農(nóng)業(yè)輪式機(jī)器人底盤轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制及試驗(yàn)*

瞿濟(jì)偉，李鴻基，張瑞宏，郭康權(quán)，丁鈺洲，汪斌

(1. 揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇揚(yáng)州,225000;2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西咸陽,712100)

0 引言

我國設(shè)施農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化水平遠(yuǎn)低于全國作物耕種收綜合機(jī)械化率[1],提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率已成為亟待解決的問題,近年來農(nóng)用輪式機(jī)器人的出現(xiàn),促進(jìn)了設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的快速提升[2-3]。然而,傳統(tǒng)輪式機(jī)器人依靠轉(zhuǎn)向電機(jī)或復(fù)雜轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)向,其轉(zhuǎn)向控制精度會(huì)對(duì)機(jī)器人行進(jìn)路徑造成影響[4],且溫室具有密閉、狹小、障礙物多等特點(diǎn),使農(nóng)業(yè)輪式機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用存在較大困難。

國內(nèi)外農(nóng)業(yè)輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制研究廣泛,Qiu等[5-9]設(shè)計(jì)的底盤,雖能實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)、斜向行駛、橫向行駛等多種運(yùn)動(dòng)模式,但都保留有轉(zhuǎn)向電機(jī),在轉(zhuǎn)向時(shí)給各電機(jī)配合及控制增加了難度;王其東等[10-12]所開發(fā)的農(nóng)用作業(yè)輪式機(jī)器人均采用差動(dòng)轉(zhuǎn)向方式,在平緩硬化路面上轉(zhuǎn)向效果較好,但在松軟土地上轉(zhuǎn)向效果欠佳;Bakker等[13-16]中機(jī)器人轉(zhuǎn)向部分采用液壓驅(qū)動(dòng),底盤需裝載液壓系統(tǒng),增大了機(jī)身體積與重量,不利于在溫室等狹小空間中靈活作業(yè)。瞿濟(jì)偉等[17]已經(jīng)對(duì)此底盤的轉(zhuǎn)向控制進(jìn)行了大量探索,進(jìn)行了轉(zhuǎn)角跟蹤控制研究和PWM波控制研究,取得了豐碩成果,但前期探索側(cè)重于底盤靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)向控制和電磁鎖控制精度研究,對(duì)輪轂電機(jī)控制參數(shù)的優(yōu)化和行進(jìn)中的轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制研究還鮮有涉及。

針對(duì)以上存在問題,課題組提出基于輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向的農(nóng)業(yè)輪式機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)[18],極大簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)向系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)靈活的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制,本文提出了基于PID參數(shù)試驗(yàn)整定的轉(zhuǎn)向控制方法,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,以解決轉(zhuǎn)向中各輪協(xié)調(diào)控制的問題,促進(jìn)農(nóng)業(yè)輪式機(jī)器人底盤的應(yīng)用。

1 輪式機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

1.1 基本結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向原理

農(nóng)業(yè)輪式機(jī)器人底盤(簡(jiǎn)稱底盤)由機(jī)架、電磁摩擦鎖、動(dòng)力供電模塊、中央控制器及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示。底盤各轉(zhuǎn)向軸上均設(shè)置有電磁摩擦鎖,當(dāng)?shù)妆P直線行駛或制動(dòng)時(shí),通過控制電路給電磁鎖通以一定電流,電磁鎖被鎖緊,輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪不能相對(duì)于機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)?shù)妆P轉(zhuǎn)向時(shí),通過控制電路減小電磁鎖電流,電磁鎖釋放,驅(qū)動(dòng)輪則相對(duì)底盤機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 機(jī)器人底盤整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

基于此特性,底盤可實(shí)現(xiàn)橫行、斜行、原地回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)形式,如圖2所示,能夠在狹小、障礙物多的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中高效靈活作業(yè)。

