陳 剛，周 平，何青海，孫宜田，李青龍，孫永佳

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100；2.濰坊工商職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 262234)

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機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)的研究與試驗

陳 剛1，周 平2，何青海1，孫宜田1，李青龍1，孫永佳1

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100；2.濰坊工商職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 262234)

研制了一種機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用LabVIEW編程，采用PID控制方式進(jìn)行對行調(diào)節(jié)，根據(jù)自動對行作業(yè)的具體需要，設(shè)計了機(jī)械接觸式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，并通過匹配性試驗確定了轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度α與轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度ω的取值。該系統(tǒng)以WP-500Y型高地隙噴藥機(jī)為載體進(jìn)行田間試驗，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度為0.115rad、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度為0.357rad/s、作業(yè)速度為4km/h時，自動對行作業(yè)穩(wěn)定性最好。

機(jī)械接觸式導(dǎo)航；自動對行；PID控制；LabVIEW

0 引言

玉米等硬秸稈作物在噴藥、收獲等作業(yè)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行對行作業(yè)。目前，農(nóng)業(yè)機(jī)械的對行問題大多采用GPS導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航及機(jī)械接觸式導(dǎo)航等[1-4]，而機(jī)械接觸式導(dǎo)航憑借成本低、實用性強(qiáng)、可靠性高、易于維護(hù)等特點在實際生產(chǎn)中獨具優(yōu)勢[5]。盡管我國機(jī)械接觸式農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)的研究取得了一定成果，但還沒有出現(xiàn)能夠解決玉米噴藥、收獲作業(yè)對行問題的導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

為此，設(shè)計了一種適用于玉米自動對行作業(yè)的機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)。根據(jù)對行作業(yè)的特點，設(shè)計了機(jī)械接觸式導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的觸發(fā)信號判斷機(jī)具對行狀態(tài)，轉(zhuǎn)向輪實際調(diào)整角度作為反饋量輸入到控制系統(tǒng)，通過PID控制方式調(diào)節(jié)機(jī)具轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向，使機(jī)具實現(xiàn)自動對行作業(yè)。該機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)不僅可以降低操作者的工作強(qiáng)度，且可以提高對行作業(yè)的效率和質(zhì)量。

1 導(dǎo)航控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括導(dǎo)航控制和狀態(tài)監(jiān)測兩部分。導(dǎo)航控制裝置包括控制器、觸摸屏、電液比例換向閥及轉(zhuǎn)向液壓缸等部件；狀態(tài)監(jiān)測裝置包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和角位移傳感器等部件，在工作過程中，角位移傳感器檢測轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)檢測機(jī)具是否偏離作物種植行。

機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)在玉米聯(lián)合收獲機(jī)上的安裝示意圖如圖1所示。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)在玉米聯(lián)合收獲機(jī)割道內(nèi)，為了保證檢測精度，兩個導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端距離10～15cm左右；角位移傳感器安裝在收獲機(jī)后輪的轉(zhuǎn)向軸上，方便檢測轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度；控制器和觸摸屏安裝在駕駛室內(nèi)，方便駕駛員操作。

1.右導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 2. 左導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 3.角度傳感器 4.轉(zhuǎn)向液壓缸

機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)在高地隙噴藥機(jī)上的安裝示意圖如圖2所示。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)成對安裝在一側(cè)行走輪的前端，兩個導(dǎo)向機(jī)構(gòu)前端距離可調(diào)；角位移傳感器安裝在前輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上； 控制器和觸摸屏安裝在駕駛室內(nèi)。

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是導(dǎo)航控制系統(tǒng)狀態(tài)檢測元件，由殼體和觸碰組件構(gòu)成。其中，觸碰組件包含旋轉(zhuǎn)軸、觸片、觸點及接觸桿，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)軸采用絕緣材質(zhì)，表面設(shè)有凹槽，垂直安裝在殼體底部，旋轉(zhuǎn)軸上套接有扭簧，扭簧一端掛接在接觸桿上，扭簧另一端掛靠在殼體上；觸片固定在殼體內(nèi)壁，觸點鑲嵌在旋轉(zhuǎn)軸的凹槽中；接觸桿穿裝在旋轉(zhuǎn)軸的徑向通孔內(nèi)，并穿過殼體延伸至殼體外部呈弧形彎曲；接線柱下部與旋轉(zhuǎn)軸軸線方向的孔配合相連，接線柱的螺母與接線柱上部螺紋相配合[6]。

