四輪轉向噴桿噴霧機平移換行導航控制系統設計與試驗

周志艷 余 鑫 梁樂彬 向 穎 陳羽立 羅錫文

(1.華南農業大學工程學院, 廣州 510642; 2.廣東省農業人工智能重點實驗室, 廣州 510642;3.嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室, 廣州 510642; 4.廣東省農業航空應用工程技術研究中心, 廣州 510642;5.華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室, 廣州 510642)

0 引言

農機自動導航控制可以減輕農機操作人員勞動強度、提高工作效率,是智慧農業中智能農機的重要功能[1-2]。在農機自動導航作業過程中,地頭轉向和換行是導航控制中的重要環節,為實現農機換行作業,常用地頭轉向方式有弓形、梨形、魚尾形轉向[3-5]。張聞宇等[6]設計了雙切圓虛線模型實現了地頭轉彎與直線跟蹤間的銜接;黎永鍵等[7]根據拖拉機轉向半徑選擇一種跨行轉向的掉頭方式;楊洋等[8]將作業田塊規劃為播種區域與地頭轉向區域,通過地頭轉向區域進行轉彎、換行等動作。上述地頭轉向方式依賴于規劃的曲線路徑,其靈活性較低,且跟蹤時易出現控制超調等情況。

目前噴霧機大多采用前輪轉向,部分采用四輪轉向[9-11],前輪轉向模型雖簡單,但部分農機由于整車質量和體積較大,較大轉向半徑使前輪轉向在換行、轉場時較困難,四輪轉向與前輪轉向相比雖減小了轉向半徑,但在農機轉向換行區域空間小的情況下,通過性仍較差。文獻[12-13]設計多模式的地頭轉向方式,實現兩輪、四輪的協調配合,但適用性有待驗證;徐琪蒙等[14]設計了差速-四輪轉向耦合的轉向控制方法,但平臺裝置設計較復雜、適應性低;劉慧等[15]通過四輪差速帶動整個機具橋臂轉動實現自轉向的結構也較復雜;李翊寧等[16]設計的四輪獨立柔性底盤,可利用底盤橫向移動的運動方式實現調頭換行,但樣機在田間行駛工況有待實地驗證;楊美鏡等[17]設計的四輪獨立轉向控制系統,可實現全方位行駛、原地轉向等運動模式,但仍處于設計的初步階段,未進行實地試驗。

周志艷等[18]提出了一種旋翼懸浮式噴桿噴霧作業方法,單側最大寬幅可達20 m以上,寬幅噴桿噴霧機在進行地頭轉向和換行時,若采用傳統的車頭調頭方式,由于噴桿轉彎半徑大,通常有兩種處理方式:一是需要較大的凈空才能完成調頭動作,但大部分農田環境下,調頭空間有限,特別是幅寬超過20 m時,比較困難;二是調頭前進行噴桿收卷或折疊,待噴桿噴霧機車頭完成調頭和對行后再展開,整個動作耗時較長,影響作業效率。

為解決上述寬幅噴桿噴霧機地頭轉向和換行的問題,本文擬提出一種基于四輪轉向噴桿噴霧機的平移換行方法,設計配套的平移換行導航控制算法,搭建自動導航控制的軟硬件系統和測試平臺,并進行傳統PID與單神經元PID兩種導航控制算法的對比試驗,從而優選出精度高、穩定性好的地頭平移換行導航控制算法,為寬幅噴桿噴霧機的地頭轉向和換行提供解決方案。

1 地頭平移換行工況與導航控制策略

1.1 地頭平移換行工況分析與路徑規劃

農機在地塊完成對既定作業路徑跟蹤時,需要在地頭進行換行作業。本文設計的四輪轉向平移換行方式通過跟蹤預先設定的直線換行路徑實現換行作業:如圖1a所示,當作業車行至換行位置點B時,導航控制器發出指令,控制底盤的各轉向輪轉動至特定角度,以一種平行移動的方式實現換行作業。當作業車移動至下一直線跟蹤路徑起點C時,轉向輪回正,繼續進行原定行壟的直線導航跟蹤作業,而換行過程中,機身姿態基本不變化,同理,繼續導航控制完成剩下的既定作業路徑,行至點G停止作業。特別是在不規則地塊邊界,如圖1b所示的斜角邊界地況時,本設計也可通過預先設定換行路徑BC、FG處自動控制轉向輪轉動至對應轉向角度,以一種斜向移動的姿態實現換行作業,且整個導航作業過程中,車身姿態基本保持不變。綜上,當作業底盤需要換行作業時,如行至圖中BC、DE、FG段處,均可以實現底盤平移換行控制,該換行方式簡單靈活,能縮短換行時間,避免換行時由于轉向半徑大而需要較大的轉向空間的問題,有較強的適用性。

