力總和應與行駛驅動力Ft平衡，即滿足式（1）；同時為保證車輪不發生滑轉，地面對移動平臺法向作用力的極限值Z與附著系數φ的乘積不小于行駛驅動力Ft，即滿足式 （2）。

移動平臺田間作業速度不高，迎風面積較小，可以忽略空氣阻力的影響。滾動阻力、坡度阻力和加速阻力的計算公式如式（3）。

式中f為滾動阻力系數；m為平臺質量，kg；a為行駛加速度，m/s2。輪式農業機械在旱地工作時滾動阻力系數可取0.05～0.1，平臺質量由表1可得為300 kg，由于平臺實際作業時勻速穩定行駛，因此加速度可忽略不計。根據《中華人民共和國水土保持法》規定禁止在 25°以上陡坡地開墾種植農作物，因此取α≤25°。對驅動前輪與地面接觸點處取力矩，計算地面對前輪的法向反作用力Fz1，如式（4），并將結果與附著系數φ相乘求得驅動前輪與地面的附著力，當附著力為零時，移動平臺將無法爬坡。此時，根據式（5）可分析移動平臺的爬坡能力與h和L2的關系，因此為提升移動平臺的爬坡能力，控制重心高度適當下降或增加平臺重心至后輪的距離。

農業播種平臺實際作業還需考慮土壤反作用于開溝器產生的開溝阻力Fs。小麥播種機構采用D=300 mm的雙圓盤開溝器[15]，試驗最大開溝深度H=50 mm，根據參考文獻[16]可知，平均作業阻力為13～20 N/cm，由式（6）計算移動平臺播種時所受阻力總和，并根據式（7）計算整機消耗總功率。

式中∑F為行駛阻力總和，N；Fs為開溝阻力，N；P為整機功率，kW；v為行駛速度，m/s；λ為傳動系機械效率。假設移動平臺速度v=1 m/s，機械傳動效率為98%。選擇電機型號 DSEM-V242030，主要參數如表2所示；減速機配備APE80，減速比30；驅動器選擇ARES8020，配備2 500線增量編碼器。

表2 伺服電機主要參數Table 2 Main parameters of servo motor

2.2 轉向機構設計

2.2.1 轉向原理

農用移動平臺車輪轉向結構如圖4所示。電動推桿內置電機驅動推桿做水平方向的往復直線運動，經獨立車輪轉向架將運動變為繞回轉軸回轉的周向運動。轉向架上端通過帶座軸承與回轉軸固定，下端與車輪輪轂連接。該種轉向結構，在不平整的農田環境下也具備良好的通過能力和轉向能力。全輪精準轉向系統能實現較小的轉彎半徑，甚至無需轉彎半徑，做出原地轉向動作。

2.2.2 電動推桿選型

電動推桿選型時應依據推桿速度、推力和有效導程等參數決定。電動推桿的推力大小主要取決于農用移動平臺田間作業時每個車輪輪胎與土壤接觸的阻力，推桿導程的選擇取決于每個車輪在不發生機械干涉前提下車輪轉向角的閾值。選擇常州路易電動推桿公司BMXL小推桿系列（帶編碼器）作為平臺轉向機構的執行器，由車載電源提供的工作電壓確定推桿電壓為24 V，并根據車輪轉向機構作業時不發生機械干涉的最小安裝距離確定電動推桿的導程為250 mm，因此選定電動推桿型號為BMXL250。將導程參數分別代入式（8）和式（9），可得推桿線速度為12 mm/s，推桿推力為1000 N。該電動推桿采用雙通道AB相增量式磁編碼器，絲桿轉一圈為16脈沖。編碼器脈沖信號由單片機采集，通過PWM控制電機的啟停、正反轉，從而精確控制推桿伸縮行程數據。

式中l為導程，mm；na為電機轉速，r/min；va為推桿線速度，mm/s；F為電動推桿推力，kN；T為電機扭矩，N·m；Ra為減速比；η為綜合傳動效率。

3 農用移動平臺控制系統

3.1 系統組成結構

穩定準確的控制系統是移動平臺完成任務的重要前提，該農業移動平臺總體控制系統如圖5所示。整體結構主要由檢測單元、控制單元、執行單元及監測單元4部分組成。1）檢測單元主要包括角度傳感器、轉速傳感器和推桿編碼器，負責獲取、產生、輸出農業移動平臺的狀態信息，并將檢測信號反饋給控制單元；2）控制單元主要包括單片機控制器、CM40L播深控制器、導航控制器，負責運算、處理、判斷各種傳感器輸入信息，并向執行器發送控制信號；3）執行單元主要包括驅動電機和電動推桿，負責輸出電機轉速和電動推桿行程信息，實現平臺的行走和轉向運動控制；4）監測單元主要包括USB-CAN Tool軟件和單片機LCD液晶人機交互顯示屏，負責監測、反饋移動平臺當前狀態至控制單元。

