丁幼春，夏中州，彭靖葉，胡子謙

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

0 引 言

水稻是中國(guó)重要的糧食種植作物，收獲質(zhì)量與效率很大程度上決定于聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)手的駕駛水平。將自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用在糧食收獲中，將有助于提升聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量與作業(yè)效率及聯(lián)合收獲機(jī)智能化水平[1-2]。

傳感器技術(shù)和控制技術(shù)在農(nóng)機(jī)導(dǎo)航中的應(yīng)用提高了農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化水平。在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航中根據(jù)位置測(cè)量方法將傳感器分為相對(duì)定位傳感器和絕對(duì)定位傳感器，其中基于相對(duì)定位傳感器主要有機(jī)器視覺[3-4]、激光雷達(dá)[5]和機(jī)械接觸式[6]，農(nóng)機(jī)通過傳感器獲取與作業(yè)區(qū)的相對(duì)位置關(guān)系進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)；基于絕對(duì)定位的傳感器是衛(wèi)星定位，農(nóng)機(jī)通過傳感器獲取農(nóng)機(jī)與預(yù)先確定目標(biāo)路徑的位置關(guān)系進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)[7-8]。自動(dòng)導(dǎo)航控制通常以運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型為主，將導(dǎo)航控制分為縱向控制和橫向控制，縱向控制為速度控制[9-10]，通過速度控制實(shí)現(xiàn)縱向速度的穩(wěn)定性；橫向控制是指導(dǎo)航控制器的設(shè)計(jì)，將偏差信息輸入控制器控制農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向糾偏實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航，導(dǎo)航控制器所使用的控制方法有比例積分微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制[11-12]、純追蹤控制[13-14]、模糊控制[15-16]、預(yù)瞄控制[17]、最優(yōu)控制[18-19]和預(yù)測(cè)控制[20-21]，通過控制算法實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)及提高導(dǎo)航控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

針對(duì)收獲機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量研究。Coen 等[22]利用激光傳感器檢測(cè)田壟與作物區(qū)高度不同的特點(diǎn)，檢測(cè)作物區(qū)域，建立基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的離散狀態(tài)空間控制模型，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合收割機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航控制。丁幼春等[23-25]設(shè)計(jì)了聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)器視覺導(dǎo)航控制系統(tǒng)，采用旋轉(zhuǎn)投影算法配合直方圖融合算法檢測(cè)收獲邊界，設(shè)計(jì)了模糊比例微分PD（Proportion Differentiation）控制器，田間試驗(yàn)割幅變化范圍小于18 cm。吳剛等[26]針對(duì)谷物聯(lián)合收獲機(jī)視覺導(dǎo)航，提出基于改進(jìn)Hough 變換的谷物聯(lián)合收獲機(jī)行走目標(biāo)直線檢測(cè)算法，加快了算法速度、減少了空間占用和提高了抗干擾能力。關(guān)卓懷等[27]提出一種水稻收獲作業(yè)視覺導(dǎo)航路徑提取方法，采用多段3 次B 樣條曲線擬合法提取水稻待收獲區(qū)域邊界線，并驗(yàn)證了視覺導(dǎo)航路徑提取方法的可行性。吳惠昌等[28]以牽引式甜菜聯(lián)合收獲機(jī)為載體，設(shè)計(jì)了對(duì)行探測(cè)機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)表明采用自動(dòng)對(duì)行控制提高了甜菜收獲質(zhì)量。張凱良等[29]設(shè)計(jì)了基于激光雷達(dá)和新型機(jī)械式對(duì)行傳感器的玉米收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行環(huán)境感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了玉米收獲機(jī)的自動(dòng)對(duì)行。趙騰[30]基于激光掃描和機(jī)器視覺的收割機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制方法，進(jìn)行作物邊緣識(shí)別，證明了導(dǎo)航方法的有效性和可靠性。當(dāng)前收獲機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的研究主要以相對(duì)定位方式為主，基于衛(wèi)星導(dǎo)航的研究和應(yīng)用多在耕種管環(huán)節(jié)，且作業(yè)方式為無(wú)重疊作業(yè)，而收獲作業(yè)要求不應(yīng)出現(xiàn)漏割收獲[31]。針對(duì)基于衛(wèi)星定位的自動(dòng)導(dǎo)航收獲作業(yè)在確保完全收獲和維持高割幅率研究較少。