圖1 不同地塊行駛工況

結合上述作業底盤的運動方式,可規劃噴桿噴霧機田間作業的導航路徑(以常規方形地塊為例),如圖1所示:坐標點A～G為行駛預設軌跡點,導航控制系統將兩坐標點之間直線區域進行線性化處理,生成序列導航軌跡點。作業地塊的路徑包括噴霧作業路徑和非噴霧作業路徑。噴霧機在噴霧作業路徑時,自動啟動水泵,均勻噴出藥液,在非作業路徑時自動關閉水泵,停止噴藥。圖中箭頭方向表示噴霧機行駛方向,噴霧機從起點A進入地塊開始導航作業,沿著既定作業路徑自動跟蹤。在換行位置時,轉向電機帶動轉向輪旋轉90°,驅動電機按目標轉速運轉,此時車頭方向仍與路徑AB方向保持平行,作業底盤平行移動實現換行,換行完成后到達點C,底盤轉向輪回正,車身以倒退的方式完成路徑CD的直線跟蹤,實現了作業行之間的銜接。同理,按上述控制方法完成剩余的既定作業路徑,行至點H完成作業任務,噴霧機停止所有運動。

1.2 四輪轉向噴霧機運動學模型

文獻[19]提出輪式移動機器人的運動可簡化為剛體的平面運動,則可分解為剛體的平行移動和定軸轉動,本文噴霧機作業底盤運動可簡化為剛體的平面運動,為進一步獲取任意狀態下四輪轉向噴霧機的運動學模型,假設:噴霧機底盤在轉動過程中各車輪轉向角速度和阻力系數不變,各車輪之間轉動互不影響;噴桿噴霧機的質心和幾何中心重合;車輪在行駛或轉動過程中與接觸面的滑移忽略不計,則可建立如圖2所示的運動學模型。

圖2 四輪轉向噴霧機的運動學模型

四輪轉向噴霧機底盤運動學方程[20]為

(1)

式中 (X,Y)——機體坐標

φ——機身航向角,(°)

vx——機身前進正方向速度,m/s

vy——機身前進正方向垂直方向速度,m/s

ω——機身逆時針轉動角速度,rad/s

由導航控制器計算出對應控制量,實現對四輪轉向噴霧機運動控制。

為實現1.1節中的平移換行控制要求,需要進行相關控制量的運算分析。基于該運動學模型,得到導航控制器的輸出控制量,即底盤的矢量和運動;為執行該輸出控制量,須通過底盤控制系統控制轉向電機與驅動輪電機來實現車輛行駛的控制,即底盤轉向輪的矢量分運動;基于矢量運算、阿克曼轉向等理論,建立底盤各轉向輪的轉向角、行駛速度與導航控制量間的等效轉換關系,用上述控制量變化來達到導航控制器輸出控制量所要求的控制效果,從而實現直線導航、平移換行導航,繼而實現整個既定作業路徑的跟蹤控制,其等效轉換公式為

(2)

(3)

式中a——車輛左右輪距,取1.83 m

b——車輛前后軸距,取2.56 m

θ1——左前輪轉向角,(°)

θ2——左后輪轉向角,(°)

θ3——右后輪轉向角,(°)

θ4——右前輪轉向角,(°)

v1——左前驅動輪速度,m/s

v2——左后驅動輪速度,m/s

v3——右后驅動輪速度,m/s

v4——右前驅動輪速度,m/s

基于運動學模型,可通過底盤轉向輪的矢量分運動實現對噴霧機位置坐標變化與機身姿態的調整。實際作業過程中,受路面影響致使機身發生偏航,可將航向偏差、距離偏差作為導航控制器的輸入,輸出控制量實現對4個轉向輪的獨立控制,從而控制車身回正,繼續進行既定作業路徑的跟蹤控制。