3.2 單片機控制結構

農業移動平臺采用 STM32F103ZET6單片機作為控制系統的主控制器，以CAN總線技術向伺服電機驅動器自動發送控制指令，實現四輪同步行走和差速轉向功能。CAN分析儀作為中繼系統傳輸控制信息，可以利用 USB-CAN Tool工具軟件直接進行CAN總線的配置、發送和接收，并實時監測主控對驅動器發送的指令，當前通訊數據和驅動反饋信息均可顯示在單片機LCD人機交互觸摸屏上。

單片機作為連接上位機和執行機構的重要中樞，在本研究中主要功能是控制伺服電機和電動推桿的運動，并在平臺行駛過程中獲取轉角信息和速度信息，主要包括4個模塊：1）信息交互模塊：單片機通過RS485通訊串口與上位機實現信息數據的交互，并通過CAN總線與其他模塊進行數據交換，即通過單片機串口的收斷狀態實現信息流傳遞；2）數據采集模塊。可實時獲取角度傳感器和速度傳感器的作業數據，具備采集、顯示與反饋等功能；3）運動執行模塊。該模塊主要作用于伺服驅動電機和電動推桿，其一功能是將目標速度信號轉化為驅動伺服電機的報文指令，其二功能是將目標轉角信號轉化為電動推桿的行程量數據；4）電機驅動模塊。該模塊主要針對 4臺驅動電機的初始化和運動控制[17]，在速度模式設定下由CAN總線向4臺驅動器發送速度指令，使電機按目標轉速轉動。

3.3 驅動控制系統

基于 STM 32單片機技術設計了移動平臺行走機構的驅動模塊，采用 PID控制算法協調各車輪在行駛和轉向時的速度和轉角，控制信號由CAN總線發送給伺服電機控制器和執行器。采用CAN總線目的是為了實現平臺控制部件的智能化和控制系統的網絡化，并為以后的功能拓展留有足夠余地。

驅動系統根據指定路徑按照T型加速策略進行速度控制，運動過程采用PID算法調節伺服電機的轉速以達到平臺整體穩定。搭配完善的上位機驅動系統軟件 Motion Studio，可對伺服電機進行數據監測和運動控制，并通過示波器顯示電機運動過程中實時生成的速度、位置、電流等波形曲線，支持數據、波形文件的存儲和導出。

3.4 轉向控制系統

3.4.1 轉向模型

假設移動平臺車輪運動時與地面接觸為純滾動而無相對滑動，前輪轉向時后輪也配合前輪做一定角度的偏轉，此時轉向更穩定，轉彎半徑也更小。平臺高速轉向時，前后輪同向偏轉易發生側滑，因此確定前后輪互為反向偏轉，且內側車輪轉角比外側車輪轉角大。平面內二自由度反向四輪轉向模型如圖6所示。

該模型滿足阿克曼轉向幾何原理，轉向時四輪圍繞同一中心點作純滾動圓周運動[18-20]。轉向中心位于車身轉向一側，四輪面向轉彎中心且軸心線互為相交，通過同一瞬心軸線，投影為O′點。水平投影面內，車身繞瞬心O′點轉動，同時轉彎半徑R隨偏轉程度變化，四車輪轉向角的表達關系如式（10）。

當αA = αB時，內側的前、后輪偏轉角大小相同、方向相反，且運動軌跡相同；當αC = αD時，外側轉向輪亦同理。該模式下平臺全方位轉向效果最佳。簡化圖6為二輪模型，以前輪為例，研究同一水平軸線上不同側車輪的偏轉角關系如式（11），其中W為已知參數，代入得前輪到瞬心的水平距離L1，以及內側車輪到瞬心的距離d，如式（12）所示。