針對(duì)收獲機(jī)田間環(huán)境下直線跟蹤作業(yè)在維持高割幅率條件下易產(chǎn)生漏割的問題，本研究以雷沃GE-70 輪式谷物聯(lián)合收獲機(jī)為平臺(tái)，在收獲機(jī)原有液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行電控液壓改裝，采用定位模塊獲取收獲機(jī)距離偏差和航向偏差作為導(dǎo)航控制器的輸入，設(shè)計(jì)了一種單神經(jīng)元PID 的聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航控制器，并進(jìn)行了對(duì)比仿真、路面、田間試驗(yàn)。

1 聯(lián)合收獲機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)平臺(tái)

聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)由北斗載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分（Real-Time Kinematic，RTK）定位模塊、計(jì)算機(jī)、電控液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、角度傳感器、導(dǎo)航測(cè)控箱和聯(lián)合收獲機(jī)等組成。聯(lián)合收獲機(jī)及導(dǎo)航系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 聯(lián)合收獲機(jī)及導(dǎo)航系統(tǒng)組成 Fig.1 Composition of combine harvester and navigation system

導(dǎo)航平臺(tái)為雷沃GE-70 聯(lián)合收獲機(jī)，通過換裝附件和調(diào)節(jié)收獲機(jī)參數(shù)用于水稻的收獲，其技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1。該平臺(tái)為液壓助力后輪轉(zhuǎn)向，為實(shí)現(xiàn)電控液壓轉(zhuǎn)向在收獲機(jī)原有液壓轉(zhuǎn)向油路基礎(chǔ)上并聯(lián)安裝電控液壓閥組實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪的電控改裝，轉(zhuǎn)向改裝保留有手動(dòng)轉(zhuǎn)向，電控改裝油路參照彭靖葉等[32]研究設(shè)計(jì)。

表1 聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)指標(biāo)參數(shù) Table 1 Technical parameters of combine harvester

1.2 導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

收獲機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由控制器、傳感器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。控制器采用計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過串口和通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）與移動(dòng)站和美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（National Instruments，NI）數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)收獲機(jī)狀態(tài)監(jiān)控及轉(zhuǎn)向控制；傳感器由角度傳感器（DWQCB-9-CH 型角度傳感器，北京天?？乒?，信號(hào)輸出0～9 V，角分辨率0.022o，絕對(duì)精度0.10o）和高精度北斗定位系統(tǒng)（上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司M300 型北斗接收機(jī)及衛(wèi)星接收天線、廈門才茂CM8350P 型數(shù)據(jù)傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）和網(wǎng)絡(luò)中心）組成，角度傳感器通過轉(zhuǎn)向裝夾裝置安裝在后輪轉(zhuǎn)向銷軸上可直接測(cè)量后輪轉(zhuǎn)向角，高精度北斗定位系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分RTK 方式搭建，接收機(jī)分別設(shè)置為移動(dòng)站和基站，基站觀測(cè)相位信息通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸和分發(fā)，移動(dòng)站將基站和自身觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到高精度定位信息；轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)由電源模塊、比例放大器、電液比例閥、轉(zhuǎn)向液壓缸組成，通過控制電液比例閥液壓油的流量和方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。

圖2 導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Fig.2 Structure block diagram of navigation control system

2 聯(lián)合收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

由于收獲機(jī)在收獲過程中，整車質(zhì)量會(huì)隨著作物收獲不斷增加，用動(dòng)力學(xué)模型會(huì)導(dǎo)致建模不準(zhǔn)確的情況，選擇經(jīng)典二輪車模型作為收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，該模型是在不考慮輪胎和地面之間滑動(dòng)的前提下，將聯(lián)合收獲機(jī)輪胎視為剛性進(jìn)行二輪車模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，二輪車模型如圖3 所示。

圖3 二輪車運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 Fig.3 Two wheels kinematics model

二輪車模型表達(dá)式如式（1）所示

式中x，y 為收獲機(jī)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，m；t 是時(shí)間，s；φ 為收獲機(jī)目標(biāo)航向角，(°)；θ 為后輪轉(zhuǎn)向角，(°)；v 為收獲機(jī)速度，m/s；L 為收獲機(jī)軸距，m。

3 導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)