圖2 底盤行走模式示意圖

根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向原理,結(jié)合底盤自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可得底盤前輪轉(zhuǎn)向幾何模型[19]如圖3所示。轉(zhuǎn)角α,β應(yīng)滿足式(1)。

圖3 機(jī)器人底盤轉(zhuǎn)向模型

(1)

式中:α——內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角,(°);

β——外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角,(°);

L——轉(zhuǎn)向軸的縱向距離,mm;

K——轉(zhuǎn)向軸的橫向距離,mm。

轉(zhuǎn)向過程各驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向半徑

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:d——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪偏置距離,mm;

Ri——第i個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)向半徑(以轉(zhuǎn)向瞬心O為圓點(diǎn)),m,i=1,2,3,4。

以圖3所示的左轉(zhuǎn)為例,為了滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何,需對(duì)各個(gè)車輪速度進(jìn)行精準(zhǔn)控制,以2輪為主控輪,其余3個(gè)輪的速度以2輪的轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)進(jìn)行控制(2輪轉(zhuǎn)速系數(shù)為N),則剩余各個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速系數(shù)

(6)

1.2 控制系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)組成

輪式機(jī)器人主控制器采用單片機(jī)(STM32F103ZET6)采集4路轉(zhuǎn)角信號(hào)、4路轉(zhuǎn)速信號(hào)、1路模擬方向盤信號(hào)、1路模擬油門信號(hào),輸出4路占空比可調(diào)的PWM到輪轂電機(jī)控制器,控制輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速,另外輸出4路PWM信號(hào)控制電磁鎖的開閉?；究刂圃砣鐖D4所示?？刂葡到y(tǒng)主要由繼電器控制的電磁鎖部分、精密多圈電位器的油門信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)、單片機(jī)、傳感器、線路、電源組成。為了使轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速可控,采用精密多圈電位器與步進(jìn)電機(jī)固連的方式,使得轉(zhuǎn)向信號(hào)器精確可調(diào)。轉(zhuǎn)向控制器實(shí)物如圖5所示。

圖4 控制原理

圖5 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)工作時(shí),單片機(jī)需要采集10路電壓信號(hào),包括4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速信號(hào)、轉(zhuǎn)角信號(hào)、1路油門信號(hào)、1路方向盤信號(hào),輸出4路占空比可調(diào)的PWM波控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,另外輸出4路PWM波信號(hào)控制電磁鎖。STM32F103ZET6單片機(jī)外設(shè)ADC1采集4路轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速信號(hào)及方向盤和油門信號(hào)、DMA傳輸ADC采集的數(shù)據(jù)到內(nèi)存中、基本定時(shí)器TIM6定時(shí)中斷、高級(jí)定時(shí)器TIM1和TIM8輸出PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、普通定時(shí)器TIM2,3,4,5控制電磁鎖開閉、串口USART1打印實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到電腦屏幕,用于調(diào)試。

1.2.2 控制策略

控制車輪轉(zhuǎn)速主要包括位置式PID和增量式PID兩種算法[20]。二者算法基本一致,區(qū)別在于位置式PID是對(duì)過去所有誤差進(jìn)行積分,輸出PWM控制值;而增量式PID只是對(duì)過去三個(gè)誤差進(jìn)行積分,輸出增減量。不同于步進(jìn)電機(jī),輪轂電機(jī)對(duì)位置不能自主累加,因此,只能選擇位置式PID,通過對(duì)誤差的不斷累積,增大調(diào)節(jié)力度,從而對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行控制。在PID控制系統(tǒng)中,輸出u(t)與輸入e(t)之間的關(guān)系如式(7)所示。

(7)

式中:e(t)——偏差;

Kp——比例增益;

Ti——積分時(shí)間常數(shù);

Td——微分時(shí)間常數(shù)。

對(duì)式(7)離散化處理后得到式(8)。

(8)