1.3 基于有限狀態機的自動作業控制策略

采用有限狀態機[21-22]將田間作業過程簡化為根據位置信息使噴桿噴霧機在不同階段呈現不同狀態的過程,根據實際作業要求與有限狀態機的基本控制策略,設計噴桿噴霧機的系統狀態如表1所示。

表1 噴桿噴霧機系統狀態

在工控機上規劃好既定作業路徑后,啟動開始作業命令,導航控制器根據 RTK定位模塊獲取當前車輛的位置信息,觸發不同的系統狀態,實現對噴霧機的狀態控制,工作流程如下:當狀態機接收到定位信息后,進入 Start 狀態啟動自動作業系統,當噴霧機觸發事件非噴霧路徑時,進入非噴霧狀態 S1,此時,噴霧機直線導航行駛,但噴霧機的水泵不工作;當噴霧機觸發事件噴霧路徑時,進入噴霧狀態 S2,此時,噴霧機直線導航行駛,并且水泵自動啟動,開始噴霧;當噴霧機觸發事件換行位置點時,進入平移換行狀態 S3,噴霧機的控制系統控制四輪轉向底盤進行平移換行,水泵不工作;當噴霧機觸發作業任務結束點時,進入完成作業狀態 Stop,噴霧機停止,水泵關閉,完成作業;當噴霧機觸發事件信號異常時,立即停止,水泵停止工作;綜上,通過位置信息變化切換不同作業狀態,實現噴霧機對規劃路徑的精確跟蹤,并完成特定路徑的噴霧作業,實現該平臺的自動作業控制。

2 四輪轉向噴桿噴霧機導航控制系統設計

2.1 導航系統平臺

噴桿噴霧機導航系統組成如圖3所示,包括北斗載波相位動態實時差分RTK(Real time kinematic)定位模塊、北斗接收天線、工控機、角度傳感器及固定裝置、姿態傳感器和四輪轉向噴桿噴霧機。

導航系統的移動平臺——噴桿噴霧機為山東魯虹農業科技股份有限公司生產的 3WP-100A型植保機器人,其技術指標如表2所示。為提高其在田間移動的靈活性,在原有電控系統上進行改造升級,可對四輪運動底盤實現獨立轉向控制,可實現橫向、斜向移動等動作。

表2 魯虹3WP-100A型植保機器人主要技術指標

2.2 導航系統結構組成

四輪轉向噴霧機導航控制系統結構如圖4所示,由位姿定位系統、車載工控機、底盤控制系統和噴桿噴霧機組成。其中,位姿定位系統中的RTK定位模塊(u-blox F9P GNSS模塊)提供實時位置信息,WT-901C485多級聯九軸姿態傳感器(動態精度±0.1°)用來實時檢測車輛姿態信息;車載工控機(研華ARK-3500P intel i5 8256U、CPU 4核心、8 GB 內存和64 GB存儲器)運行基于ROS(Robot operating system)的導航控制系統,由位姿定位系統獲取作業車位置、姿態信息后,根據已設定的作業航點坐標,進行數據處理和運行導航算法,并通過USB端口向底盤控制系統發送控制指令。底盤控制系統接收車載工控機的指令后,控制各個電機運轉以實現底盤的直線與轉向運動以及噴霧啟停等功能。JY-ME01型高精度角度傳感器(精度為±0.01°)檢測轉向輪實際轉向角,實現對轉向輪的精確控制。

圖4 四輪轉向噴霧機控制系統結構框圖

2.3 轉向角檢測裝置設計

轉向系統性能影響噴霧機實際運行狀況,噴霧機轉向輪轉向角的測量是轉向控制系統中重要組成部分,直接影響轉向性能[23]。本文設計的轉向角檢測裝置主要由減速電機、主動齒輪、從動齒輪、旋轉編碼器、數據采集板和支架等構成,裝配安裝示意圖如圖5所示,主要部件參數如表3所示。

