楊 洋 張 剛 查家翼 李延凱 張 鐵 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036；3.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展中占有重要地位[1]，自主轉(zhuǎn)向是自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究轉(zhuǎn)向控制精度高、適用性廣和價(jià)格低廉的自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是農(nóng)機(jī)導(dǎo)航裝備推廣應(yīng)用的關(guān)鍵[2]。

常見自動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有電控電磁比例液壓閥、電控全液壓閥和電控方向盤[3]。文獻(xiàn)[4-6]通過電控電磁比例閥控制車輪轉(zhuǎn)向，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、執(zhí)行精度較高，但是成本較高。文獻(xiàn)[7-11]設(shè)計(jì)了電控全液壓閥自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，在不改變?cè)幸簤合到y(tǒng)工作性能的基礎(chǔ)上，并聯(lián)了一個(gè)由電機(jī)控制的全液壓轉(zhuǎn)向器，該系統(tǒng)控制便捷，但缺少自動(dòng)駕駛與人工駕駛的自動(dòng)切換功能。隨著對(duì)控制精度及控制便捷程度的提高，自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸從加裝比例閥或全液壓閥控制的方式向電控方向盤方式轉(zhuǎn)變。文獻(xiàn)[12-13]在方向盤上加裝步進(jìn)電機(jī)，基于摩擦輪驅(qū)動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向，該方式安裝方便，但存在摩擦滑移現(xiàn)象，角度偏差較大。張漫等[14]設(shè)計(jì)了玉米中耕除草復(fù)合導(dǎo)航系統(tǒng)，通過在方向盤下方的轉(zhuǎn)向柱上加裝伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)方向盤，進(jìn)而控制車輪轉(zhuǎn)向。魏爽等[15]以John Deere拖拉機(jī)為試驗(yàn)平臺(tái)，在方向盤上加裝了步進(jìn)電機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)控制方向盤轉(zhuǎn)向。何杰等[16]以井關(guān)PZ-60型水稻插秧機(jī)為平臺(tái)，通過加裝電動(dòng)方向盤來控制車輪轉(zhuǎn)向，該方式控制精度較高、響應(yīng)迅速，但是電控方向盤僅能提供3 N·m的驅(qū)動(dòng)力矩，在極端情況下提供轉(zhuǎn)向力矩不足，影響控制精度。

綜上，亟需設(shè)計(jì)一款適用性強(qiáng)、控制精度高、集成度高，且安裝簡便、具有駕駛模式自動(dòng)切換功能的自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。為了便于農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛的使用推廣，自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)除了滿足性能指標(biāo)外，還應(yīng)成本低廉。本文研究基于直流有刷電機(jī)與全液壓轉(zhuǎn)向器直聯(lián)的電-液混合自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，通過直流有刷電機(jī)控制全液壓轉(zhuǎn)向器工作，以期滿足自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制性能指標(biāo)，并降低生產(chǎn)制造成本。

1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于直流有刷電機(jī)與全液壓轉(zhuǎn)向器直聯(lián)的電-液混合自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)主要包括自動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置、電磁離合器、自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器和原有底盤轉(zhuǎn)向液壓系統(tǒng)。

圖1 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of automatic steering system

電機(jī)通過電磁離合器和蝸輪蝸桿減速器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向柱，轉(zhuǎn)向柱與全液壓轉(zhuǎn)向器通過聯(lián)軸器連接，實(shí)現(xiàn)車輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向。自動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置由控制器控制，控制器輸入信號(hào)為前輪期望轉(zhuǎn)角和車輪角度傳感器獲取的車輪實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)角，輸出量為控制直流有刷電機(jī)的PWM(脈沖寬度調(diào)制)方波信號(hào)。此外，控制器還控制電磁離合器通斷，實(shí)現(xiàn)人工駕駛/自動(dòng)轉(zhuǎn)向的自動(dòng)切換。

2 自動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)雙驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置