圖4 為聯(lián)合收獲機(jī)直線導(dǎo)航跟蹤控制器整體設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行目標(biāo)路徑信息采集，將當(dāng)前位置信息進(jìn)行高斯投影變換成平面坐標(biāo)并進(jìn)行距離偏差和航向偏差的解算，將得到的偏差信息經(jīng)濾波處理，處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)偏差構(gòu)建策略得到輸入偏差值作為單神經(jīng)元PID 控制器的輸入，單神經(jīng)元PID 控制器輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)向角控制指令給比例微分PD 轉(zhuǎn)向控制器，PD 轉(zhuǎn)向控制器根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)向角指令和當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)角計(jì)算得到模擬電壓大小控制電液比例閥閥口開度及工作液流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向和直線跟蹤控制，根據(jù)彭靖葉等[32]轉(zhuǎn)向特性測(cè)試結(jié)果將轉(zhuǎn)向控制周期設(shè)定為0.5 s。

圖4 聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航控制器整體設(shè)計(jì) Fig.4 Overall design of navigation controller for combine harvester

3.1 距離偏差和航向偏差

聯(lián)合收獲機(jī)在進(jìn)行直線跟蹤時(shí)，需要在導(dǎo)航前設(shè)定目標(biāo)跟蹤直線，通過定位模塊獲取2 個(gè)不同位置點(diǎn)的定位坐標(biāo)，并將定位點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行高斯（Gauss）投影變換成平面坐標(biāo)為A(x1,y1)和B(x2,y2)，將A、B 點(diǎn)所構(gòu)成的直線作為目標(biāo)跟蹤直線（AB 線），AB 線的方程為式（2）所示

式中a，b，c 為直線方程系數(shù)。

收獲機(jī)t 時(shí)刻位置坐標(biāo)為O(xt,yt)，當(dāng)前位置到AB 線的距離即為距離偏差，距離偏差通過點(diǎn)到直線的距離公式求解。

所使用的載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分RTK 定位模塊具有厘米級(jí)定位精度，使用2 個(gè)定位點(diǎn)進(jìn)行收獲機(jī)航向角的解算，當(dāng)前航向角（δ，(°)）通過式（3）進(jìn)行計(jì)算

式中t 為時(shí)間，s；k 為常數(shù)，k 的取值與設(shè)定的距離有關(guān)，通過計(jì)算當(dāng)前坐標(biāo)點(diǎn)和前面第k 個(gè)點(diǎn)的距離判斷是否大于等于設(shè)定距離，若大于等于設(shè)定距離則進(jìn)行航向角的計(jì)算得到當(dāng)前航向角δ，根據(jù)目標(biāo)直線可以得到目標(biāo)航向角為φ，目標(biāo)航向角減去當(dāng)前航向角即可得到當(dāng)前航向偏差Δδ。

3.2 偏差構(gòu)建策略

在收獲機(jī)直線跟蹤中，為使收獲過程中維持高割幅率根據(jù)當(dāng)前聯(lián)合收獲機(jī)距離偏差和航向偏差進(jìn)行了偏差的構(gòu)建以決策進(jìn)行橫向糾偏或航向糾偏，聯(lián)合收獲機(jī)偏差構(gòu)建策略如式（4）所示

式中e(t)為t 時(shí)刻的偏差值，cm 或(°)；dmin為設(shè)定的最小距離偏差，cm；δmin為設(shè)定的最小航向偏差，（°）。

當(dāng)|Δd|＜dmin時(shí)，首先判斷當(dāng)前航向偏差Δδ 和設(shè)定的最小航向偏差δmin關(guān)系，如果|Δδ|＜δmin時(shí)，此時(shí)收獲機(jī)處于距離偏差和割臺(tái)擺動(dòng)幅度都較小，故只進(jìn)行橫向糾偏；如果|Δδ|≥δmin時(shí)，由于在橫向糾偏過程中航向偏差越大越易造成超調(diào)和割臺(tái)擺動(dòng)幅度的增大，如果不進(jìn)行航向糾偏將出現(xiàn)航向角繼續(xù)增大造成收獲機(jī)割臺(tái)擺動(dòng)幅度大造成漏割，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行航向糾偏。當(dāng)|Δd|≥dmin時(shí)，由于已經(jīng)偏離目標(biāo)直線距離較遠(yuǎn)，進(jìn)行橫向糾偏可以快速減小距離偏差有利于快速上線；當(dāng)距離偏差滿足|Δd|＜dmin時(shí)進(jìn)行航向糾偏可以使收獲機(jī)快速的糾正航向進(jìn)入小偏差狀態(tài)。通過在跟蹤過程中引入航向糾偏可以減小收割機(jī)割臺(tái)擺動(dòng)幅度，提高收獲機(jī)割幅率。