表3 轉向角檢測裝置主要部件參數

圖5 轉向角檢測裝配圖

通過加裝外部編碼器構成反饋校正,實現對車輪實際轉動角度的精確控制,工作原理為:當噴霧機接收到底盤控制系統發送的轉向指令時,電機驅動器控制減速電機轉動,帶動車輪轉向軸旋轉,使主動齒輪帶動從動齒輪旋轉,與從動齒輪同軸連接的旋轉編碼器轉動,數據采集板實時記錄編碼器的數據,并通過CAN數據端口回傳至底盤控制系統,通過與目標角度的偏差來進行反饋校正,進而精準控制實際的轉向角度。

2.4 轉向系統測試

為驗證轉向檢測裝置及其配套系統的可靠性,對車輪的轉向角進行角度測量試驗。試驗過程中通過STM32單片機的軟件開發系統Keil u5發出指定角度命令,單片機收到指令后控制電機運轉,配套的編碼器則回傳數據,并通過串口助手輸出實際轉向角。為了檢測轉向系統的穩定性,對各轉向輪分別進行基準轉向角30°、60°、90°的方波跟隨測試。每次試驗重復3 次,取3次試驗的平均值。圖6顯示了各車輪轉角變化的試驗結果,結果表明:30°基準角方波跟隨測試中上升時間不超過0.78 s,跟隨誤差不超過0.50°,60°基準角方波跟隨測試中上升時間不超過1.58 s,跟隨誤差不超過1.23°,90°基準角方波跟隨測試中上升時間不超過2.35 s,跟隨誤差不超過1.98°。試驗表明各轉向輪實際響應性能好,該轉向系統有較好的穩定性,滿足實際運動需求。

圖6 方波信號跟隨測試結果

3 地頭平移換行導航控制算法

3.1 導航控制原理與PID控制器設計

目前,農業機械導航控制方法主要有PID控制、模糊控制、純追蹤控制、神經網絡控制和最優控制等[24-25]。其中,PID控制器結構簡單、不需要精確系統模型,在控制系統中得到廣泛的應用[26]。本文基于PID控制設計的導航控制系統基本原理如圖7所示。

圖7 導航控制原理圖

由操作人員預先設定作業航點坐標,導航控制系統通過RTK定位模塊獲取當前作業車的經緯度坐標,通過滑動濾波算法減小動態定位誤差,并進行坐標轉換,最終得到噴霧機在平面直角坐標系下的XOY坐標。導航控制系統自動計算當前位置與目標航點的距離偏差e,通過姿態傳感器獲取當前的航向角θ,與目標航向角ψ的差值作為航向偏差dθ。以距離偏差e、航向偏差dθ為輸入控制量,通過導航控制器可計算出速度、角速度控制量,結合1.2節運動學模型與等效轉換公式實現四輪轉向噴桿噴霧機的自動導航跟蹤控制。

定位模塊實時采集噴霧機的經緯度坐標并通過高斯投影公式轉換為(X0,Y0)。將首個航跡點坐標(X0,Y0)設為平面直角坐標系的原點,則車輛行駛時任意時刻的坐標為

(4)

式中 (X,Y)——作業車的經緯度坐標

(Xk,Yk)——以(X0,Y0)為原點的平面直角坐標系下的坐標

同理,將規劃的既定作業路徑相關坐標進行高斯投影,并根據公式(4)得出以初始點為原點坐標系下一組以時間為序列的有序軌跡坐標。根據時間順序選取第k時刻某點坐標(Xgk,Ygk),得到第k時刻當前坐標與目標點之間的距離偏差ek為

(5)

同時得出航向角偏差dθk為

dθk=θk-ψ

(6)

式中θk——當前航向角,(°)

在本設計中,由于要求車身姿態基本保持不變,設定目標航向角ψ=0°。

在上述基礎上分別設計位置、角度PID控制器

(7)

式中Kp——常規PID控制器比例控制系數

Ki——常規PID控制器積分控制系數

Kd——常規PID控制器微分控制系數

dθk-1——k-1時刻的角度偏差,(°)

ek-1——k-1時刻的距離偏差,m

其中,位置PID控制器以距離偏差為輸入量,輸出速度控制量uv。角度PID控制器以航行偏差作為輸入量,輸出角度控制量uω。

速度控制量uv根據當前航向角θk進行解算,得到在車體坐標系下車輛軸向速度控制量ux、uy為

(8)