式中:T——采樣周期;

u(k)——第k次采樣時(shí)的輸出;

e(k)——第k次采樣時(shí)的偏差;

e(k-1)——第k-1次采樣時(shí)的偏差。

由于每次輸出值u(k)直接和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置一一對(duì)應(yīng),故式(8)即代表位置型PID算法。

因底盤采用的輪轂電機(jī)為直流無刷電機(jī),經(jīng)前期反復(fù)調(diào)試,采用PI控制就能夠發(fā)揮其啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬的優(yōu)點(diǎn)[21]。因此,最終的PI控制算法表達(dá)式如式(9)所示。

(9)

另外,設(shè)定τ為限幅值,當(dāng)u(k)的絕對(duì)值小于τ時(shí),輸出u(k);當(dāng)u(k)的絕對(duì)值大于τ時(shí),輸出τ。需通過大量的試驗(yàn)對(duì)Kp和Ki進(jìn)行整定,以獲得有效可行的控制參數(shù),其PI控制的程序流程如圖6所示。電磁鎖控制流程如圖7所示,以目標(biāo)角30 °為例,外輪轉(zhuǎn)速大于內(nèi)輪轉(zhuǎn)速,由于油門信號(hào)和輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速之間并非線性關(guān)系,同樣油門信號(hào)情況下,加速和減速時(shí)輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速的增量并不相同,為了滿足式(6)推導(dǎo)的轉(zhuǎn)速比,經(jīng)過前期試驗(yàn)校準(zhǔn),需設(shè)置外輪轉(zhuǎn)速為油門信號(hào)的1.2倍,內(nèi)輪轉(zhuǎn)速為油門信號(hào)的0.5倍。根據(jù)方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)和2輪轉(zhuǎn)角計(jì)算出具體轉(zhuǎn)速系數(shù)后,分別對(duì)其他輪轉(zhuǎn)速賦值,并判斷轉(zhuǎn)角關(guān)系是否滿足,分別執(zhí)行相應(yīng)的電磁鎖操作,完成轉(zhuǎn)向過程。

圖6 輪轂電機(jī)PI控制流程

圖7 電磁鎖控制流程

2 轉(zhuǎn)向控制參數(shù)整定

2.1 參數(shù)整定方法

參數(shù)整定試驗(yàn)設(shè)備如圖8所示。包括筆記本電腦,單片機(jī)(STM32F103ZET6),數(shù)據(jù)采集卡(USB2852)采集數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)速傳感器(D046)采集懸空放置單輪轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)角傳感器(22HP-10精密多圈電位器)采集轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角,電磁摩擦鎖(FBD-050),輪轂電機(jī)(WX_WS4864)等。一般PID整定試驗(yàn)先從Kp進(jìn)行整定,但是對(duì)于位置式離散PID,由其輸出公式(9)可以看出,若無Ki,則系統(tǒng)輸出將一直保持在較低水平,另外為了更快獲得Kp、Ki的準(zhǔn)確結(jié)果,采用先Kp后Ki的交替變化模式,開始時(shí)先確定一個(gè)Kp值和較小的Ki值,Kp和Ki以基數(shù)的倍數(shù)增加[22]。通過前期試驗(yàn)確定基本穩(wěn)定的Kp與Ki的范圍,即Kp=0.15～0.6,Ki=0.01～0.02。為得到更為精確的參數(shù)值,設(shè)計(jì)了如表1所示的6組試驗(yàn),并分析整定過程。

表1 PID整定試驗(yàn)方案Tab. 1 Test scheme of PID parameter tuning

圖8 試驗(yàn)設(shè)備示意圖

2.2 控制參數(shù)整定與獲取

采用MatLab軟件編寫函數(shù),用于求解延遲時(shí)間、上升時(shí)間、峰值時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間與超調(diào)量。鑒于輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較寬,對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了40～90 r/min和90～130 r/min區(qū)間分組,分別進(jìn)行加速測(cè)試,并采用Origin軟件與Matlab進(jìn)行單位階躍響應(yīng)分析。