圖2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置原理圖Fig.2 Steering drive schematic1.方向盤 2.轉(zhuǎn)向柱 3.扭矩傳感器 4.蝸輪 5.蝸桿 6.全液壓轉(zhuǎn)向器 7.轉(zhuǎn)向柱外殼 8.電磁離合器 9.轉(zhuǎn)向電機(jī) 10.傳動(dòng)齒輪外殼

人工轉(zhuǎn)向控制和自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制組成并聯(lián)雙驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置系統(tǒng)，如圖2所示，主要由方向盤、轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向電機(jī)、電磁離合器、蝸輪蝸桿減速器、扭矩傳感器和全液壓轉(zhuǎn)向器組成。轉(zhuǎn)向柱上端與方向盤通過花鍵連接，下端和全液壓轉(zhuǎn)向器通過聯(lián)軸器連接，實(shí)現(xiàn)駕駛員控制方向盤驅(qū)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器。方向盤、轉(zhuǎn)向柱和全液壓轉(zhuǎn)向器機(jī)械連接，能夠確保人工轉(zhuǎn)向控制的優(yōu)先權(quán)和可靠性。在轉(zhuǎn)向柱中間安裝蝸輪齒輪，轉(zhuǎn)向電機(jī)經(jīng)過電磁離合器與蝸桿連接，最終轉(zhuǎn)向電機(jī)通過蝸輪蝸桿減速后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向柱，實(shí)現(xiàn)車輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。

電磁離合器安裝在轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出軸和蝸桿之間，用于通斷轉(zhuǎn)向電機(jī)與蝸桿連接，電磁離合器吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)向電機(jī)經(jīng)過蝸輪蝸桿減速驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向柱，電磁離合器斷開狀態(tài)轉(zhuǎn)向電機(jī)與蝸桿斷開，此時(shí)駕駛員控制方向盤驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向。通過安裝在轉(zhuǎn)向柱上的扭矩傳感器判斷駕駛員操縱狀態(tài)，設(shè)計(jì)邏輯控制算法實(shí)現(xiàn)電磁離合器通斷控制。

2.2 車輪轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置

車輪轉(zhuǎn)角測(cè)量是自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響轉(zhuǎn)向性能的重要環(huán)節(jié)[17-19]。車輪轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置如圖3所示，采用非接觸式霍爾角度傳感器測(cè)量車輪轉(zhuǎn)向角。

圖3 車輪轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置Fig.3 Wheel angle measuring device1.角度傳感器 2.柔性聯(lián)軸器 3.車輪轉(zhuǎn)向軸 4.定位支架 5.傳感器信號(hào)線 6.車橋機(jī)體

傳感器通過定位支架安裝在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備車橋機(jī)體上，傳感器定位孔與支架通過螺栓固結(jié)，相對(duì)于車橋機(jī)體靜止，傳感器D型輸出軸通過柔性聯(lián)軸器與車輪轉(zhuǎn)軸固結(jié)。柔性聯(lián)軸器靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度為20 N·m/rad，額定扭矩1.0 N·m，而傳感器啟動(dòng)扭矩小于0.001 N·m，因此選用的柔性傳感器能夠滿足車輪轉(zhuǎn)角信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量，不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)角誤差。此外，柔性聯(lián)軸器在鉛垂方向彈性較小，可有效避免工作環(huán)境和機(jī)械振動(dòng)等對(duì)傳感器的影響，有效保護(hù)傳感器和避免測(cè)量振動(dòng)噪聲干擾。

3 控制器硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)框架示意圖如圖4所示，主要由STM32F103處理器、核心電路、電源電路、轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、CAN通信電路、車輪角度傳感器采集電路、方向柱扭矩傳感器采集電路、電磁離合器控制電路以及其他附屬電路組成[20-23]。

圖4 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of automatic steering system control system

