机械接触式导航控制系统的研究与试验

陈 刚，周 平，何青海，孙宜田，李青龙，孙永佳

(1.山东省农业机械科学研究院，济南 250100；2.潍坊工商职业学院，山东 潍坊 262234)



机械接触式导航控制系统的研究与试验

陈 刚1，周 平2，何青海1，孙宜田1，李青龙1，孙永佳1

(1.山东省农业机械科学研究院，济南 250100；2.潍坊工商职业学院，山东 潍坊 262234)

研制了一种机械接触式导航控制系统，该系统利用LabVIEW编程，采用PID控制方式进行对行调节，根据自动对行作业的具体需要，设计了机械接触式导向机构，并通过匹配性试验确定了转向轮偏转角度α与转向轮转动速度ω的取值。该系统以WP-500Y型高地隙喷药机为载体进行田间试验，结果表明：转向轮偏转角度为0.115rad、转向轮转动速度为0.357rad/s、作业速度为4km/h时，自动对行作业稳定性最好。

机械接触式导航；自动对行；PID控制；LabVIEW

0 引言

玉米等硬秸秆作物在喷药、收获等作业环节需要进行对行作业。目前，农业机械的对行问题大多采用GPS导航、视觉导航、电磁导航、激光导航、超声波导航及机械接触式导航等[1-4]，而机械接触式导航凭借成本低、实用性强、可靠性高、易于维护等特点在实际生产中独具优势[5]。尽管我国机械接触式农机自动导航系统的研究取得了一定成果，但还没有出现能够解决玉米喷药、收获作业对行问题的导航控制系统。

为此，设计了一种适用于玉米自动对行作业的机械接触式导航控制系统。根据对行作业的特点，设计了机械接触式导向机构；系统根据导向机构的触发信号判断机具对行状态，转向轮实际调整角度作为反馈量输入到控制系统，通过PID控制方式调节机具转向轮的转向，使机具实现自动对行作业。该机械接触式导航控制系统不仅可以降低操作者的工作强度，且可以提高对行作业的效率和质量。

1 导航控制系统硬件结构

机械接触式导航控制系统包括导航控制和状态监测两部分。导航控制装置包括控制器、触摸屏、电液比例换向阀及转向液压缸等部件；状态监测装置包括导向机构和角位移传感器等部件，在工作过程中，角位移传感器检测转向轮的偏转角度，导向机构检测机具是否偏离作物种植行。

机械接触式导航控制系统在玉米联合收获机上的安装示意图如图1所示。导向机构在玉米联合收获机割道内，为了保证检测精度，两个导向机构前端距离10～15cm左右；角位移传感器安装在收获机后轮的转向轴上，方便检测转向轮的偏转角度；控制器和触摸屏安装在驾驶室内，方便驾驶员操作。

1.右导向机构 2. 左导向机构 3.角度传感器 4.转向液压缸

机械接触式导航控制系统在高地隙喷药机上的安装示意图如图2所示。导向机构成对安装在一侧行走轮的前端，两个导向机构前端距离可调；角位移传感器安装在前轮转向机构上； 控制器和触摸屏安装在驾驶室内。

导向机构是导航控制系统状态检测元件，由壳体和触碰组件构成。其中，触碰组件包含旋转轴、触片、触点及接触杆，如图3所示。旋转轴采用绝缘材质，表面设有凹槽，垂直安装在壳体底部，旋转轴上套接有扭簧，扭簧一端挂接在接触杆上，扭簧另一端挂靠在壳体上；触片固定在壳体内壁，触点镶嵌在旋转轴的凹槽中；接触杆穿装在旋转轴的径向通孔内，并穿过壳体延伸至壳体外部呈弧形弯曲；接线柱下部与旋转轴轴线方向的孔配合相连，接线柱的螺母与接线柱上部螺纹相配合[6]。