2.2.1 40～90 r/min區(qū)間參數(shù)整定

Matlab求解函數(shù)的具體參數(shù)見表2。各個(gè)控制因素響應(yīng)曲線以及實(shí)際轉(zhuǎn)速的單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖9、圖10所示。

表2 轉(zhuǎn)速區(qū)間為40～90 r/min時(shí)計(jì)算系數(shù)表Tab. 2 Calculation coefficient table at speed range of 40-90 r/min

圖9 實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖10 單位階躍響應(yīng)

2.2.2 90～130 r/min區(qū)間參數(shù)整定

求解函數(shù)具體參數(shù)見表3。各個(gè)控制因素的響應(yīng)曲線以及實(shí)際轉(zhuǎn)速的單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖11、圖12所示。

表3 轉(zhuǎn)速區(qū)間為90～130 r/min時(shí)計(jì)算系數(shù)表Tab. 3 Calculation coefficient table at speed range of 90-130 r/min

圖11 實(shí)際轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速響應(yīng)

圖12 單位階躍響應(yīng)

由上述兩組速度區(qū)間響應(yīng)圖可知:組1實(shí)際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近,控制的精準(zhǔn)性已經(jīng)達(dá)到低速作業(yè)柔性底盤的作業(yè)需求;組2在單純?cè)黾覭p之后,上升時(shí)間減小,超調(diào)量減小;組3在增大了Ki之后,系統(tǒng)整體上升時(shí)間進(jìn)一步減小,更加符合使用要求,但系統(tǒng)超調(diào)量也略微增加;組4與組5在進(jìn)一步增大Kp之后,對(duì)上升時(shí)間影響不大,卻增大了系統(tǒng)超調(diào)量,控制精準(zhǔn)性也受到了輕微影響;組6在增大Kp之后,實(shí)際轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速特性仍穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近,但由階躍響應(yīng)曲線可得系統(tǒng)已經(jīng)不穩(wěn)定,因此不應(yīng)該再增大Ki。在數(shù)據(jù)分析中也發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)速傳感器受輪胎抖動(dòng)的影響,造成微小誤差。

在多組試驗(yàn)基礎(chǔ)上,對(duì)其中最為接近的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,可以看出積分Ki=0.02時(shí),系統(tǒng)超調(diào)量已經(jīng)很大,對(duì)于PI控制器不應(yīng)再增加積分常量。Kp=0.45,Ki=0.02參數(shù)條件下,系統(tǒng)響應(yīng)最符合使用要求,超調(diào)量較小,上升時(shí)間較快。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文采用前期開發(fā)的試驗(yàn)臺(tái)(圖13)[23]進(jìn)行試驗(yàn)。

圖13 試驗(yàn)臺(tái)與樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖

4個(gè)水平轉(zhuǎn)盤與4個(gè)電動(dòng)輪剛性連接,通過控制電路驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)在水平轉(zhuǎn)盤上轉(zhuǎn)動(dòng),每個(gè)水平轉(zhuǎn)盤由4個(gè)橡膠輪支撐,其回轉(zhuǎn)中心軸與底盤4個(gè)偏置轉(zhuǎn)向軸軸線重合,可模擬底盤在路面上的轉(zhuǎn)向行走狀態(tài)并測(cè)試。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 因素與水平

輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速:機(jī)器人底盤工作速度為0～3.6 m/s,則輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速為0～120 r/min,取4種轉(zhuǎn)速水平,分別為:30 r/min,60 r/min,90 r/min,120 r/min。

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角:理論上為-90°～+90°,而傳統(tǒng)車輛車輪最大角度不超過40 °,故底盤前內(nèi)輪轉(zhuǎn)角取4種水平,分別為:10°,20°,30°,40°。

轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速:轉(zhuǎn)向信號(hào)器用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)能實(shí)現(xiàn)6～110 r/min任意調(diào)速。