STM32F103處理器負(fù)責(zé)控制器信息處理和數(shù)據(jù)運(yùn)算，核心電路是STM32F103處理器正常工作所需的基本電路；電源電路為電磁離合器控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、CAN通信電路以及為車輪角度傳感器、扭矩傳感器和STM32F103處理器供電電路；電磁離合器控制電路控制電磁離合器的開合，實(shí)現(xiàn)人工駕駛模式和自動(dòng)駕駛模式的自動(dòng)切換；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)直流有刷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；CAN通信電路用于上位機(jī)與下位機(jī)信息的交互、傳感器信號(hào)的傳輸；傳感器電路實(shí)時(shí)采集車輪轉(zhuǎn)向角與方向盤扭矩。

3.2 處理器I/O分配

圖5為自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器單片機(jī)所用的I/O分配圖，使用了ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)電壓采集模塊、定時(shí)器脈沖采集模塊、PWM波輸出模塊、CAN通信模塊、RS232通信模塊、高低電平輸出等單片機(jī)資源。

圖5 處理器I/O分配圖Fig.5 Processor I/O allocation diagram

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)由車載12 V蓄電池供電，根據(jù)各個(gè)模塊電路對(duì)電壓的需求設(shè)計(jì)控制器電源電路。如圖6所示，將12 V電壓轉(zhuǎn)換為5、3.3 V電壓輸出，并加入保護(hù)及濾波電路。

圖6 電源電路原理圖Fig.6 Power circuit schematic

3.4 傳感器選型及其信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

車輪轉(zhuǎn)角傳感器如圖7所示，選用LA-3006-5VV05型非接觸式霍爾角度傳感器，輸入電壓5 V，輸出電壓0～5 V，0°～360°無死角檢測(cè)，線性精度0.3%。殼體采用304不銹鋼加工制作，防護(hù)等級(jí)IP67，適用于農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境。

圖8為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)駕駛員操縱方向盤狀態(tài)的QCG-N1IL-100型扭矩傳感器，輸入電壓5 V，通過檢測(cè)扭轉(zhuǎn)桿的扭轉(zhuǎn)變形對(duì)外輸出0～5 V的電壓信號(hào)。

圖9 電壓采集電路Fig.9 Voltage acquisition circuit

圖7 車輪角度傳感器Fig.7 Wheel angle sensor

圖8 方向盤扭矩傳感器Fig.8 Steering column torque sensor

角度傳感器及方向盤扭矩傳感器電壓采集電路如圖9所示，電壓由PIN_AI2端口接入，輸出端接單片機(jī)的PA2角進(jìn)行ADC采集電壓。

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、離合驅(qū)動(dòng)電路以及電機(jī)電流采樣電路組成。

3.5.1驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

自動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用12 V直流有刷電機(jī)，直流有刷電機(jī)具有價(jià)格低廉、易于控制、響應(yīng)迅速且具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等優(yōu)點(diǎn)，確保電機(jī)在低速時(shí)也能輸出高扭矩，電機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖10 直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖Fig.10 Schematic of DC brush motor drive circuit

表1 直流有刷電機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of DC brush motor

3.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

如圖10a所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用2個(gè)IR2104芯片構(gòu)成的電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路。IR2104自帶死區(qū)保護(hù)，MTR_HIN1和MTR_LIN1接入STM32高級(jí)定時(shí)器TIM1通道1引腳上。功率器件選用AP9990GH型的N溝道場效應(yīng)管，耐壓60 V，可過電流100 A。

3.5.3電機(jī)電流檢測(cè)電路

由于電機(jī)在帶載低速工作和堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)電流比額定電流高2倍以上，因此需要加入檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)電流。電機(jī)電流檢測(cè)電路如圖10b所示，在全橋電路的MOS管(MOSFET，金屬氧化物半導(dǎo)體型場效應(yīng)管)源極串聯(lián)一個(gè)5 mΩ的采樣電阻，將MOS管輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大電路將電壓信號(hào)放大51倍，輸出到單片機(jī)引腳進(jìn)行A/D采集。