計算平臺前輪線速度與偏轉角之間的關系，如式 （13）所示。同理后輪線速度與同側前輪的大小相同。

式中VA和VD表示車輪線速度，m/s；ω為平臺轉向角速度，rad/s。

當移動平臺行至地頭時，行駛速度降低，為保證在非作業區完成準確的鄰接行距、較小的轉彎半徑以及靈活的轉向操控，可采用前后輪同向偏轉的四輪轉向方式，即蟹形轉向[21]。該轉向方式下各輪的偏轉角度相同，即αA=αB=αC=αD，靈活操縱平臺實現側向運動，甚至橫向運動，能有效減小轉彎半徑，縮短轉向時間。當轉向半徑較大時，各車輪轉角等于轉向控制器命令轉角，此時由前輪驅動方式完成小角度的轉向任務[22-24]。

3.4.2 轉向策略

轉向時，移動平臺采用差速轉向和電動推桿轉向兩種方式。差速轉向時，兩差速輪之間的驅動器通過CAN總線聯網通訊，實現聯動控制功能；控制器軌跡規劃采用 PVT（Position，Velocity，Time，縮寫為 PVT）軌跡模式實現兩輪插補，該模式控制精度更高，兩輪同步性更好。控制器對于差速輪的控制可采用位置控制和速度控制兩種模式：1）速度模式下，控制器可在每個 PVT點根據兩輪實際速度進行速度補償，使兩輪速度保持一致，從而對前進方向的偏移進行糾正；2）位置模式下，可直接指定平臺前進坐標，控制器會自動進行軌跡規劃并走到指定坐標，另外也可指定拐彎半徑和弧度，實現運動中拐彎。伺服電機驅動器采用了速度環前饋的控制模式，能提供較好的動態性能，加大慣量系統的動態響應特性，最終將速度誤差穩定時間控制在較優水平。

電動推桿轉向時，通過PWM控制推桿電機的啟停和正反轉。單片機采集推桿編碼器（霍爾傳感器）的脈沖信號調節推桿電機轉角，并通過電動推桿內部換向裝置將電機的旋轉運動轉化為推桿的直線運動，并基于圖4設計的轉向結構，將推桿行程變化量經獨立車輪轉向架變為車輪偏角變化量。控制器路徑規劃的角度偏差可在兩種轉向方式間切換最優方案，并由霍爾傳感器監測實際轉角進行轉向控制。移動平臺路徑跟蹤控制多采用PID控制方法，其具有控制效果好、魯棒性強、算法參數簡明等優點；但是在系統運行過程中會出現非線性的變化，以及超調量和響應時間矛盾的問題[25]，農業移動平臺路徑跟蹤控制為非線性控制，且工作環境信號擾動較大，鑒于上述問題本文采用模糊控制算法[26-28]，該算法對模型精度要求不高且對誤差不敏感。設計偏轉量決策的模糊控制器原理如圖7所示，輸入量為移動平臺與目標路徑之間的橫向偏差Δe和航向偏差Δφ，輸出量為電動推桿電機轉角值u，設定平臺前進方向左側為負，右側為正，橫向偏差Δe量化等級為{ -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}，航向偏差Δφ量化等級為{-15, -10, -5, 0, 5, 10, 15}，電機轉角u量化等級為{-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}，模糊語言值均為{NB（負大），NM（負中），NS（負小），ZO（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}，建立模糊控制規則庫如表3所示。最終求出電機轉角的精確解，并將其發送至單片機控制車輪的偏轉運動。

表3 模糊控制器規則表Table 3 Table for fuzzy control rules

4 GNSS電控排種系統

智能精播系統主要由導航控制器、衛星天線、限位開關和智能轉速控制電機等組成。高精度定位模塊內置北斗/GPS/GLONASS三系統單頻定位，可根據衛星天線接收的信號實時測算平臺的速度信息。作業時只需在人機交互顯示屏上輸入目標播種量，控制器即可自動計算電機轉速，且能根據不同作業需求設定不同轉速比例。智能轉速控制電機取代了播種機構原先地輪驅動裝置，固定在種箱驅動裝置位附近的梁架上，并通過鏈傳動驅動排種。限位開關固定在升降機構的基座上，播種時不會接觸發開關；但上升離開地面后能夠準確觸發限位開關，立即停止排種。人機交互顯示屏能動態顯示當前行駛速度和系統狀態，系統異常時，蜂鳴器會自動開啟報警功能。

