线性天线阵列自抗扰的田间轮式小车控制系统研制

刘志刚，吴东明， 汪小志

(1.南昌大学，南昌　330031；2.焦作师范高等专科学校，河南 焦作　454000；3.南昌工学院，南昌　330108)



线性天线阵列自抗扰的田间轮式小车控制系统研制

刘志刚1,3，吴东明2， 汪小志1,3

(1.南昌大学，南昌330031；2.焦作师范高等专科学校，河南 焦作454000；3.南昌工学院，南昌330108)

摘要：随着移动通信技术的发展，阵列技术也得到了广泛应用，并形成了智能天线的研究领域，而具有自适应和抗干扰能力的线性阵列天线是研究的热点。为此，提出了一种具有自抗扰能力的田间追随小车控制系统，并设计了小车的机械与传动结构。该小车利用线性阵列天线可以简单而灵活地操作控制信号，从而可以获得理想的空间定向波束，充分高效地利用用户信号，并删除或者抑制干扰信号。设计了田间追踪小车的样车，并设计了一个由N个天线单元组成的线性阵列。通过测试发现：小车在受外界转矩干扰后，系统的横向和纵向通道仍然能够很好地追随各自的设定值，具有较好的鲁棒性，可以保证在田间复杂环境和信号干扰的情况下，具有较高的作业效率和精度。

关键词：追随小车；线性阵列；抗干扰；自适应；鲁棒性

0引言

导航技术是农业机器人的核心技术之一，近10年来国内外专家和学者对其进行了大量的研究。由于农业机器人的实际作业环境开放性较高，尽管研究人员设计了很多传感器和监控设备，但仍然无法实现机器人在开放的环境中独立自主地工作。要完全实现机器人的自主导航，还需要进行大量的研究工作。出于对成本和安全的考虑，研究一种无人操作的自动追随小车具有重要的意义。追随小车可以自动跟随驾驶员驾驶的母车进行作业，从而实现田间的自动化作业。

田间追随小车在进行作业过程中，由于野外环境的复杂性，轮胎和地面、轮子和驱动力、回转力都是非线性变化的，时刻面临障碍物、振动及恶劣的自然条件，使追随小车的控制存在很多未知的干扰因素，传统的控制系统很难满足小车控制系统的设计需求。线性阵列天线具有自适应和抗干扰能力，具有较好的鲁棒性，能够保证小车在复杂环境下控制的稳定性，将其应用在田间追随小车的控制系统中，可以产生较好的控制效果。

1田间轮式追随小车结构模型

田间轮式追随小车的控制系统是一个时变非线性的多输入多输出的耦合系统，其设计一直是国内外研究的热点。近年来，国内外对其进行了大量的研究，取得了一定的成果。水稻自动追随小车的作业实际效果如图1所示。

图1　水稻收割自动追随小车

该小车采用精度较高的RTK-GPS来控制两台收割机的行走轨迹。通过实验发现：在作业速度达到0.3m/s时，子机的追随的横向和纵向偏差分别为8cm和19cm。

图2为田间追随小车的结构示意图。工作时，电机首先带动减速齿轮进行传动，然后利用前后转动轴带动锥齿轮，最后带动轮胎转动。其密封性能好，传动比大，扭矩高，适合在田径复杂的地块下进行作业。

2转向机构设计

田间轮式追随小车的转向设计是重点，是保证小车能正常换垄的关键。其万向轴的两个轴线之间存在夹角，连接的两个轴可以做连续的回转，并将转矩和运动传递。田间轮式追随小车的传动属于低扭矩传动，因此可以选择万向节的形式，其轴的材料选用的是45钢，并做调质处理，最小轴径的计算表达式为

(1)

其中，C值可以通过查表得到，n2表示转速，P2表示功率。轴的两端进行打孔，假设孔的直径为dh，则最后轴径为

d1=dmin+dh

(2)

车辆的转向主要是依靠转向杯来带动车轮进行转向，而旋转运动可以利用连杆转换为直线运动。其转换原理如图3所示。

1.电机　2.球笼式万向联轴器　3.轴承

1～5. 活动构件　1～7.低运动副

将虚约束去掉后，设计转向运动。为了顺利地实现运动转换，需要对自由度进行计算，其表达式为

F=3n-2PL-PH

(3)

其中，n为活动构件的数目；PL为低运动副；PH为高运动副。由图3可以得出田间追随小车的自由度为1，但田间作业环境比较颠簸，为了防止小车构件受颠簸影响，将自由度放宽为3。其原理如图4所示。

图4　三自由度转向结构简图

添加运动副后，将装置的自由度进行了放宽处理，使田间追随小车在作业过程中可以平稳转向。最终机构立体效果如图5所示。

图5　转向机构立体示意图

田间追随小车在追随的过程中，转向机构在接受转向信号时往往会受到干扰，因此需要采取必要的手段消除田间作业干扰。本研究采用线性相控天线阵控制模型，可以有效地增强小车的抗干扰能力，提高转向的可靠性。