3.6 電路板工作溫度采樣電路

為了防止控制器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器因工作異常引起溫度過高燒壞板卡，設(shè)計(jì)溫度采樣電路檢測(cè)板卡的實(shí)時(shí)溫度，監(jiān)測(cè)電路如圖11所示。通過板載10 kΩ負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻與一個(gè)10 kΩ電阻串聯(lián)在3.3 V的電路上，通過溫度變化改變熱敏電阻的阻值獲取不同電壓，實(shí)現(xiàn)板卡溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖11 控制器板卡溫度采樣電路原理圖Fig.11 Schematic of temperature sampling circuit of controller board

3.7 駕駛模式自動(dòng)切換設(shè)計(jì)

3.7.1電磁離合器驅(qū)動(dòng)電路

選擇電機(jī)轉(zhuǎn)軸集成電磁離合器的直流有刷電機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛模式與人工駕駛模式自動(dòng)切換功能設(shè)計(jì)。電磁離合器用來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)力是否作用到蝸輪蝸桿，因此需要設(shè)計(jì)離合器驅(qū)動(dòng)電路來控制離合通斷。如圖12所示，前端為4個(gè)二極管設(shè)計(jì)的推挽控制電路，用于驅(qū)動(dòng)后端的MOS管的通斷，進(jìn)而控制離合的通斷。MOS管開通，離合吸合；MOS管閉合，離合斷開。電路下方為離合電流檢測(cè)電路，檢測(cè)離合驅(qū)動(dòng)電路是否正常工作。

圖12 離合器驅(qū)動(dòng)電路Fig.12 Clutch drive circuit

圖13 自動(dòng)駕駛與人工駕駛模式切換流程圖Fig.13 Automatic driving and manual driving mode switching

3.7.2駕駛模式控制邏輯設(shè)計(jì)

電磁離合器的通斷可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛模式與人工駕駛模式的自動(dòng)切換，其通斷控制邏輯如圖13所示。扭矩傳感器檢測(cè)當(dāng)前方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩信號(hào)，在自動(dòng)駕駛模式下，駕駛員沒有操縱方向盤，方向盤扭矩信號(hào)在極小范圍內(nèi)波動(dòng)，沒有超過設(shè)置的閾值，此時(shí)電機(jī)使能，電磁離合器閉合，電機(jī)作用于轉(zhuǎn)向柱驅(qū)動(dòng)全液壓轉(zhuǎn)向器，車輪自動(dòng)轉(zhuǎn)向；當(dāng)在自動(dòng)駕駛過程中遇到突發(fā)情況時(shí)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，方向盤扭矩信號(hào)超過設(shè)定閾值，電機(jī)失能，離合器斷開，電機(jī)驅(qū)動(dòng)力不作用轉(zhuǎn)向柱，退出自動(dòng)駕駛模式，切換到人工駕駛模式。

方向盤扭矩信號(hào)閾值是確定電磁離合器通斷控制策略的關(guān)鍵，通過采集10名駕駛員操縱方向盤扭矩信號(hào)確定方向盤扭矩閾值，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。駕駛員操縱方向盤產(chǎn)生的扭矩電壓信號(hào)在-400～400 mV范圍內(nèi)變化，自動(dòng)駕駛模式下方向柱轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩電壓信號(hào)在-200～200 mV?；谠囼?yàn)結(jié)果確定，在自動(dòng)駕駛模式下，當(dāng)檢測(cè)方向盤扭矩電壓信號(hào)小于-800 mV或大于800 mV時(shí)，電磁離合器斷開，自動(dòng)切換到人工駕駛模式。

圖14 方向盤在不同情況下扭矩電壓信號(hào)變化規(guī)律Fig.14 Torque voltage signal variation law of steering wheel under different conditions

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

4.1 CAN通信協(xié)議與報(bào)文解析

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械工作環(huán)境復(fù)雜多樣，各個(gè)子系統(tǒng)之間需要相互協(xié)調(diào)工作，才能滿足農(nóng)業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)的要求。根據(jù)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)多節(jié)點(diǎn)的要求以及國際上對(duì)農(nóng)機(jī)總線的通用性，選用CAN總線通信方式作為自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)[24-26]。數(shù)據(jù)傳輸使用CAN標(biāo)準(zhǔn)幀，并對(duì)其8位數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行了重新定義：Data|0|～Data|7|，具體定義如表2、3所示。