3.3 單神經(jīng)元PID 控制器設(shè)計(jì)

單神經(jīng)元是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最基本的控制部件，單神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)只具有一層神經(jīng)元，單神經(jīng)元通過自學(xué)習(xí)可修改神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度，使獲得的知識(shí)結(jié)構(gòu)可適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。PID 控制是廣泛使用的控制策略，但其參數(shù)經(jīng)過整定就無(wú)法在線修改，適應(yīng)性不強(qiáng)，將PID 控制與單神經(jīng)元結(jié)合可實(shí)現(xiàn)田間條件下PID 參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元PID 控制器[33-34]，通過PID 參數(shù)的在線調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)田間自動(dòng)導(dǎo)航作業(yè)。單神經(jīng)元PID 控制器結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 單神經(jīng)元PID 控制器結(jié)構(gòu)圖 Fig.5 Structure diagram of single-neuron PID controller

控制器采用增量式PID 算法如式（5）和式（6）所示

式中u(t-1)分別為前一時(shí)刻控制量，單位為(°)；Δu(t)為當(dāng)前時(shí)刻控制增量，(°)；r1(t)為比例輸入，cm 或(°)；r2(t)為積分輸入，cm 或(°)；r3(t)為微分輸入，cm 或(°)； kP為比例控制系數(shù)。

單神經(jīng)元PID 控制器的輸入如式（7）所示

式中e(t-1)為t-1 時(shí)刻輸入偏差，cm 或(°)；e(t-2)為t-2 時(shí)刻輸入偏差，cm 或(°)。

對(duì)PID 參數(shù)進(jìn)行在線修正主要是根據(jù)偏差對(duì)kP、kI和kD進(jìn)行修正，單神經(jīng)元采用有監(jiān)督的赫布學(xué)習(xí)（Hebb learning）規(guī)則。在自動(dòng)導(dǎo)航中PID 參數(shù)的在線學(xué)習(xí)主要與r1(t)和r2(t)有關(guān)，故采用改進(jìn)的單神經(jīng)元PID 控制，將學(xué)習(xí)規(guī)則中加權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)修正部分中r1(t)、r2(t)和r3(t)都改為r1(t)+r2(t)，通過神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)修改神經(jīng)元之間連接強(qiáng)度，使獲得的知識(shí)結(jié)構(gòu)適應(yīng)周圍環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)3 個(gè)控制參數(shù)的在線整定如式（8）和式（9）所示

式中ηP、ηI和ηD分別為比例、積分和微分的學(xué)習(xí)速率；w1(t)、w1(t)和w1(t)分別對(duì)應(yīng)r1(t)、r2(t)和r3(t)的神經(jīng)元比例、積分、微分的加權(quán)系數(shù)；K 為神經(jīng)元增益系數(shù)。

3.4 單神經(jīng)元PID 控制器仿真

為驗(yàn)證單神經(jīng)元PID 控制器的控制性能，對(duì)常規(guī)PID和單神經(jīng)元PID 控制進(jìn)行了Matlab 仿真，其中常規(guī)PID控制通過試湊法先調(diào)節(jié)kP，再調(diào)節(jié)kI，最后調(diào)節(jié)kD，通過不斷調(diào)節(jié)獲得調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)盡量小的3 個(gè)參數(shù)為kP=0.2，kI=0.08，kD=0.06；單神經(jīng)元PID 系數(shù)調(diào)試參考饒巍林等[35]研究，加權(quán)系數(shù)初始化賦任意非零相同值，單神經(jīng)元PID 由式（6）和式（9）知3 個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)與增益系數(shù)K 有關(guān)，通過調(diào)節(jié)增益系數(shù)K 獲得響應(yīng)快與超調(diào)小的值，再通過調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)系數(shù)減小系統(tǒng)的超調(diào)和過渡時(shí)間，通過不斷調(diào)節(jié)獲得較佳參數(shù)，經(jīng)調(diào)試得單神經(jīng)元PID 增益系數(shù)K=0.4，學(xué)習(xí)速率ηP=1.6，ηI=1.0，ηD=1.4。仿真設(shè)置距離偏差為50 cm，采樣時(shí)間為0.1 s，在6 s 時(shí)給予一個(gè)持續(xù)0.5 s 擾動(dòng)，測(cè)試控制器的調(diào)節(jié)效果，仿真結(jié)果如圖6 所示。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID 與傳統(tǒng)PID 控制相比，具有超調(diào)小、收斂速度快等特點(diǎn)。