通過上述控制量ux、uy、uω,結合1.2節所述的運動控制方法,得到具體的車輪行進速度控制量和轉向的角速度控制量,實現對四輪轉向噴桿噴霧機的控制。

3.2 單神經元PID控制器設計

當被控對象受到較大干擾且具有大慣性時,常規PID控制效果不好,其抗干擾能力較差。文獻[27-28]提出一種利用模糊自適應調整PID參數的控制方法,提高水稻插秧機、直播機導航控制系統的穩定性和快速響應性。丁幼春等[29]設計出將免疫算法與PID控制器相結合的控制方法,提升了響應速度,減小了跟隨偏差。文獻[30-31]設計了單神經元PID控制器,使其具有超調小和進入穩態快的特點,單神經元是構成神經網絡的基本單位,具有自學習和自適應能力,結構簡單易于計算,基于單神經元自適應調整功能[32],將PID控制與單神經元結合可實現對PID控制器參數的在線調節,設計了單神經元PID控制器,通過PID參數的在線調節實現噴霧機田間自動導航作業,該控制器結構如圖8所示。圖中,Δu(t)為當前控制增量,Z-1為上一時刻的控制量。

圖8 單神經元PID控制器結構圖

控制器采用增量式PID控制算法

u(k)=u(k-1)+Δu(k)

(9)

Δu(k)=kpr1(k)+kir2(k)+kdr3(k)

(10)

式中u(k-1)——k-1時刻控制量

Δu(k)——k時刻控制增量

r1(k)——比例輸入

r2(k)——積分輸入

r3(k)——微分輸入

kp——比例控制系數

ki——微分控制系數

kd——積分控制系數

單神經元PID控制器輸入為

(11)

式中e(k-1)——k-1時刻輸入偏差

e(k-2)——k-2時刻輸入偏差

e(k)——k時刻的輸入偏差

單神經元控制器采用有監督的赫布學習(Hebb learning)規則,對kp、ki和kd進行修正為

wk(k)=ηke(k)u(k)rk(k) (k=1,2,3)

(12)

式中ηk——學習速度

相關參數整定規則參考文獻[30],可得在線整定規則為

(13)

(14)

式中ηp——比例學習速率

ηi——積分學習速率

ηd——微分學習速率

w1(k)——比例加權系數

w2(k)——積分加權系數

w3(k)——微分加權系數

Kc——神經元增益系數

同理,利用式(8)進行相關控制量的解算,結合3.1節所述的常規PID控制器以及1.2節運動控制方法,得到具體的車輪行進速度控制量和轉向的角速度控制量,實現對四輪轉向噴桿噴霧機的優化控制。

4 試驗

4.1 試驗方法

4.1.1導航精度評價指標

在試驗過程中,對搭載導航控制器的噴桿噴霧機行駛過程中的跟蹤偏差最大值、平均絕對偏差[29,33]進行了統計分析。跟蹤偏差由點到直線距離求解。由RTK定位模塊可獲得當前位置K(x0,y0),則噴桿噴霧機與設定路徑的跟蹤偏差d為

(15)

其中

(16)

導航精度提高百分比[22]用來表示改進后導航控制器相對于原控制器導航精度提升的效果。計算公式為

(17)

式中M——導航精度提高百分比,%

Savg——常規PID控制平均值,m

Mavg——單神經元PID控制平均值,m

分別以最大跟蹤偏差和平均跟蹤偏差作為衡量噴桿噴霧機導航精度指標,符號為正表示精度提高,符號為負表示精度降低。

4.1.2平移換行導航控制試驗方案

為驗證導航控制系統在不同類型的地塊實際效果以及所設計的單神經元PID控制器對傳統PID控制器的導航精度提升效果,分別進行硬質平整地塊試驗與田間試驗,其中試驗材料有:四輪轉向平移換行噴桿噴霧機、便攜式計算機、工控機、北斗定位移動端與固定站、卷尺、U盤、ST-LINK調試器、濕度檢測儀、土壤堅實度測量儀、風速儀和攝像機等。