表2 物理層通信協(xié)議Tab.2 Physical layer communication protocol

自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制器接收上位機(jī)發(fā)出的CAN信息，并根據(jù)表3的定義進(jìn)行解析，如果第1位字節(jié)不是自動(dòng)駕駛模式(Data|0|≠0X02)，則電磁離合器斷開，電機(jī)失能，退出自動(dòng)駕駛模式；如果第1位字節(jié)是自動(dòng)駕駛模式(Data|0|=0X02)，則解析第5位字節(jié)和第6位字節(jié)的目標(biāo)角度數(shù)據(jù)，將目標(biāo)角度輸入，電機(jī)使能，電磁離合器吸合。最后解析第8位字節(jié)目標(biāo)車輪轉(zhuǎn)向角速度，車輪目標(biāo)轉(zhuǎn)向角速度的范圍為0.157～0.576 rad/s(對(duì)應(yīng)Data|7|為1～255)，可以通過控制轉(zhuǎn)向角速度實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向速度。為了

表3 應(yīng)用層通信協(xié)議Tab.3 Application layer communication protocol

提高自動(dòng)駕駛的實(shí)時(shí)性，設(shè)定CAN報(bào)文的收/發(fā)速率為50 Hz/s，為了避免在自動(dòng)駕駛時(shí)與上位機(jī)通信出現(xiàn)故障而產(chǎn)生危險(xiǎn)，設(shè)定了超過200 ms沒有接收到CAN報(bào)文，則退出自動(dòng)駕駛模式，轉(zhuǎn)換為人工駕駛模式，并發(fā)出警報(bào)。

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略

通過控制定時(shí)器輸出占空比可變的脈沖來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要用到的處理器外設(shè)模塊有高級(jí)定時(shí)器TIM1、基本I/O口、中斷模塊等，程序運(yùn)行時(shí)，先對(duì)上述模塊進(jìn)行配置。通過配置TIM1的2通道PWM占空比驅(qū)動(dòng)MOS管，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制流程如圖15所示。

圖15 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制流程圖Fig.15 Motor drive control flow chart

4.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)向精確控制算法

為了精準(zhǔn)可靠地控制農(nóng)機(jī)車輪轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)了考慮阿克曼角的車輪轉(zhuǎn)角及其轉(zhuǎn)角速度雙閉環(huán)控制算法。

4.3.1阿克曼角

圖16為車前輪轉(zhuǎn)向角度示意圖，由于存在阿克曼角，使得掛載在右前輪的角度傳感器測(cè)得的角度與實(shí)際角度存在偏差，因此設(shè)計(jì)考慮阿克曼角的轉(zhuǎn)向角控制算法為

(1)

式中θ——實(shí)際轉(zhuǎn)向角

β——右輪轉(zhuǎn)向角

L1——車軸距

L2——車輪距

圖16 車輪轉(zhuǎn)向阿克曼角示意圖Fig.16 Schematic of Ackerman angle for wheel steering1.車前輪 2.角度傳感器 3.車后輪

4.3.2車輪轉(zhuǎn)角閉環(huán)控制算法

為了精確控制車輪轉(zhuǎn)角，本文采用位置式PID控制算法，算法為

OPID=Kpe(k)+Ki∑e(k)+Kd(e(k)-e(k-1))

(k=1,2,…,n)

(2)

