摘要:為提高采棉機采收效率，降低駕駛員勞動強度，開發(fā)采棉機自動對行系統(tǒng)具有重要意義和實用價值。為此，采用機械機構(gòu)碰撞棉花植株隊列的方法，研究其碰撞規(guī)律、機械運動原理及采棉機轉(zhuǎn)彎控制方式等內(nèi)容，開發(fā)出能夠?qū)Σ擅迿C速度自適應(yīng)的自動對行技術(shù)。工作時，通過實時采集車體航向和棉花隊列之間的相對角度信息以及后輪的當(dāng)前位置狀態(tài)，經(jīng)速度參數(shù)自適應(yīng)的PID算法得到理想控制電壓，由電壓控制采棉機上的液壓控制器，進而控制后輪轉(zhuǎn)向;通過判斷后輪位置傳感器狀態(tài)限制轉(zhuǎn)向角度，并及時控制后輪回正，實現(xiàn)采棉機自動對行的功能。田間試驗結(jié)果表明:采棉機可以長時間自動對行連續(xù)作業(yè)，作業(yè)結(jié)果滿足采棉需求。
關(guān)鍵詞:采棉機;輔助駕駛;自動對行;速度參數(shù)自適應(yīng)PID
0引言
采棉機屬于大型農(nóng)業(yè)機械，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作復(fù)雜度高，在新疆等大面積棉花種植區(qū)逐漸廣泛應(yīng)用，在棉花采摘方面扮演著十分重要的角色。為提高采棉機采收效率，降低駕駛員勞動強度，開發(fā)采棉機自動對行系統(tǒng)具有重要意義和實用價值。近年來，自動導(dǎo)航、自主駕駛技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械上得到越來越多的研究和應(yīng)用[1-4]，通常采用高精度RTK衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)AB線導(dǎo)航，主要應(yīng)用于不需要對行的田間作業(yè);采棉機采收作業(yè)時，不只是需要實現(xiàn)AB線的行駛，還需要使采頭機構(gòu)始終對準棉壟。
目前，國外部分機型上應(yīng)用了自動對行技術(shù)，如美國約翰迪爾的采棉機;國產(chǎn)機型主要依賴人工對行駕駛，自動對行研究尚為空白。類似的需要對行作業(yè)的機械有玉米收獲機、水稻除草機等，有相關(guān)的自動對行技術(shù)研究，主要采用機器視覺[5-7]或機械碰撞[8-10]兩種方式。筆者根據(jù)采棉作業(yè)的實際情況，研究了一種基于機械碰撞靴航向偏差角檢測和后輪轉(zhuǎn)角控制的采棉機自動對行控制系統(tǒng)。
1采棉機自動對行機械設(shè)計
1.1航向偏差檢測裝置設(shè)計
航向偏差檢測裝置用于檢測采棉機行駛方向相對于棉壟方向的偏差，由3根連桿、兩個碰撞靴、傳感器安裝支撐結(jié)構(gòu)、高精度角度傳感器及其相關(guān)配件組成。
角度傳感器選用鈦克邁機電科技有限公司的RFC4801系列角度傳感器。該傳感器是非接觸式傳感器，由傳感器母端和磁珠兩個獨立的元件組成，可通過感知條形磁鐵磁場方向的變化測量角度，輸出4～20mA的電流。航向偏差檢測裝置安裝在采頭內(nèi)側(cè)，采棉機在作業(yè)時由于存在實時對行偏差，棉花植株會在不同的位置碰撞到左側(cè)或右側(cè)的碰撞靴，帶動連桿繞固定軸旋轉(zhuǎn);磁珠固定在連桿上與連桿同心旋轉(zhuǎn)，傳感器母端經(jīng)支撐架固定于U型槽鋼上，角度傳感器檢測出不同的偏差角度，輸出至自動 對行控制器。
當(dāng)棉花植株碰到左側(cè)碰撞靴時，表示航向偏向左側(cè)了，輸出偏差角度為-90°～0°;當(dāng)碰到右側(cè)碰撞靴時，表示航向偏向右側(cè)了，輸出偏差角度為0°～90°;當(dāng)棉花植株從中間通過時，表示航向與棉株方向?qū)R，輸出偏差角度為0°。通過計算和標(biāo)定，可以得到碰撞靴橫向運動和傳感器輸出模擬量之間的一一對應(yīng)關(guān)系，進而可以將航向偏差與輸出模擬量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為碰撞靴橫向偏差與輸出模擬量之間的關(guān)系，即d∝I。由此關(guān)系可得出航向偏差，進而通過算法控制對行。
1.2轉(zhuǎn)向控制與輪轉(zhuǎn)角檢測
采棉機作業(yè)期間，通過控制后輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，自動對行控制器控制液壓控制器進而控制后輪的轉(zhuǎn)向角速度和轉(zhuǎn)向方向，卻無法直接控制轉(zhuǎn)向角度。因此，在后輪轉(zhuǎn)向液壓桿上安裝拉線傳感器，實時測量液壓桿長度。通過計算和標(biāo)定，可以得出后輪轉(zhuǎn)向角度和拉線傳感器拉線長度的一一對應(yīng)關(guān)系，即轉(zhuǎn)向角Ø與傳感器輸出I的一一對應(yīng)關(guān)系，即Ø∝I。由此可實時得到采棉機后輪狀態(tài)，實現(xiàn)對后輪的閉環(huán)控制。