為了提升試驗(yàn)精準(zhǔn)性,試驗(yàn)將轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速水平分為19～97 r/min;可以利用式(10)直接將轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為實(shí)際輸入單片機(jī)的轉(zhuǎn)角信號(hào)。試驗(yàn)所用車輪轉(zhuǎn)角信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。

表4 內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab. 4 Angle relationship between internal wheel and external wheel

v=0.137v1

(10)

式中:v——實(shí)際輸出角度信號(hào),(°)/s;

v1——轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速,r/min。

3.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了分析轉(zhuǎn)向過程的轉(zhuǎn)向符合情況,采用阿克曼率[24]來評(píng)定轉(zhuǎn)向控制的平穩(wěn)性。用內(nèi)外輪實(shí)際轉(zhuǎn)角差與理論轉(zhuǎn)角差的比值r表示阿克曼率,%。

(11)

3.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)向試驗(yàn),計(jì)算伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度,確定方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度。因素水平表如表5所示。

表5 因素水平表Tab. 5 Factor level table

每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值,并利用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究以外輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角為30°、內(nèi)輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角39.15°時(shí),轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速為45 r/min、電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為30 r/min以及轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速為71 r/min、電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為90 r/min的2組試驗(yàn)為例進(jìn)行轉(zhuǎn)向過程分析,并通過各輪轉(zhuǎn)角響應(yīng)與阿克曼率進(jìn)行評(píng)價(jià),響應(yīng)曲線如圖14、圖15,阿克曼率曲線如圖16、圖17所示。

圖14 轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速45 r/min、電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速30 r/min的轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線

圖15 轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速71 r/min、電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速90 r/min的轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線

圖16 轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速45 r/min、電動(dòng)輪轉(zhuǎn)速

由圖14、圖15可知,外輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角為30°、內(nèi)輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角39.15°時(shí),內(nèi)外輪都存在1°～3°的轉(zhuǎn)向誤差,其中角度傳感器的抖動(dòng),造成角度反饋不準(zhǔn),內(nèi)輪誤差較大;另外,轉(zhuǎn)向趨勢(shì)小,造成各輪轉(zhuǎn)角不能及時(shí)跟隨方向盤的信號(hào),但驗(yàn)證了控制策略的可行性。由阿克曼率響應(yīng)曲線可知,由于驅(qū)動(dòng)力較小,車輪轉(zhuǎn)向難以跟上方向盤給出的信號(hào),因此在轉(zhuǎn)向初期,阿克曼率較小,隨著姿態(tài)的調(diào)整,逐漸符合最終的阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系。

阿克曼率不能夠始終維持在100%附近,原因是轉(zhuǎn)角采集傳感器的偏差;另外,試驗(yàn)臺(tái)水平轉(zhuǎn)盤存在微小抖動(dòng),數(shù)據(jù)有一定波動(dòng),但在可接受范圍內(nèi)。以試驗(yàn)臺(tái)中目標(biāo)角為30°的中的兩例進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析(圖16、圖17),用阿克曼率來評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向過程,結(jié)果表明,還需進(jìn)行硬化路面試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 路面試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

將3.1節(jié)中所示樣機(jī)在平坦硬化路面上進(jìn)行測(cè)試,首先,檢查程序,測(cè)試電磁鎖是否能夠在到目標(biāo)角度后鎖緊,設(shè)定轉(zhuǎn)向信號(hào)器中伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度;然后,轉(zhuǎn)動(dòng)油門模擬器所使用滑動(dòng)變阻器,使車身以合適速度行進(jìn);最后,在到達(dá)轉(zhuǎn)向區(qū)域時(shí),啟動(dòng)轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)向伺服電機(jī),觀察轉(zhuǎn)向過程,保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中底盤轉(zhuǎn)向平穩(wěn),并且底盤可穩(wěn)定進(jìn)行大角度轉(zhuǎn)向,基本能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向,轉(zhuǎn)彎半徑大大減小。共進(jìn)行了4組驗(yàn)證性試驗(yàn),轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速為45 r/min、71 r/min,前外輪的轉(zhuǎn)向角度為10°,20°,30°,40°。具體試驗(yàn)方案如表6所示。