試驗步驟:①安裝導航平臺、檢查傳感器通信狀況,設置導航參數。②利用測量儀測量外部環境參數,如天氣狀況、風速、田間行駛時地塊的濕度與土壤緊實度等。③根據1.1節使用導航控制終端輸入位置坐標自動規劃出對應的作業區域,確定既定作業路徑。④調試好噴桿噴霧機導航控制系統后,啟動控制終端開始直線跟蹤導航作業。⑤完成直線跟蹤路徑需要換行作業時,導航控制器輸出控制命令,實現平移換行動作。⑥平移至下一條直線作業路徑起點時,繼續進行直線路徑的跟蹤,直至完成所有路徑的跟蹤控制后噴霧機停止。⑦記錄導航過程中噴桿噴霧機位置信息并及時備份,試驗重復3次。

其中,相關控制參數為:PID的參數分別為kp=0.5、ki=0.02、kd=0.01。單神經元PID參數分別為Kc=0.25、ηp=0.5、ηi=0.2、ηd=0.5。根據噴霧機噴桿的實際長度以及試驗作業要求,設計對應的作業區域,可規劃出4行。為防止噴霧機在作業時因大幅振動顛簸造成噴桿觸地導致噴頭堵塞及損傷,避免行駛時發生較大滑移等情況,最終在速度0.7 m/s下進行搭載常規PID控制器與單神經元PID控制器的路徑跟蹤試驗。

4.2 改進算法對比試驗

4.2.1硬質平整地塊試驗

為避免試驗區域地勢不平而導致噴霧機在跟蹤行駛時出現滑移等影響導航精度的情況,在華南農業大學燕山區操場進行硬質平整地塊的試驗,試驗當天天氣多云,自然風速小于2.5 m/s,按照4.1.2節相關參數以及試驗步驟進行試驗,測試現場如圖9所示。

圖9 硬質平整地塊試驗現場

搭載了單神經元PID的導航控制器的噴霧機在硬質平整地塊中的實際導航軌跡如圖10所示,搭載常規PID控制器與單神經元PID控制器的噴霧機在硬質平整地塊中的平移換行跟蹤效果對比如表4所示。

表4 硬質平整地塊平移換行跟蹤效果對比

圖10 單神經元PID控制器實際導航路徑軌跡

在常規方形地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為7.63、4.27 cm,而搭載單神經元PID控制器的噴霧機在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為6.48、3.24 cm,由式(17)可知,單神經元PID控制相對于常規PID控制,換行路徑的導航精度分別提高15.9%、24.1%;在不規則地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為7.38、4.23 cm,而搭載單神經元PID控制器的噴霧機在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為6.42、3.17 cm,其平移換行路徑導航精度分別提高13.0%、25.1%。

在相同的控制參數和試驗場地下,一方面,在常規方形地塊與不規則地塊的平移換行跟蹤誤差基本保持一致,則表明平移換行控制系統有較強的適用性;另一方面,單神經元PID控制與傳統PID控制相比,降低了最大跟蹤偏差和平均絕對偏差,表明單神經元PID控制有較好的導航精度提升效果。

4.2.2田間試驗

為進一步驗證四輪轉向噴桿噴霧機導航控制系統的田間工作性能,在華南農業大學增城實驗基地試驗田進行了田間自動導航試驗,試驗當天天氣晴,自然風速小于3.0 m/s,采用五點取樣法測得田間土壤含水率平均值為25.3%,土壤堅實度平均值為987 kPa。分別進行搭載常規PID控制器和單神經元PID控制器的噴桿噴霧機對比試驗,試驗步驟及相關參數與路面試驗相同,田間試驗現場如圖11所示。

圖11 田間試驗現場

田間試驗時,搭載了單神經元PID的導航控制器的噴霧機實際導航軌跡如圖12所示,搭載常規PID控制器與單神經元PID控制器的噴霧機在田間試驗平移換行跟蹤效果對比如表5所示。

