摘要:為提高采棉機(jī)采收效率，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，開發(fā)采棉機(jī)自動(dòng)對行系統(tǒng)具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。為此，采用機(jī)械機(jī)構(gòu)碰撞棉花植株隊(duì)列的方法，研究其碰撞規(guī)律、機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及采棉機(jī)轉(zhuǎn)彎控制方式等內(nèi)容，開發(fā)出能夠?qū)Σ擅迿C(jī)速度自適應(yīng)的自動(dòng)對行技術(shù)。工作時(shí)，通過實(shí)時(shí)采集車體航向和棉花隊(duì)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(jī)上的液壓控制器，進(jìn)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(shí)控制后輪回正，實(shí)現(xiàn)采棉機(jī)自動(dòng)對行的功能。田間試驗(yàn)結(jié)果表明:采棉機(jī)可以長時(shí)間自動(dòng)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(jī);輔助駕駛;自動(dòng)對行;速度參數(shù)自適應(yīng)PID
0引言
采棉機(jī)屬于大型農(nóng)業(yè)機(jī)械，機(jī)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(jī)采收效率，降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，開發(fā)采棉機(jī)自動(dòng)對行系統(tǒng)具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。近年來，自動(dòng)導(dǎo)航、自主駕駛技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)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(shí)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(jī)采收作業(yè)時(shí)，不只是需要實(shí)現(xiàn)AB線的行駛，還需要使采頭機(jī)構(gòu)始終對準(zhǔn)棉壟。
目前，國外部分機(jī)型上應(yīng)用了自動(dòng)對行技術(shù)，如美國約翰迪爾的采棉機(jī);國產(chǎn)機(jī)型主要依賴人工對行駕駛，自動(dòng)對行研究尚為空白。類似的需要對行作業(yè)的機(jī)械有玉米收獲機(jī)、水稻除草機(jī)等，有相關(guān)的自動(dòng)對行技術(shù)研究，主要采用機(jī)器視覺[5-7]或機(jī)械碰撞[8-10]兩種方式。筆者根據(jù)采棉作業(yè)的實(shí)際情況，研究了一種基于機(jī)械碰撞靴航向偏差角檢測和后輪轉(zhuǎn)角控制的采棉機(jī)自動(dòng)對行控制系統(tǒng)。
1采棉機(jī)自動(dòng)對行機(jī)械設(shè)計(jì)
1.1航向偏差檢測裝置設(shè)計(jì)
航向偏差檢測裝置用于檢測采棉機(jī)行駛方向相對于棉壟方向的偏差，由3根連桿、兩個(gè)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(jī)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(gè)獨(dú)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(jī)在作業(yè)時(shí)由于存在實(shí)時(shí)對行偏差，棉花植株會(huì)在不同的位置碰撞到左側(cè)或右側(cè)的碰撞靴，帶動(dòng)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(dòng) 對行控制器。
當(dāng)棉花植株碰到左側(cè)碰撞靴時(shí)，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(shí)，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(shí)，表示航向與棉株方向?qū)R，輸出偏差角度為0°。通過計(jì)算和標(biāo)定，可以得到碰撞靴橫向運(yùn)動(dòng)和傳感器輸出模擬量之間的一一對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)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(jìn)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(jī)作業(yè)期間，通過控制后輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，自動(dòng)對行控制器控制液壓控制器進(jìn)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(shí)時(shí)測量液壓桿長度。通過計(jì)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(shí)時(shí)得到采棉機(jī)后輪狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對后輪的閉環(huán)控制。
2自動(dòng)對行控制原理