式中OPID——輸出值

Kp、Ki、Kd——位置控制算法比例、積分和微分系數(shù)

e(k)——第k次角度偏差

e(k-1)——第k-1次角度偏差

∑e(k)——e(k)以及之前的偏差累積

以高地隙底盤轉(zhuǎn)向系統(tǒng)作為試驗(yàn)平臺(tái)，綜合考慮轉(zhuǎn)向控制響應(yīng)速度、控制精度、超調(diào)量等，對(duì)控制器進(jìn)行PID參數(shù)整定，根據(jù)先比例后微分最后積分的原則，經(jīng)過測(cè)試及調(diào)整，確定位置式PID控制算法中參數(shù)的最優(yōu)值分別為Kp=45、Ki=0.015、Kd=0.001。試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示，可看出車輪轉(zhuǎn)向響應(yīng)曲線平滑穩(wěn)定地逼近目標(biāo)角度，且超調(diào)量小于1%，由于設(shè)定角速度為0.192 rad/s，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間為3.6 s。

圖17 角度控制算法整定響應(yīng)圖Fig.17 Angle control algorithm setting response chart

4.3.3基于車輪轉(zhuǎn)向角速度的自動(dòng)轉(zhuǎn)向精確控制

為了增加車輪的可控性，車輪以給定角速度轉(zhuǎn)向，設(shè)計(jì)了基于車輪轉(zhuǎn)向角速度控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)向精確控制算法，流程如圖18所示。

圖18 車輪轉(zhuǎn)向角速度控制算法流程圖Fig.18 Flow chart of wheel steering angle speed control algorithm

上位機(jī)通過CAN總線定義車輪轉(zhuǎn)向角速度，數(shù)據(jù)位定義為Data|7|，由于Data|7|為兩位16進(jìn)制的整形，十進(jìn)制取值為1～255，因此需要構(gòu)建Data|7|取值與車輪轉(zhuǎn)速的映射關(guān)系

f(n)=round(λn)

(3)

式中 round()——取整函數(shù)

n——CAN通信中數(shù)據(jù)位Data|7|取值，在1～255范圍內(nèi)取整數(shù)

λ——映射系數(shù)

根據(jù)人工測(cè)試獲取轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定最大轉(zhuǎn)速工況下車輪轉(zhuǎn)向角速度為0.581 rad/s，確定λ為0.13。

5 自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖19a為轉(zhuǎn)向控制器電路板實(shí)物圖，板卡上模塊化集成了各個(gè)電路。圖19b為轉(zhuǎn)向執(zhí)行器總成實(shí)物圖，包括轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)與塑料外殼，可以便捷地安裝于各種農(nóng)機(jī)。

5.2 車輪轉(zhuǎn)向角信號(hào)跟蹤試驗(yàn)

以高地隙底盤為試驗(yàn)平臺(tái)，上位機(jī)以50 Hz頻率發(fā)出方波指令控制信號(hào)，該信號(hào)為在低、中、高3種車輪轉(zhuǎn)向角速度情況下的±20°階躍信號(hào)，通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)到下位機(jī)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，下位機(jī)采集CAN報(bào)文同樣也是50 Hz。試驗(yàn)結(jié)果如圖20所示。由圖20可知，車輪轉(zhuǎn)向角迅速且平滑穩(wěn)定地轉(zhuǎn)到目標(biāo)轉(zhuǎn)向角，轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間如表4所示，符合車輪轉(zhuǎn)向角速度控制算法設(shè)計(jì)目標(biāo)。

車輪轉(zhuǎn)向角實(shí)時(shí)信號(hào)響應(yīng)差值如圖21所示。由圖21可知，在車輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角從-20°～20°變化過程中，最大穩(wěn)態(tài)誤差為0.158°，超調(diào)量全部小于1%，平均響應(yīng)穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1°。

圖19 自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.19 Physical drawings of automatic steering control system processing1.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 2.板卡溫度采集模塊 3.角度及扭矩信號(hào)采集模塊 4.信號(hào)及電源輸入接口 5.CAN通信模塊 6.電源供電模塊 7.電機(jī)驅(qū)動(dòng)H橋模塊 8.離合驅(qū)動(dòng)模塊 9.處理器芯片 10.下載模塊