表5 田間試驗平移換行跟蹤效果對比

圖12 單神經元PID控制器硬質平整地塊試驗導航軌跡

在常規方形地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為11.01、6.66 cm,而搭載單神經元PID控制器的噴霧機在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為8.60、4.47 cm,單神經元PID控制相對于常規PID控制,其導航精度分別提高21.8%、32.8%;在不規則地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為10.91、6.63 cm,而搭載單神經元PID控制器在換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為8.63、4.42 cm,單神經元PID控制相對于常規PID控制,其導航精度分別提高20.9%、33.3%,與常規PID控制器相比,單神經元PID控制在田間行駛時也能提升導航控制系統的精度和穩定性,降低跟蹤偏差。表明該單神經元PID控制有較好的路徑跟蹤提升效果,滿足田間作業要求。

從上述數據可以看出,噴霧機在田間實際作業行駛時,橫向偏差與硬質平整地塊相比均有所增大,主要原因為:噴桿噴霧機在田間作業時,運動底盤會受到土地平整度、堅實度和含水率等外界客觀因素的影響,致使行駛和轉向阻力增大或發生輪胎打滑等現象,從而導致噴霧機運動特性隨之發生變化,運動性能下降;噴霧機在田間行駛時,車身易傾斜或產生滑移,導致傳感器獲取的車體位姿信息產生突變值,影響控制性能,跟蹤誤差隨之增大。此外,單天線 RTK、姿態傳感器易受地塊不平等因素影響造成定位與姿態與實際位置存在一定的誤差,后期將改進方案采用雙天線或其他組合導航方案降低單個傳感器對跟蹤誤差的影響。由上述試驗可得出,在相同條件和參數下,搭載了單神經元PID 控制器的噴霧機試驗效果相比搭載了常規 PID 控制器噴霧機效果好,單神經元PID 控制器具有自學習和自適應能力,當受到較大干擾時能夠迅速收斂,具有降低跟蹤誤差和抗干擾能力較強等特點,因此噴桿噴霧機在不同作業環境下均具有較好的控制效果。

5 結論

(1)針對寬幅噴桿噴霧機地頭轉向和換行的問題,設計了一種四輪轉向的平移換行控制方法,為解決傳統噴桿噴霧機在轉彎、換行及調頭過程中需要較大轉向區域、轉向半徑大、易碾壓作物等問題提供新的方案。

(2)基于四輪轉向平移換行控制方法,設計了配套的自動導航控制系統,該系統以四輪轉向噴桿噴霧機運動底盤為基礎,采用RTK定位模塊與姿態傳感器進行組合導航,獲取四輪轉向噴桿噴霧機的位置和航向信息為輸入,設計了基于四輪轉向運動學模型的導航控制器,并結合作業要求設計了基于有限狀態機的自動作業控制策略。

(3)針對常規PID控制器抗干擾能力差的缺陷,設計了基于單神經元PID控制器以提高導航控制精度,并對所設計的導航控制器進行硬質平整地塊試驗,試驗結果為:在常規方形地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在平移換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為7.63、4.27 cm,而搭載單神經元PID控制器的噴霧機在平移換行過程中的的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為6.48、3.24 cm,單神經元PID控制相對于常規PID控制,其在換行路徑的導航精度分別提高15.9%、24.1%;在不規則地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在平移換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為7.38、4.23 cm,而搭載單神經元PID控制器的噴霧機在平移換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為6.42、3.17 cm,換行路徑的導航精度分別提高13.0%、25.1%,表現出較強的適用性與較好的導航精度提升效果。

(4)為進一步驗證四輪轉向噴桿噴霧機導航控制系統的田間工作性能,對所設計的導航控制器進行田間試驗,試驗結果為:在常規方形地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在平移換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為11.01、6.66 cm,而搭載單神經元PID控制器的噴霧機在平移換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為8.60、4.47 cm,單神經元PID控制相對于常規PID控制,其平移換行的導航精度分別提高21.8%、32.8%;在不規則地塊中,搭載常規PID控制器的噴霧機在平移換行過程中最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為10.91、6.63 cm,而搭載單神經元PID控制器的噴霧機在平移換行過程中的最大跟蹤偏差、平均絕對偏差為8.63、4.42 cm,單神經元PID控制相對于常規PID控制,其平移換行導航精度也分別提高20.9%、33.3%,有較好的提升效果。硬質平整地面和田間試驗充分表明該單神經元PID控制與傳統PID控制相比,能降低最大跟蹤偏差、平均絕對偏差,提高了導航系統精度和穩定性,有較強的提升效果,滿足實際作業要求。