1.角度传感器 2.导向机构

1.盘头螺钉 2.触片 3.触点 4.旋转轴 5.壳体 6.接触杆

2 导航控制系统软件设计

2.1 控制原理及控制方法

机具对玉米进行自动对行作业时以一行玉米为基准行，导向机构通过对基准行的检测，判断机具是否对行作业。当机具正常作业时，导向机构不会碰触到基准行玉米秸秆，无信号输入到控制器，执行机构不动作；当机具偏离基准行时，导向机构碰触到玉米秸秆，触发信号反馈到控制器，控制器判断机具偏转方向，调节电液比例换向阀，转向液压缸的动作，使机具转向轮发生偏转，同时角位移传感器检测转向轮的偏转角度，并将检测值反馈到控制器；当转向轮偏转角度达到设定值后，控制器控制转向液压缸使转向轮回正；当角位移传感器检测到转向轮回正到设定的中位值时，控制器停止对转向轮的调节，导航控制系统完成一次导航控制动作。

2.2 软件设计

本导航控制系统采用自主研发的控制器，该控制器核心芯片采用TI公司的TMS320F28335数字信号处理器，控制程序采用LabVIEW编写，自动对行调节采用离散PID控制方式[7]。 机具转向轮的偏转与回正是导航控制系统控制的关键，转向轮的偏转角度、转向轮回正时的中位值这两个参数需要在控制程序中设定，分别记为α、θ，设定(θ-α,θ)为转向轮左偏转动作区间，(θ,θ+α)为转向轮右偏转动作区间，角位移传感器通过对转向轮角度的检测，判断转向轮的区间位置。根据机具转向方式的不同，具体的控制程序流程图如图4和图5所示，导航控制系统框图如图6所示，导航控制系统的程序图如图7所示。

3 导航控制系统试验研究

本文以3WP-500Y型高地隙喷药机为载体，对机械接触式导航控制系统进行试验研究。人工对行作业时，根据驾驶员操作经验，影响对行效果的因素主要是转向轮偏转角度、转向轮转动速度、机具作业速度，分别记为α、ω、v。其中，α、ω为系统控制参数，通过匹配性试验选取这两个参数的取值，并结合机具作业速度进行导航控制系统稳定性试验。

图4 后轮转向控制程序流程图

图5 前轮转向控制程序流程图

θ-设定中位值，α1-调整角度，α2-转向角度。

图7 导航控制系统程序图

3.1 控制参数匹配性试验

根据3WP-500Y高地隙喷药机的机械特性及相关操作经验，控制参数分别取α值为500、600、700、800、900、1 000，取ω值为700、800、900、1 000、1 100、1 200。喷药机静止状态下，在非硬化路面上测得控制参数α和ω取值所对应的实际物理含义如表1所示。

表1 α和ω取值对应表

试验过程中，每个数据测量5次，取平均值。衡量参数为转向轮完成偏转和回正动作的时间t(s)和转向轮回正时在中位值位置振荡的次数n(次)。试验数据如表2所示。α、ω与振荡次数n、时间t的关系如图8和图9所示。

表2 α 和ω参数值匹配验证

从图8和图9可以看出：①ω为定值，转向轮偏转角度值α越大，转向轮回正到中位值时产生的振荡次数n越少。这说明，转向轮在固定的转动速度时，转向轮偏转的角度越大，转向轮回正过程越不容易产生振荡。②α≤700时，转向轮转动速度ω越大，转向轮完成偏转和回正动作的时间t越长；α>700时，转向轮转动速度ω越大，转向轮完成偏转和回正动作的时间t越短。这说明，转向轮偏转角度在一定范围内，转向轮转动越迅速，转向轮完成偏转和回正动作的时间越短，若转向轮偏转角度太小，转向轮回正时发生超调，容易在中位值位置产生振荡，转向轮完成偏转和回正动作的时间反而变长。

根据试验情况，当n<2次、t<2s时，导航系统对转向轮的调节效果良好，这种状态下控制参数ω取值为800、900、1 000、1 100，α取值为700、800、900、1 000。

图8 α、ω与振荡次数n的关系

图9 α、ω与时间t的关系

3.2 稳定性试验

3WP-500Y高地隙喷药机采用无级变速，工作速度为0～6 km/h。在不同作业速度下选用不同的α和ω值，进行导航控制稳定性试验。试验过程以200m距离内喷药机导航失效次数N为衡量参数，以5次试验结果的平均值作为试验数据。导航控制系统稳定性试验数据如表3所示，不同作业速度下α、ω与N之间的关系如图10～图12所示。