4.1 排量精準控制

播種移動平臺采用外槽輪排種器進行小麥條播，3個排種器間的播種行距設定為 150 mm，根據 JB/T 9783—1999G給出的外槽輪排種器排種性能指標，計算排種器平均排量。手動調節排種軸使小麥排種器至最大下種量，模擬實際排種轉速0.6 rad/s旋轉排種軸分別測定10、20、30次排量，每組測試重復3次，然后摘取導種管出口端的集種袋，對袋內種子質量進行稱取，經計算確定該外槽輪排種器平均排量為13 g。

由于傳統小麥條播種距不均勻，播行內種子重疊擁擠，易出現欺苗現象。因此，本研究采用 GNSS電控排種系統自動調節播種作業中的實時排量，即使平臺行駛速度發生改變，排種電機也能自動調整轉速控制小麥排量。系統有兩種數據計算模式：一種是根據排種量計算電機轉速，另一種是根據排種間距計算電機轉速。每轉排種量的設置需要實際稱量，稱量時將排種器的排種量調節至最大，手動旋轉排種齒轉軸，多次取樣獲得平均排種量；每公頃排種量則根據用戶需求設定。作業時，排種量隨平臺行駛速度變化自動調節。電機轉速九級可調，保證單位面積內的排種量均勻，減少重播率和漏播率。

4.2 播深精準控制

采用直線升降導軌代替傳統吊臂控制小麥播種機構的離地高度，圓盤開溝器隨之開出不同深度的種溝。主控制器 CM35D通過調節步進電機轉角控制滑塊沿著絲杠導軌進行垂直升降運動，同時滑塊與小麥播種機構的梁架固定，從而實現小麥播種深度的準確控制，保證雙圓盤開溝器均勻開出30～50 mm的種溝。

5 試驗與結果分析

5.1 四輪驅動控制測試

5.1.1 測試方法

為驗證移動平臺驅動行駛時的控制效果，需測試車輪實際轉速，分析四輪同步驅動的控制精度。根據參考文獻[29-32]，多電機同步控制研究，本試驗主要測定四驅動輪電機在負載擾動下的穩定性及電機間實際轉速同步性，分析平臺在直線行駛時的控制效果。平臺行駛過程中搭載上位機 PC同步監測伺服電機的實際轉速與轉速誤差，通過RS485串口通訊實現PC與伺服電機編碼器之間的數據傳輸。根據電機空載預實驗結果參考，設定測試轉速分別為0.6、0.8、1.0 rad/s 3個檔位，行駛方向為平臺開溝器實際播種方向。

5.1.2 測試結果及分析

總在不同檔速下的測試過程中，四臺驅動電機啟動平穩、行駛流暢，鏈傳動準確可靠均未出現卡頓現象，根據車輪行駛軌跡測量移動平臺與目標路徑之間的橫向偏差最大值為2.2 cm。上位機調控軟件MotionStutio可隨車監測試驗數據，并通過示波器功能對實際速度值、目標速度值以及速度誤差進行實時記錄。將測試中采集的實際轉速數據與目標轉速進行對比，分析跟蹤速度誤差變化及電機同步速度誤差ε12、ε23、ε34、ε41。轉速控制過程響應曲線如圖8所示。由圖中驅動電機轉速變化曲線可知，平臺運行啟動時間約為3 s，此時間用于填充發送緩沖區，在驅動控制程序中以延時函數的形式被設置在電機使能程序之前，用于校驗通訊命令的返回代碼，若返回命令與通信命令相同，則表示通訊成功，繼而進入電機使能階段。電機獲得速度指令后，實際轉速約在2.6 s后趨于目標轉速并逐漸穩定，但由于電機自身轉差率的存在，實際轉速曲線會圍繞目標轉速值上下波動，但基本處于穩定控制狀態，表明電機運轉后響應速度快、靈敏度高，且轉速誤差較小基本滿足設定目標轉速要求。

多電機協同控制策略的優劣，由同步速度誤差這一評價指標來衡量，用以反映電機之間的轉速差，誤差值越小，電機的同步性能越好[31]。電機之間的同步速度誤差關系如式（14）所示，以運行時間為變量，動態地反映某一時刻相互兩臺電機之間的實際轉速差，衡量兩者之間的速度一致性。由圖8可知，任意兩臺電機之間的同步誤差在 0值附近往復波動，并穩步趨于轉速同步。測試結果表明，該驅動系統可在負載擾動下快速趨于穩定，且四臺電機運轉時具備較好的速度一致性，同時平臺具有較強的抗干擾能力和較好的同步性。