圖6 PID 控制器和單神經(jīng)元PID 控制器對(duì)比 Fig.6 Comparison of PID controller and single-neuron PID control

3.5 轉(zhuǎn)向控制器設(shè)計(jì)

電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖7 所示，轉(zhuǎn)向控制器使用PD控制。轉(zhuǎn)向控制器收到目標(biāo)轉(zhuǎn)向角指令θ 并根據(jù)當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)角計(jì)算得到轉(zhuǎn)向角偏差，轉(zhuǎn)向角偏差信息經(jīng)過PD 轉(zhuǎn)向控制器計(jì)算得到轉(zhuǎn)向控制電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)向電壓信號(hào)經(jīng)比例放大器電壓電流U-I（Voltage to Current）轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)控制比例閥的開度進(jìn)行液壓油流量Q 的控制，轉(zhuǎn)向液壓缸在液壓油壓力的作用下實(shí)現(xiàn)液壓缸伸縮并通過連桿機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪動(dòng)作完成聯(lián)合收獲機(jī)后輪轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)后輪轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制。對(duì)所設(shè)計(jì)的PD 轉(zhuǎn)向控制器進(jìn)行±25°方波跟隨測(cè)試，角度傳感器通過裝夾裝置安裝在轉(zhuǎn)向銷軸上直接測(cè)量實(shí)際轉(zhuǎn)角，設(shè)置角度傳感器數(shù)據(jù)采樣頻率為5 000 Hz，每100 個(gè)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)向角度值，對(duì)PD 轉(zhuǎn)向控制器的性能測(cè)試曲線如圖8所示，方波跟隨測(cè)試中上升時(shí)間為3.34 s，轉(zhuǎn)向輪的延時(shí)時(shí)間為80 ms，跟隨誤差為0.5°，跟隨測(cè)試表明所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向控制器能夠穩(wěn)定跟蹤控制信號(hào)，可適用于收獲機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航轉(zhuǎn)向控制。

圖7 電控液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng) Fig.7 Electro-hydraulic power steering system

圖8 后輪轉(zhuǎn)向方波信號(hào)跟隨曲線 Fig.8 Square wave track signal curve of rear wheel steering

4 試 驗(yàn)

4.1 路面試驗(yàn)

為檢驗(yàn)導(dǎo)航控制器的控制效果，在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)訓(xùn)中心柏油路面進(jìn)行了試驗(yàn)，通過控制軟件實(shí)時(shí)記錄偏差數(shù)據(jù)，測(cè)試速度為0.7 m/s，分別搭載兩種控制器進(jìn)行路面測(cè)試控制效果，在路面通過3.4 節(jié)調(diào)試方法獲得較佳參數(shù)，其中常規(guī)PID 控制器kP=0.6、kI=0.01、kD=0.1，單神經(jīng)元PID 參數(shù)分別為K=0.4、ηP=1.5、ηI=0.1、ηD=1.0，其中偏差構(gòu)建中的設(shè)定值dmin=10 cm、δmin=10°。路面試驗(yàn)常規(guī)PID 控制初始距離偏差為0.60 m，航向偏差為3°；單神經(jīng)元PID 控制初始距離偏差為0.62 m，航向偏差為5°。開啟自動(dòng)導(dǎo)航功能前先使收獲機(jī)處于行駛狀態(tài)以獲得較為準(zhǔn)確的航向值，試驗(yàn)距離偏差曲線如圖9所示，試驗(yàn)結(jié)果表明常規(guī)PID 控制平均絕對(duì)偏差3.2 cm，最大跟蹤偏差為7.5 cm，穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間（距離偏差小于15 cm）為1.7 s；單神經(jīng)元PID 平均絕對(duì)偏差1.21 cm，最大跟蹤偏差為6.1 cm，穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間為1.6 s。試驗(yàn)結(jié)果表明單神經(jīng)元PID 控制器平均絕對(duì)偏差、最大跟蹤偏差和調(diào)節(jié)時(shí)間都比常規(guī)PID 控制器小。