表3 导航控制系统稳定性试验

续表3

图10 v=3km/h时α、ω与导航失效次数N的关系

图11 v=4km/h时α、ω与导航失效次数N的关系

图12 v=5km/h时α和ω与导航失效次数N的关系

从图10～图12可以看出：

1)机具作业速度v和转向轮偏转角度值α不变时，转向轮转动速度ω越大，则导航失效次数N越多。原因是：ω值越大，转向轮转动越快，在转向轮回正到中位值时越容易发生超调，短时间内无法完成对行动作，导致导航失效次数增多。

2) 机具作业速度v和转向轮转动速度ω不变时，α>700时，导航失效次数N随着α值的增大而增多。原因是：α越大，转向轮回正调节需要的时间越长，无法在较短时间内完成对行动作，导致对行失效。α=700时，虽然转向轮偏转角度较小，但转向轮回正调节时容易发生超调，完成对行动作的时间反而变长，导航失效次数增多。

3) 转向轮转动速度ω和转向轮偏转角度值α不变时，机具作业速度v越快，则导航失效次数N越多。原因是：作业速度越快，对行调节动作需要快速完成，若在相应时间内对行动作无法完成，机具就会偏离作业行，使导航动作失效。

试验结果表明: 安装机械接触式导航控制系统的3WP-500Y高地隙喷药机，当控制参数α=800、ω=800、v=4km/h时，即转向轮偏转角度为0.115rad、转向轮转动速度为0.357rad/s、作业速度为4km/h时，自动对行作业稳定性最好。

4 结论

本文设计的机械接触式导航控制系统在3WP-500Y高地隙喷药机上最佳的控制参数为：α=800，ω=800，v=4km/h。该导航控制系统具有安装灵活、扩展性好等特点，今后还需要在不同型号、不同转向方式的机具上进行试验。通过优化程序和建立不同机具的控制参数数据库，相信该控制系统能够在多种机具上得到推广和应用，届时玉米等硬秸秆作物自动对行作业将可以通过该机械接触式导航控制系统完成，这将大大降低操作者的劳动强度，提高对行作业的质量和效率。

[1] 李强,李永奎.我国农业机械GPS导航技术的发展[J].农机化研究,2009，31(8):242-244.

[2] 刁智华,王会丹,魏伟.机器视觉在农业生产中的应用研究[J].农机化研究,2014,36(3):206-211.

[3] 宋健,张宾,张铁中.电磁诱导式喷雾机器人导航系统[J].农业机械学报,2005，36(12):91-94.

[4] 姬长英,周俊.农业机械导航技术发展分析[J].农业机械学报,2014,45(9):44-54.

[5] 何卿,高焕文,李洪文.接触式拖拉机导航控制系统[J].农业机械学报,2008(1):97-101.

[6] 孙宜田,周纪磊,荐世春,等.用于机具检测植株行的感应器件及机具:中国,201410194456.6[P].2014-07-30.

[7] 徐陶祎，刘琴涛.基于PID控制算法的智能控制试验平台系统设计[J].制造业自动化，2014(11):70-72.

The Research and Experiment of Mechanical Contact Navigation Control System

Chen Gang1, Zhou Ping2， He Qinghai1, Sun Yitian1, Li Qinglong1, Sun Yongjia1

(1.Shandong Agricultural Machinery Research Institute, Jinan 250100, China; 2.Weifang Business Vocational College，Weifang 262234, China)

This paper develops a mechanical contact type navigation control system. The system uses LabVIEW programming, uses PID control method to adjust the line，designs mechanical contact type guide mechanism According to the specific needs of the automatic operation of the line , determines the steering wheel deflection angleαand the steering wheel rotational speedωvalue according to the matching test. The system uses WP-500Y type high clearance spraying machine for field experiment carrier , the results show that when the steering wheel deflection angle is 0.115rad, the steering wheel rotation speed is 0.357rad/s, the operation speed is 4km/h, the stability of the operation is the best.

mechanical contact type navigation; automatic on-line; PID control； LabVIEW

2016-06-23

山东省科技发展计划项目(2014GNC112009)；山东省农机装备研发创新计划项目(2015YB107)

陈 刚(1983-)，男，山东淄博人，工程师，工学硕士，(E-mail)cngn2007gx@126.com。

S127

A

1003-188X(2017)08-0186-05