1.角度傳感器 2.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

1.盤頭螺釘 2.觸片 3.觸點 4.旋轉(zhuǎn)軸 5.殼體 6.接觸桿

2 導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 控制原理及控制方法

機(jī)具對玉米進(jìn)行自動對行作業(yè)時以一行玉米為基準(zhǔn)行，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)通過對基準(zhǔn)行的檢測，判斷機(jī)具是否對行作業(yè)。當(dāng)機(jī)具正常作業(yè)時，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不會碰觸到基準(zhǔn)行玉米秸稈，無信號輸入到控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動作；當(dāng)機(jī)具偏離基準(zhǔn)行時，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)碰觸到玉米秸稈，觸發(fā)信號反饋到控制器，控制器判斷機(jī)具偏轉(zhuǎn)方向，調(diào)節(jié)電液比例換向閥，轉(zhuǎn)向液壓缸的動作，使機(jī)具轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)，同時角位移傳感器檢測轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，并將檢測值反饋到控制器；當(dāng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到設(shè)定值后，控制器控制轉(zhuǎn)向液壓缸使轉(zhuǎn)向輪回正；當(dāng)角位移傳感器檢測到轉(zhuǎn)向輪回正到設(shè)定的中位值時，控制器停止對轉(zhuǎn)向輪的調(diào)節(jié)，導(dǎo)航控制系統(tǒng)完成一次導(dǎo)航控制動作。

2.2 軟件設(shè)計

本導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用自主研發(fā)的控制器，該控制器核心芯片采用TI公司的TMS320F28335數(shù)字信號處理器，控制程序采用LabVIEW編寫，自動對行調(diào)節(jié)采用離散PID控制方式[7]。 機(jī)具轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)與回正是導(dǎo)航控制系統(tǒng)控制的關(guān)鍵，轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)向輪回正時的中位值這兩個參數(shù)需要在控制程序中設(shè)定，分別記為α、θ，設(shè)定(θ-α,θ)為轉(zhuǎn)向輪左偏轉(zhuǎn)動作區(qū)間，(θ,θ+α)為轉(zhuǎn)向輪右偏轉(zhuǎn)動作區(qū)間，角位移傳感器通過對轉(zhuǎn)向輪角度的檢測，判斷轉(zhuǎn)向輪的區(qū)間位置。根據(jù)機(jī)具轉(zhuǎn)向方式的不同，具體的控制程序流程圖如圖4和圖5所示，導(dǎo)航控制系統(tǒng)框圖如圖6所示，導(dǎo)航控制系統(tǒng)的程序圖如圖7所示。

3 導(dǎo)航控制系統(tǒng)試驗研究

本文以3WP-500Y型高地隙噴藥機(jī)為載體，對機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究。人工對行作業(yè)時，根據(jù)駕駛員操作經(jīng)驗，影響對行效果的因素主要是轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度、機(jī)具作業(yè)速度，分別記為α、ω、v。其中，α、ω為系統(tǒng)控制參數(shù)，通過匹配性試驗選取這兩個參數(shù)的取值，并結(jié)合機(jī)具作業(yè)速度進(jìn)行導(dǎo)航控制系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗。

圖4 后輪轉(zhuǎn)向控制程序流程圖

圖5 前輪轉(zhuǎn)向控制程序流程圖

θ-設(shè)定中位值，α1-調(diào)整角度，α2-轉(zhuǎn)向角度。

圖7 導(dǎo)航控制系統(tǒng)程序圖

3.1 控制參數(shù)匹配性試驗

根據(jù)3WP-500Y高地隙噴藥機(jī)的機(jī)械特性及相關(guān)操作經(jīng)驗，控制參數(shù)分別取α值為500、600、700、800、900、1 000，取ω值為700、800、900、1 000、1 100、1 200。噴藥機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，在非硬化路面上測得控制參數(shù)α和ω取值所對應(yīng)的實際物理含義如表1所示。

表1 α和ω取值對應(yīng)表

試驗過程中，每個數(shù)據(jù)測量5次，取平均值。衡量參數(shù)為轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間t(s)和轉(zhuǎn)向輪回正時在中位值位置振蕩的次數(shù)n(次)。試驗數(shù)據(jù)如表2所示。α、ω與振蕩次數(shù)n、時間t的關(guān)系如圖8和圖9所示。