4.2 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的田間工作性能及導(dǎo)航控制器直線跟蹤效果，于2019 年10 月3 日在湖北荊州市監(jiān)利縣五聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)械專業(yè)合作社水稻技術(shù)示范田進(jìn)行了田間導(dǎo)航試驗(yàn)，試驗(yàn)田塊長(zhǎng)為120 m，寬35 m。采用五點(diǎn)取樣法測(cè)試得田間土壤含水率為25.4%，堅(jiān)實(shí)度為476.8 kPa，選擇水稻在黃熟期到完熟期的6～10 d 內(nèi)進(jìn)行收獲，稻谷籽粒含水率為18%，收獲作業(yè)后割茬高度小于18 cm，在保證收獲質(zhì)量的條件下測(cè)得在0.7 m/s 時(shí)收獲效果最佳，分別搭載常規(guī)PID 控制器和單神經(jīng)元PID 控制器進(jìn)行導(dǎo)航試驗(yàn)。

試驗(yàn)步驟：

1）試驗(yàn)前首先檢查傳感器參數(shù)是否正常，進(jìn)行導(dǎo)航參數(shù)設(shè)置；

2）在地頭兩端分別進(jìn)行A、B 坐標(biāo)點(diǎn)的采集確定目標(biāo)跟蹤路徑；

3）開始新一幅作業(yè)前進(jìn)行對(duì)行，使橫向偏距小于10 cm，航向偏差小于10°；

4）調(diào)節(jié)收獲機(jī)收獲參數(shù)到最佳收獲狀態(tài)，使收獲機(jī)先行駛再啟動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，開始直線跟蹤導(dǎo)航作業(yè)；

5）記錄導(dǎo)航過程中收獲視頻、航向偏差、距離偏差、實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)向角、目標(biāo)轉(zhuǎn)向角等數(shù)據(jù)信息；

6）重復(fù)步驟2～5，進(jìn)行多次試驗(yàn)獲取導(dǎo)航數(shù)據(jù)。

表 2 為田間導(dǎo)航收獲分別搭載常規(guī)PID 和單神經(jīng)元PID 控制器的數(shù)據(jù)對(duì)比，圖10 為單神經(jīng)元PID 控制器田間導(dǎo)航收獲直線跟蹤偏差變化曲線和田間導(dǎo)航收獲效果，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)收獲機(jī)速度為0.7 m/s 時(shí)，單神經(jīng)元PID 直線跟蹤最大偏差不超過8.14 cm，平均絕對(duì)偏差為3.20 cm，最大標(biāo)準(zhǔn)差為3.14 cm，根據(jù)丁幼春等[12]研究中導(dǎo)航精度提高百分比計(jì)算得到單神經(jīng)元PID 控制較常規(guī)PID 控制最大跟蹤偏差和平均絕對(duì)偏差分別提高了30.3%、50.9%，試驗(yàn)表明單神經(jīng)元PID控制較常規(guī)PID 控制能夠降低跟蹤偏差，能夠較好的滿足聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航作業(yè)要求，為收獲機(jī)的自主導(dǎo)航提供了技術(shù)參考。

表2 常規(guī)PID 與單神經(jīng)元PID 控制效果對(duì)比 Table 2 Comparison of control effect between conventional PID controller and single-neuron PID control