2自動對行控制原理
采棉機在自動對行作業(yè)時，自動對行控制器實時采集和計算航向偏差角、行走速度和后輪轉(zhuǎn)向角，根據(jù)航向偏差角判斷對行的偏離程度，采用自動對行控制方法，輸出0～10V電壓信號到液壓控制器，進而由液壓控制器控制轉(zhuǎn)向液壓桿驅(qū)動后輪轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)自動對行。
采棉機在自動對行作業(yè)期間方向盤不會隨采棉機轉(zhuǎn)向而自動轉(zhuǎn)動，但方向盤仍然具有控制功能，可人為干預(yù)控制，手動控制優(yōu)先級最高。收獲作業(yè)時，設(shè)備上電后可根據(jù)不同采棉機的個體差異選擇一鍵校準傳感器“中位”值;啟動自動對行，自動對行控制器會實時監(jiān)測航向是否偏離棉花隊列，若偏離則控制采棉機向棉花隊列靠攏。同時，實時監(jiān)測是否關(guān)閉自動對行功能。
3自動對行控制器設(shè)計
3.1硬件設(shè)計
自動對行控制器采用的主控芯片STMF107VCT6，運行穩(wěn)定，滿足本文使用功能。CAN通信芯片使用CTM1051AM，內(nèi)置保護電路，相較VP230抗干擾能力更強;DA芯片使用MCP4728，有4個12位DA轉(zhuǎn)換通道，通過I2C與主控芯片通信，控制板供電由車上電源供電(24V)。自動對行程序功能模塊主要由一鍵校準程序模塊、自動對行實時控制程序模塊、在線修改PID參數(shù)程序模塊3部分組成，其中，一鍵校準解決個體差異問題。當(dāng)采棉機航向偏差檢測裝置和后輪處于中位時，一鍵校準;在線修改PID參數(shù)由車載智能顯示器來完成，通過CAN通信實時更新到控制板中，實時調(diào)優(yōu)控制。
4采棉機自動對行試驗
實地試驗采用4MZ-6A型六行采棉機，安裝航向偏差檢測機械結(jié)構(gòu)(內(nèi)含角度傳感器)、速度傳感器、后輪轉(zhuǎn)向拉線傳感器及自動對行控制器。試驗在新疆某處待收獲的棉花田進行，棉花隊列是雙行緊湊形式。因種植過程不是完全標(biāo)準尺寸，縱向行距與橫向行距均為10cm左右，采棉機采頭機組采用機械仿形，試驗過程中采頭機組離地高度較為穩(wěn)定。
首先，駕駛員以2～5km/h的動態(tài)速度手動控制采棉機收獲。此時，自動對行控制器以5Hz/s的頻率采集采棉機各個傳感器的動態(tài)值并打印到文件中。手動駕駛時，采棉機能夠正常收獲棉花，對行效果較為理想。通過計算轉(zhuǎn)換，采棉機在手動控制時航向偏差在±3°以內(nèi)。
接著，駕駛員在采棉機正常作業(yè)期間啟動自動對行功能，此時采棉機依然能夠正常作業(yè)，對采集的數(shù)據(jù)計算得出其航向偏差變化基本都在±2.5°以內(nèi)，滿足作業(yè)要求。對比手動駕駛，自動對行模式下航向偏差略優(yōu)于手動模式，行駛穩(wěn)定，可以連續(xù)長時間自動對行作業(yè)。
5結(jié)論
1)提出了一種新的采棉機自動對行控制方式及機械結(jié)構(gòu)，通過自動對行控制器采集采棉機航向、后輪角度狀態(tài)，經(jīng)速度參數(shù)適應(yīng)的PID算法處理控制采棉機轉(zhuǎn)向，進而影響航向，形成閉環(huán)自動控制。同時，應(yīng)用于某六行采棉機中，在新疆實地測試驗證了該方案的可行性。
2)實地測試中，采棉機以2～5km/h作業(yè)，利用適應(yīng)速度的PID控制，增加了其對速度的適應(yīng)能力。對比人工駕駛采棉機對行，自動對行控制系統(tǒng)控制采棉機航向偏差小和效果更好，滿足采棉作業(yè)要求
3)采棉機自動對行控制技術(shù)是手動駕駛的一種有效輔助，僅適用于手動對準連續(xù)的棉株隊列后切換為自動對行，棉株不連續(xù)時容易走偏后無法自動回正，且尚不具有自動掉頭和路徑規(guī)劃等功能。因此，后續(xù)擬結(jié)合高精度RTK定位技術(shù)和視覺對行技術(shù)，逐步實現(xiàn)采棉機無人駕駛。
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作者：苗中華，田大慶，何創(chuàng)新，李楠
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