式中，ε12、ε23、ε34、ε41表示兩臺電機之間的同步速度誤差，r/min；ωi（i=1,2,3,4）表示第i臺電機實際轉速，r/min。

5.2 電動推桿轉向控制測試

5.2.1 測試方法

移動平臺轉向系統的準確性影響著實際播種作業的對行效果和轉彎半徑，因此需驗證電動推桿轉向方式下的控制精度，對轉向輪的實際偏轉角度進行測驗。通過STM32單片機向電動推桿的編碼器發送脈沖信號，控制推桿行程量，以此調節車輪的轉角。基于測速試驗過程，在上位機串口控制軟件內分別設定不同的角度值，通過多次測量實際反饋數據并求取轉角平均值，分析實際轉角的控制精度[33]。

5.2.2 測試結果與分析

轉向輪電動推桿的最大推力為1 000 N，沿順時針、逆時針方向最大行程均為125 mm，在轉向控制過程中絲桿以12 mm/s的推速帶動車輪偏轉，行程至單側轉角閾值所需最長時間為10.4 s。由表4分析可得，電動推桿控制車輪在實現360°轉向測試過程中，轉向控制的最大平均絕對誤差μ=0.77°，最大標準差約為 5°，轉角的絕對誤差值基本滿足轉向目標控制要求。但隨著目標轉角逐漸增大，從標準差的變化來看，轉向控制穩定性卻相對減弱。當轉向角度較小時，標準差σ＜ 0.5°，滿足車輪在小角度轉向要求時的控制精度；當轉向角度設定較大時，雖然絕對誤差仍不大于1°，但是控制穩定性明顯不強。因此，在車輪轉向角度較小的情況下，由主控制器發送的轉角指令可直接轉化為電動推桿的位移量輸出，使轉向車輪以給定目標角度隨動。該電動推桿轉向控制方式能在差速轉向方式的基礎上提高轉向控制精度，閉環控制響應穩定可靠。

表4 車輪轉角控制試驗結果Table 4 Test results of wheel deflection angle control

5.3 排量穩定性與播深穩定性試驗

5.3.1 試驗條件及設備

為檢測 GNSS電控排種系統和播深控制系統的可靠性和穩定性，于河北涿州保護性耕作試驗田開展小麥排種量和播種深度控制試驗。試驗地塊具有較好的土壤堅實度，能可靠地承載該移動平臺在田間順利行駛，保證車輪不會深陷土壤原地打滑，土壤表面混有少量秸稈殘茬，田間試驗情況如圖9所示。小麥試驗品種選用煙農19，千粒質量約 40 g，麥粒尺寸形態近似橢圓體，基本符合正態分布；小麥排量稱量設備采用 OHAUS公司ARA520型電子天平，稱量范圍0～1 500 g，精度0.01 g；播深測量尺精度0.1 cm。

5.3.2 試驗方法

小麥排種量控制試驗以排量穩定性變異系數作為試驗指標。進行排種試驗前，首先在 GNSS電控排種系統的人機交互屏上配置本次作業參數，分別設置每轉下種量、每公頃下種量、幅寬和傳動比等，系統根據下種質量自動配置智能轉速控制電機的轉速。設定下種量為206.25 kg/hm2，幅寬0.5 m。系統啟動后約30 s接入GNSS衛星定位信號，并在人機交互界面顯示當前行駛速度。根據5.1.1設定的驅動電機三檔轉速，將其對應換算為移動平臺的行駛速度0.7、1、1.2 r/min進行排量試驗，行駛距離均為5 m，每組重復3次。每次排種試驗結束后，將各行種管所對應的集種袋依次取下并進行稱量。

小麥播種深度控制試驗以播種深度合格率和播深穩定性系數作為試驗指標。進入田間作業前，通過人機交互控制器 CM35D向步進驅動器發送運動指令，調節步進電機的旋轉圈數，控制絲杠滑塊行程變化從而帶動小麥播種機構整體下降 40 mm，保證雙圓盤開溝器開出對應土壤溝深。試驗以1 m/s行駛速度在田間完成兩次往復的直線對行播種，對測定地塊沿對角線等距離隨機選取5個測區，測區寬度為1個工作幅寬，長度為5 m，每個測區內隨機取10個測點，測點位置應避開地頭和邊緣，以耕后地表為基準測定播種深度，并根據式（15）計算試驗指標。