圖10 田間直線跟蹤試驗(yàn) Fig.10 Lines tracking test in field

單神經(jīng)元PID 較常規(guī)PID 控制效果好主要是由于單神經(jīng)元PID 可以通過自學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，當(dāng)偏差較大時(shí)通過自學(xué)習(xí)使PID 參數(shù)變大以使控制量增大加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度使收獲機(jī)快速上線；當(dāng)偏差較小時(shí)PID 參數(shù)通過在線調(diào)節(jié)變小以減小控制量使系統(tǒng)保持穩(wěn)線的狀態(tài)，而常規(guī)PID 由于參數(shù)經(jīng)整定好后在整個(gè)控制過程中是不變的，當(dāng)系統(tǒng)受到外界擾動(dòng)時(shí)再用不變的PID 參數(shù)就很難達(dá)到最佳的控制效果。單神經(jīng)元PID 路面和田間試驗(yàn)最大跟蹤偏差和平均絕對(duì)偏差相比較有所增大，主要是由于路面和田間試驗(yàn)條件有很大不同，田間土地的平整度、土壤含水率、秸稈量等易造成機(jī)體傾斜、滑移的發(fā)生使田間試驗(yàn)偏差比路面大。試驗(yàn)過程中以較低速度0.7 m/s 進(jìn)行收獲作業(yè)，原因是所使用農(nóng)機(jī)主要適用于小麥的收獲，經(jīng)過換裝收獲機(jī)部件及調(diào)整收獲機(jī)參數(shù)用于水稻的收獲，且水稻收獲期秸稈含水量較大故收獲機(jī)喂入量不能太大，同時(shí)為了確保收獲質(zhì)量將收獲機(jī)速度設(shè)定為0.7 m/s。試驗(yàn)中跟蹤誤差與使用的傳感器有一定關(guān)系，所使用的單天線RTK 定位模塊定位精度小于2 cm，航向角由式（3）計(jì)算得出，在運(yùn)動(dòng)時(shí)由羅錫文等[7]研究可知計(jì)算出來的航向角也存在一定的誤差，而本研究將滿足一定距離作為航向偏差解算的條件，一定程度上可以將航向誤差控制在一定的范圍內(nèi)，且使用單天線RTK 易受地塊不平等因素影響造成定位與實(shí)際位置存在一定的誤差，而最終的跟蹤誤差是在以上誤差基礎(chǔ)上測(cè)量得到的，后期將改進(jìn)方案采用雙天線或其他組合導(dǎo)航方案降低單個(gè)傳感器對(duì)跟蹤誤差的影響。

4.3 導(dǎo)航割幅率

為了對(duì)收獲機(jī)導(dǎo)航質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，除常規(guī)的損失率、破碎率、含雜率等之外，定義了割幅率（Cutting Width Rate，ax，%）指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該指標(biāo)要求收獲中不應(yīng)產(chǎn)生漏割，用割臺(tái)投入到收獲中的百分比評(píng)價(jià)導(dǎo)航質(zhì)量。

割幅率是指在聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航收獲過程中，總能保持不漏割的前提下維持滿割幅的比例。當(dāng)割幅率較大時(shí)有效的割幅也較大，可反映作業(yè)效率也較高，割幅率計(jì)算如式（10）所示

式中yx是割幅大小，m；y 是收獲機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)割幅，m。

通過參數(shù)面板設(shè)置目標(biāo)路徑的平移參數(shù)及割臺(tái)參數(shù)，多次進(jìn)行實(shí)際自動(dòng)導(dǎo)航收獲作業(yè)，通過視頻回放和現(xiàn)場(chǎng)觀察是否出現(xiàn)漏割，經(jīng)測(cè)試在設(shè)置收獲機(jī)割臺(tái)有效作業(yè)幅寬為2.4 m時(shí)單神經(jīng)元PID導(dǎo)航控制器自動(dòng)導(dǎo)航收獲時(shí)無(wú)漏割，重復(fù)試驗(yàn)3 次仍無(wú)漏割現(xiàn)象發(fā)生，由表1知收獲機(jī)理論割幅為2.56 m，通過式（10）計(jì)算得導(dǎo)航作業(yè)割幅率為93.75%。

5 結(jié) 論

1）以雷沃GE-70 谷物聯(lián)合收獲機(jī)為平臺(tái)，以計(jì)算機(jī)為控制中心，通過對(duì)液壓轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行電控改裝，并集成高精度北斗定位模塊、角度傳感器構(gòu)建了聯(lián)合收獲機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航硬件控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了單神經(jīng)元PID（Proportion Integration Differentiation）導(dǎo)航控制器和PD（Proportion Differentiation）轉(zhuǎn)向控制器。

2）對(duì)所設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行了田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)表明，當(dāng)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)速度為0.7 m/s 時(shí)，導(dǎo)航控制器直線跟蹤的平均絕對(duì)偏差為3.20 cm，最大跟蹤偏差為8.14 cm，最大標(biāo)準(zhǔn)差為3.14 cm，割幅率為93.75%，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)航控制器能夠滿足田間收獲作業(yè)的要求。