采棉機(jī)在自動(dòng)對行作業(yè)時(shí)，自動(dòng)對行控制器實(shí)時(shí)采集和計(jì)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(dòng)對行控制方法，輸出0～10V電壓信號(hào)到液壓控制器，進(jìn)而由液壓控制器控制轉(zhuǎn)向液壓桿驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對行。
采棉機(jī)在自動(dòng)對行作業(yè)期間方向盤不會(huì)隨采棉機(jī)轉(zhuǎn)向而自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但方向盤仍然具有控制功能，可人為干預(yù)控制，手動(dòng)控制優(yōu)先級(jí)最高。收獲作業(yè)時(shí)，設(shè)備上電后可根據(jù)不同采棉機(jī)的個(gè)體差異選擇一鍵校準(zhǔn)傳感器“中位”值;啟動(dòng)自動(dòng)對行，自動(dòng)對行控制器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測航向是否偏離棉花隊(duì)列，若偏離則控制采棉機(jī)向棉花隊(duì)列靠攏。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測是否關(guān)閉自動(dòng)對行功能。
3自動(dòng)對行控制器設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)
自動(dòng)對行控制器采用的主控芯片STMF107VCT6，運(yùn)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(hù)電路，相較VP230抗干擾能力更強(qiáng);DA芯片使用MCP4728，有4個(gè)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(dòng)對行程序功能模塊主要由一鍵校準(zhǔn)程序模塊、自動(dòng)對行實(shí)時(shí)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(zhǔn)解決個(gè)體差異問題。當(dāng)采棉機(jī)航向偏差檢測裝置和后輪處于中位時(shí)，一鍵校準(zhǔn);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(shí)時(shí)更新到控制板中，實(shí)時(shí)調(diào)優(yōu)控制。
4采棉機(jī)自動(dòng)對行試驗(yàn)
實(shí)地試驗(yàn)采用4MZ-6A型六行采棉機(jī)，安裝航向偏差檢測機(jī)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(dòng)對行控制器。試驗(yàn)在新疆某處待收獲的棉花田進(jìn)行，棉花隊(duì)列是雙行緊湊形式。因種植過程不是完全標(biāo)準(zhǔn)尺寸，縱向行距與橫向行距均為10cm左右，采棉機(jī)采頭機(jī)組采用機(jī)械仿形，試驗(yàn)過程中采頭機(jī)組離地高度較為穩(wěn)定。
首先，駕駛員以2～5km/h的動(dòng)態(tài)速度手動(dòng)控制采棉機(jī)收獲。此時(shí)，自動(dòng)對行控制器以5Hz/s的頻率采集采棉機(jī)各個(gè)傳感器的動(dòng)態(tài)值并打印到文件中。手動(dòng)駕駛時(shí)，采棉機(jī)能夠正常收獲棉花，對行效果較為理想。通過計(jì)算轉(zhuǎn)換，采棉機(jī)在手動(dòng)控制時(shí)航向偏差在±3°以內(nèi)。
接著，駕駛員在采棉機(jī)正常作業(yè)期間啟動(dòng)自動(dòng)對行功能，此時(shí)采棉機(jī)依然能夠正常作業(yè)，對采集的數(shù)據(jù)計(jì)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(dòng)駕駛，自動(dòng)對行模式下航向偏差略優(yōu)于手動(dòng)模式，行駛穩(wěn)定，可以連續(xù)長時(shí)間自動(dòng)對行作業(yè)。
5結(jié)論
1)提出了一種新的采棉機(jī)自動(dòng)對行控制方式及機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過自動(dòng)對行控制器采集采棉機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)向，進(jìn)而影響航向，形成閉環(huán)自動(dòng)控制。同時(shí)，應(yīng)用于某六行采棉機(jī)中，在新疆實(shí)地測試驗(yàn)證了該方案的可行性。
2)實(shí)地測試中，采棉機(jī)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(jī)對行，自動(dòng)對行控制系統(tǒng)控制采棉機(jī)航向偏差小和效果更好，滿足采棉作業(yè)要求
3)采棉機(jī)自動(dòng)對行控制技術(shù)是手動(dòng)駕駛的一種有效輔助，僅適用于手動(dòng)對準(zhǔn)連續(xù)的棉株隊(duì)列后切換為自動(dòng)對行，棉株不連續(xù)時(shí)容易走偏后無法自動(dòng)回正，且尚不具有自動(dòng)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(shí)現(xiàn)采棉機(jī)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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