表2 α 和ω參數(shù)值匹配驗證

從圖8和圖9可以看出：①ω為定值，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值α越大，轉(zhuǎn)向輪回正到中位值時產(chǎn)生的振蕩次數(shù)n越少。這說明，轉(zhuǎn)向輪在固定的轉(zhuǎn)動速度時，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的角度越大，轉(zhuǎn)向輪回正過程越不容易產(chǎn)生振蕩。②α≤700時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度ω越大，轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間t越長；α>700時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度ω越大，轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間t越短。這說明，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度在一定范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動越迅速，轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間越短，若轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度太小，轉(zhuǎn)向輪回正時發(fā)生超調(diào)，容易在中位值位置產(chǎn)生振蕩，轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間反而變長。

根據(jù)試驗情況，當(dāng)n<2次、t<2s時，導(dǎo)航系統(tǒng)對轉(zhuǎn)向輪的調(diào)節(jié)效果良好，這種狀態(tài)下控制參數(shù)ω取值為800、900、1 000、1 100，α取值為700、800、900、1 000。

圖8 α、ω與振蕩次數(shù)n的關(guān)系

圖9 α、ω與時間t的關(guān)系

3.2 穩(wěn)定性試驗

3WP-500Y高地隙噴藥機(jī)采用無級變速，工作速度為0～6 km/h。在不同作業(yè)速度下選用不同的α和ω值，進(jìn)行導(dǎo)航控制穩(wěn)定性試驗。試驗過程以200m距離內(nèi)噴藥機(jī)導(dǎo)航失效次數(shù)N為衡量參數(shù)，以5次試驗結(jié)果的平均值作為試驗數(shù)據(jù)。導(dǎo)航控制系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)如表3所示，不同作業(yè)速度下α、ω與N之間的關(guān)系如圖10～圖12所示。

表3 導(dǎo)航控制系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗

續(xù)表3

圖10 v=3km/h時α、ω與導(dǎo)航失效次數(shù)N的關(guān)系

圖11 v=4km/h時α、ω與導(dǎo)航失效次數(shù)N的關(guān)系

圖12 v=5km/h時α和ω與導(dǎo)航失效次數(shù)N的關(guān)系

從圖10～圖12可以看出：

1)機(jī)具作業(yè)速度v和轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值α不變時，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度ω越大，則導(dǎo)航失效次數(shù)N越多。原因是：ω值越大，轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動越快，在轉(zhuǎn)向輪回正到中位值時越容易發(fā)生超調(diào)，短時間內(nèi)無法完成對行動作，導(dǎo)致導(dǎo)航失效次數(shù)增多。

2) 機(jī)具作業(yè)速度v和轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度ω不變時，α>700時，導(dǎo)航失效次數(shù)N隨著α值的增大而增多。原因是：α越大，轉(zhuǎn)向輪回正調(diào)節(jié)需要的時間越長，無法在較短時間內(nèi)完成對行動作，導(dǎo)致對行失效。α=700時，雖然轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度較小，但轉(zhuǎn)向輪回正調(diào)節(jié)時容易發(fā)生超調(diào)，完成對行動作的時間反而變長，導(dǎo)航失效次數(shù)增多。

3) 轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度ω和轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值α不變時，機(jī)具作業(yè)速度v越快，則導(dǎo)航失效次數(shù)N越多。原因是：作業(yè)速度越快，對行調(diào)節(jié)動作需要快速完成，若在相應(yīng)時間內(nèi)對行動作無法完成，機(jī)具就會偏離作業(yè)行，使導(dǎo)航動作失效。

試驗結(jié)果表明: 安裝機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)的3WP-500Y高地隙噴藥機(jī)，當(dāng)控制參數(shù)α=800、ω=800、v=4km/h時，即轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度為0.115rad、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度為0.357rad/s、作業(yè)速度為4km/h時，自動對行作業(yè)穩(wěn)定性最好。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)在3WP-500Y高地隙噴藥機(jī)上最佳的控制參數(shù)為：α=800，ω=800，v=4km/h。該導(dǎo)航控制系統(tǒng)具有安裝靈活、擴(kuò)展性好等特點，今后還需要在不同型號、不同轉(zhuǎn)向方式的機(jī)具上進(jìn)行試驗。通過優(yōu)化程序和建立不同機(jī)具的控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫，相信該控制系統(tǒng)能夠在多種機(jī)具上得到推廣和應(yīng)用，屆時玉米等硬秸稈作物自動對行作業(yè)將可以通過該機(jī)械接觸式導(dǎo)航控制系統(tǒng)完成，這將大大降低操作者的勞動強(qiáng)度，提高對行作業(yè)的質(zhì)量和效率。

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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

山東省科技發(fā)展計劃項目(2014GNC112009)；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目(2015YB107)

陳 剛(1983-)，男，山東淄博人，工程師，工學(xué)碩士，(E-mail)cngn2007gx@126.com。

S127

A

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