3线性相控天线阵控制模型

根据小车的尺寸，其动力选择市场上最常用的RC模型方案，小车实验平台母机和子机车载工控机都选用Atmel公司生产的ATmega128单片机，其主控系统电路结构如图6所示。

控制系统主要包括I/O结构、电源电路、晶振复位电路、JTAG接口和中控芯片。其中，电机使用RC模型的无刷电机作为动力输出，其结构如图7所示。

图6　控制系统结构原理图

图7　无刷电机示意图

无线电机的优点是体积小、转速高、噪声小和使用寿命长，并且有较强的续航能力。根据以上优点，设计了追随小车的动力传递结构，其原理如图8所示。

图8　电机动力传递结构示意图

为了提高小车的自抗扰性能，信号的传输采用线性阵列天线，天线阵列是一个由N个天线单元组成的线性阵列，均匀地排成一条线，其结构如图9所示。

其中，天线在y方向上等间距均匀分布，间距为d，每个天线单元的激励电流为Ii,i=(0,1,2,…,N-1)。其中，辐射电场的强度与激励电流Ii成正比，天线单元方向函数假设为fi=(θ,φ)，则第i个线性单元对追随小车在远区产生的电场强度为

(4)

其中，ki为第i个线性单元的辐射场比例系数；ri为第i个线性单元到追随小车的距离。每个天线单元的激励电流为

Ii=aie-jiΔφB

(5)

其中，ai为激励电流幅度的加权系数；ΔφB为线性阵列中两个相邻单元的反馈电位差。在线性阵列天线发射和接受信号的过程中，其信号波的波束指向迅速且非常灵活，还可以实现多种信号波束的并行工作，雷达的自适应能力较强。

图9　线性相控天线阵原理图

4自抗扰实验研究

为了验证田间追随小车的自抗扰性，设计了追随小车的样车。实验样车采用直流电动机作为动力源，电机输出的动力通过减速器传递给车轮，并利用万向轴进行方向的控制，实现田间母机的追随。具体实验样机如图10所示。

图10　田间追随实验小车

为了测试小车的抗干扰性能，建立了半波阵子矩形平面相控阵天线模型，并对有无故障时的最大增益、最大副瓣电平及辐射功率等辐射特性参数的变化情况进行了测量，得到了如表1所示的结果。

表1　故障前后相控阵天线模型参数特性

由表1的测量数据可以看出：随着故障单元数目的增大，天线的增益有所下降，最高电平有所抬高；但辐射的功率有所降低，这种变化可以通过小车的自抗扰进行削弱。

图11为在无外界干扰的情况下追随小车输出偏差值。由图11可以看出：在无外界干扰时，追随小车的横向误差和纵向误差都比较小，小车对母车的追随精度较高。

图11　无外界干扰下追随小车车间距输出偏差值

图12为对追随小车控制系统施加转矩扰动后得到的小车横向和纵向偏差曲线。由图12可以看出：受外界干扰后，小车系统的横向和纵向通道仍然能够很好地追随各自的设定值，系统具有较好的鲁棒性，可以满足系统的控制要求。

图12　有外界干扰下追随小车车间距输出偏差值

5结论

依据天线阵列理论，根据自主导航原理，提出了一种具有自抗扰能力的田间追随小车控制系统，并设计了小车的实验样机。对实验小车故障前后相控阵天线模型参数特性进行了测量，由测量结果发现：随着故障单元数目的增大，天线的增益有所下降，最高电平有所抬高，但辐射的功率有所降低。对小车的抗干扰性测试发现：小车在受外界转矩干扰后，系统的横向和纵向通道仍然能够很好地追随各自设定值，具有较好鲁棒性，为田间追随式小车的研究提供了可靠的理论依据和技术参考。

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Control System Development for the Wheeled Field Vehicle of Auto-disturbance Rejection Based on Linear Antenna Array

Liu Zhigang1,3, Wu Dongming2, Wang Xiaozhi1,3

(1.Nanchang University, Nanchang 330031, China; 2.Jiaozuo Teachers College, Jiaozuo 454000, China;3.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

Abstract：With the development of mobile communication technology, array technology has been widely used, and formed the research field of smart antenna, which has adaptive and anti-jamming capability of linear array antenna is a hot research. Based on this, a field with the auto disturbance rejection ability of the field to follow the car control system, and the design of the car's mechanical and transmission structure. The vehicle can be used to control the signal with simple and flexible operation, so as to obtain the ideal spatial directional beam, and make full use of the user's signal, and delete or inhibit the interference signal. Design of experiment of tracing robot prototype, and the design of a linear array of composed of N number of antenna elements, found by testing, car after external interference torque, system of horizontal and vertical channels can still good follow their respective set value, has better robustness, can guarantee in the field of complex environment and signal interference, with high working efficiency and precision.

Key words：follow the car; linear array; anti jamming； adaptive; robustness

中图分类号：S237；TN958

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0202-05

作者简介：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。通讯作者：汪小志(1981-)，女，武汉人，副教授，博士研究生，(E-mail)wangxiaozhi@ncu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目(41505015)

收稿日期：2015-12-04