式中X1為播種深度合格點數；X0為測定總點數；A為播種深度合格率，%；Xi為測量點i的播種深度，mm；X為平均播種深度，mm；N為測量點個數；S為測量值標準差；V為播種深度變異系數，%；播種深度穩定性系數U=1-V。

5.3.3 試驗結果及分析

排種量控制試驗過程中，GNSS電控排種系統穩定可靠，排種響應時間短，測試結果如表5所示。智能轉速控制電機帶動排種軸同步轉動，驅動轉速的不同會影響排種量，從而對排種精度造成影響，隨著移動平臺行駛速度的增加，相同行駛距離內排種量也越大，排量穩定性變異系數不斷減小。根據JB/T 9783—1999《播種機外槽輪排種器》要求用于小麥播種的外槽輪排種器的排量穩定性變異系數≤1.8%，本試驗結果滿足規范性能指標要求，各行排量一致性較好，電控排種控制系統穩定可靠。

表5 排量穩定性試驗結果Table 5 Test results of sowing quantity stability

播種深度控制試驗過程中，觀察土壤開溝播種痕跡，溝內種子呈連續分布狀態，種粒無明顯堆疊，播行均勻無斷條現象，測試結果如表6所示。通過分析可知，設定播種深度為40 mm時，在不同的測區之間測量最大播深平均值為44.2 mm，最小播深平均值為37.7 mm，實際播深的誤差絕對值不大于10 mm，播深合格率≥90%。根據NY/T 996—2006《小麥精少量播種機作業質量》標準中播種深度合格率≥80%的要求，滿足小麥播種深度性能指標。綜合試驗表明，實際播種深度雖有波動，但穩定在一個變化范圍內，以播種深度40 mm為試驗，播深變異系數不大于11%，播深控制系統的穩定性系數≥89%，大于標準要求的 80%。測試系統控制精度較高，能滿足機器人在田間自走作業時對播種深度穩定性的要求，具有可靠的播種控制效果。

表6 播種深度穩定性試驗結果Table 6 Test results of sowing depth stability

6 結 論

1）通過 CAN總線分布式控制完成上位機軟件、主控制器與驅動電機之間的指令傳輸，采用 PID調速算法保證四輪電機協同性和穩定性，完成移動平臺直行控制、速度調節、差速轉向等功能，實現自動行走。該農業機器人驅動控制系統具有較強的抗干擾能力，通過上位機設定目標轉速后，四輪可快速趨于目標轉速且同步性較好，機器人車身偏航距離誤差小于 2.2 cm，保證了行駛直線度以及四輪同步驅動的協同性、穩定性。

2）采用GNSS高精度定位模塊實時獲取播種移動平臺的行駛速度，并線性調控排種軸驅動電機轉速，實現小麥排量的自動、精準控制，小麥排種連續穩定，排量穩定性變異系數不大于1.80%，滿足0.7～1.2 r/min行駛速度下排量穩定性要求；通過控制絲杠導軌懸掛機構的下降運動使圓盤開溝器準確開出40 mm的土壤溝深，實際播深的誤差絕對值小于 10 mm，播深穩定性系數≥89%，滿足播種深度的精準控制要求。

3）結合對角差速與電動推桿結合的轉向控制方法，能夠在不平整的土壤條件下保持良好通過能力和轉向能力。當轉角較大時，采用差速轉向控制方法，主控制器分別設置差速電機轉向速度，并通過CAN總線將速度指令輸出給對應驅動器，通過電機之間的轉速差，實現轉向；當轉角較小時，采用機械電動推桿轉向控制方法，由單片機控制器控制推桿行程變化，并通過采集編碼器脈沖，實現車輪轉向的閉環控制，轉向行程最長轉向時間為10.4 s，轉角最大平均絕對誤差小于 0.77°，標準差小于0.5°，滿足車輪在小角度轉向要求時的控制精度。

目前本研究僅針對該農用移動平臺搭載小麥播種機構直線行駛時的實施情況，重點驗證平臺可靠性和直線播種穩定性。但仍存在例如地頭自動轉向控制、小麥播種行線提取等技術問題尚未完善，將在后續研究中繼續展開。