圖20 角速度控制算法測(cè)試響應(yīng)圖Fig.20 Test response charts of angular velocity control algorithm

表4 轉(zhuǎn)向響應(yīng)時(shí)間Tab.4 Measurement of steering time

5.3 自動(dòng)駕駛模式與人工駕駛模式自動(dòng)切換試驗(yàn)

為了測(cè)試在自動(dòng)駕駛過程中遭遇突發(fā)情況需要人工駕駛的性能，在人工干預(yù)的情況下進(jìn)行了自動(dòng)駕駛模式與人工駕駛模式智能切換試驗(yàn)。圖22為設(shè)定扭矩傳感器電壓信號(hào)閾值[-800,800] mV狀態(tài)開展的自動(dòng)駕駛模式自動(dòng)切換到人工駕駛模式的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。圖22a為在自動(dòng)駕駛模式下車輪當(dāng)前轉(zhuǎn)角、目標(biāo)轉(zhuǎn)角及當(dāng)前扭矩電壓信號(hào)的變化情況。由圖22a可看出，在自動(dòng)駕駛模式下，方向盤扭矩電壓信號(hào)在[-150,150] mV范圍內(nèi)變化，沒有超過程序設(shè)定的閾值，此時(shí)車輪在自動(dòng)駕駛模式下平滑穩(wěn)定的到達(dá)目標(biāo)角度。圖22b為自動(dòng)駕駛模式下受到了人工干預(yù)的工況。由圖22b可看出，當(dāng)人為干預(yù)方向盤時(shí)，扭矩傳感器接收到扭矩電壓信號(hào)超過設(shè)定閾值，此時(shí)自動(dòng)駕駛模式自動(dòng)快速切換到人工駕駛模式。切換時(shí)間小于20 ms，可以有效預(yù)防農(nóng)機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的緊急情況。

圖21 角度響應(yīng)跟蹤差值Fig.21 Angle response tracking error

圖22 自動(dòng)駕駛模式及人工干預(yù)模式下的扭矩變化曲線Fig.22 Torque value change under automatic driving mode and manual intervention mode

6 結(jié)論

(1)提出一種基于直流有刷電機(jī)與全液壓轉(zhuǎn)向器直聯(lián)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了電控系統(tǒng)。相對(duì)于傳統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，該系統(tǒng)響應(yīng)速度快、精度高，控制力矩最大達(dá)30 N·m。自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成度高，農(nóng)機(jī)裝備加裝的精度要求低，成本低廉。

(2)設(shè)計(jì)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用全橋驅(qū)動(dòng)電路，設(shè)計(jì)了考慮阿克曼角的轉(zhuǎn)向角度控制算法，并基于PID位置式閉環(huán)算法控制車輪轉(zhuǎn)角。車輪轉(zhuǎn)角±20°試驗(yàn)表明，轉(zhuǎn)向最大穩(wěn)態(tài)誤差0.158°，平均穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1°，超調(diào)量小于1%，車輪轉(zhuǎn)角±20°最快響應(yīng)時(shí)間為1.2 s，且階躍響應(yīng)無振蕩現(xiàn)象，較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)更迅速、精準(zhǔn)和穩(wěn)定。

(3)當(dāng)自動(dòng)駕駛轉(zhuǎn)換為人工駕駛模式時(shí)，提出采用方向盤扭矩傳感器檢測(cè)當(dāng)前轉(zhuǎn)向模式，并設(shè)計(jì)了駕駛模式控制邏輯。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在20 ms內(nèi)能迅速完成轉(zhuǎn)換，相對(duì)于傳統(tǒng)的自動(dòng)駕駛模式更加安全與便捷。

(4)設(shè)計(jì)的基于STM32F103處理器的自動(dòng)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)器，包含控制器溫度監(jiān)測(cè)電路、系統(tǒng)工作電壓監(jiān)測(cè)電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流監(jiān)測(cè)電路及其他各種反饋保護(hù)電路，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)、角度及扭矩精確采集和CAN實(shí)時(shí)通信等功能。