表6 硬化路面試驗(yàn)方案Tab. 6 Test scheme for hardened road

4.2 數(shù)據(jù)分析

在機(jī)器人底盤實(shí)際作業(yè)過程中,運(yùn)動(dòng)模式以大角度轉(zhuǎn)向和中低速行進(jìn)為主,因此采用轉(zhuǎn)角20°、轉(zhuǎn)速71 r/min 和轉(zhuǎn)角40°、轉(zhuǎn)速45 r/min兩種典型工況,即工況2與工況4,分析硬化路面行進(jìn)中轉(zhuǎn)向過程。各輪轉(zhuǎn)角曲線如圖18、圖19所示。

圖18 工況2轉(zhuǎn)向過程

圖19 工況4轉(zhuǎn)向過程

分析兩個(gè)工況可知,外輪(2輪)比內(nèi)輪(1輪)的控制精度高,原因可能是外輪作為主控輪數(shù)據(jù)傳輸較快,以及外輪處于車輛外側(cè)受到來自內(nèi)側(cè)的向外擠壓力使得鎖緊誤差減小。因此,底盤內(nèi)輪電磁鎖鎖緊力應(yīng)大于外輪,以減少控制誤差。曲線出現(xiàn)小范圍波動(dòng)是由于路面隨機(jī)干擾,造成角度反饋不準(zhǔn);另外還有數(shù)據(jù)處理帶來的舍入誤差。通過對(duì)比兩組數(shù)據(jù)可得,內(nèi)外輪接收到目標(biāo)轉(zhuǎn)角指令后,能在3 s內(nèi)到達(dá)目標(biāo)角度,兩輪狀態(tài)能及時(shí)跟隨目標(biāo)角度進(jìn)行調(diào)整;整個(gè)轉(zhuǎn)向過程響應(yīng)曲線斜率基本一致,說明內(nèi)外輪能保持良好的阿克曼率;同時(shí),減小轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速可以減小最終姿態(tài)控制誤差,說明轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速低時(shí)數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定,與電磁鎖響應(yīng)時(shí)間更加契合,控制精度更高。隨機(jī)誤差與電磁鎖響應(yīng)時(shí)間和傳感器采集誤差有關(guān),導(dǎo)致電磁鎖鎖緊時(shí)間遲后,影響控制精度;另外電磁鎖安裝存在1°～2°活動(dòng)角度,影響轉(zhuǎn)向精度。各輪最后實(shí)際角度與目標(biāo)角度存在2°～3°偏差,在轉(zhuǎn)向控制誤差允許范圍內(nèi),驗(yàn)證了控制策略的可行性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向協(xié)調(diào)控制問題,提出了一種轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)控制策略,通過試驗(yàn)得出結(jié)論如下。

1) 機(jī)器人底盤的PID參數(shù)整定試驗(yàn)表明,PI控制參數(shù)為Kp=0.45,Ki=0.02時(shí),超調(diào)量較小,上升時(shí)間較快。

2) 試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)向控制試驗(yàn)表明,機(jī)器人底盤前輪無法立即跟隨方向盤進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),存在1°～3°的轉(zhuǎn)向控制誤差,但隨著時(shí)間推移,各輪逐漸吻合阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系,驗(yàn)證了控制策略的可行性。

3) 路面試驗(yàn)表明,控制策略有效可行,最終控制偏差在2°～3°,轉(zhuǎn)向過程時(shí)間在3 s以內(nèi),滿足本機(jī)器人控制精度要求。但轉(zhuǎn)向信號(hào)器轉(zhuǎn)速不宜過快,否則會(huì)造成機(jī)器人轉(zhuǎn)向誤差增大。