摘要：為實(shí)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航控制，提高農(nóng)用拖拉機(jī)智能化、自動(dòng)化水平，以福田雷沃M1000-D拖拉機(jī)為平臺(tái)，研究農(nóng)機(jī)路徑導(dǎo)航的自適應(yīng)模糊控制策略，開(kāi)發(fā)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、北斗定位模塊、角度信息采集模塊以及轉(zhuǎn)向控制模塊等關(guān)鍵CAN節(jié)點(diǎn)的軟硬件技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，運(yùn)用模糊控制算法策略，設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤預(yù)設(shè)路徑。

關(guān)鍵詞：模糊控制；CAN網(wǎng)絡(luò)；自動(dòng)導(dǎo)航；控制

中圖分類號(hào)： TP273+.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）17-0241-05

收稿日期：2017-02-27

基金項(xiàng)目：2016年度廣西壯族自治區(qū)中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（編號(hào)：KY2016YB628）。

作者簡(jiǎn)介：張葉茂（1983—）男，廣西南寧人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、嵌入式?yīng)用。E-mail：zhangyemaocg@126.com。近年來(lái)，“精細(xì)化農(nóng)業(yè)”的概念隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展被廣泛認(rèn)可和推廣。農(nóng)用拖拉機(jī)被廣泛應(yīng)用在牽引和掛載農(nóng)具實(shí)現(xiàn)耕地、播種、收割、施肥等日常的農(nóng)田工作。農(nóng)機(jī)的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)精細(xì)化農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。將自動(dòng)導(dǎo)航駕駛技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)機(jī)設(shè)備上，一方面可以讓生產(chǎn)工人從單一、重復(fù)而繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，另一方面可以有效降低生產(chǎn)過(guò)程中人為造成的重復(fù)作業(yè)及漏作業(yè)等現(xiàn)象，提高農(nóng)業(yè)施工精度。拖拉機(jī)系統(tǒng)本身是一個(gè)非線性的時(shí)變復(fù)雜系統(tǒng)，農(nóng)田地況復(fù)雜，加之輪胎與地面相互作用的高度非線性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，本研究采用自適應(yīng)模糊控制算法決策出前輪期望轉(zhuǎn)角，以北斗導(dǎo)航及各種CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊為研究對(duì)象，構(gòu)建拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)可以分為多個(gè)功能單元節(jié)點(diǎn)，主要包括車載終端節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)等。采用CAN總線將各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)形成分布式控制系統(tǒng)，ISO11783協(xié)議作為各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信及接口設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，定位節(jié)點(diǎn)首先通過(guò)北斗導(dǎo)航接收模塊和電子羅盤獲得機(jī)車當(dāng)前位置、姿態(tài)方位信息，并將這些信息通過(guò)CAN總線傳輸給車載終端節(jié)點(diǎn)，車載終端節(jié)點(diǎn)將車輛當(dāng)前位置、姿態(tài)和預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行比對(duì)，運(yùn)用自適應(yīng)模糊控制策略決策出前輪期望轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)的角度傳感器模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集前輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角，以前輪實(shí)際轉(zhuǎn)向角和期望轉(zhuǎn)角為輸入量，運(yùn)用模糊PID算法決策出合適的輸出量，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作跟蹤期望轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)路徑導(dǎo)航控制。車載終端節(jié)點(diǎn)除了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航路徑期望轉(zhuǎn)角決策外，還實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，操作員可以通過(guò)工控觸摸屏進(jìn)行信息顯示、預(yù)設(shè)路

徑及其他功能設(shè)置等。

2農(nóng)機(jī)路徑導(dǎo)航的自適應(yīng)模糊控制策略

農(nóng)用拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向控制精度是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的關(guān)鍵因素之一。農(nóng)業(yè)場(chǎng)地路況復(fù)雜，拖拉機(jī)輪胎與地面之間接觸關(guān)系非線性，加之拖拉機(jī)本身的時(shí)變性和不確定性等因素的原因，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。自適應(yīng)模糊控制策略具有不依賴精確數(shù)學(xué)模型，能夠在控制過(guò)程中不同階段進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，有較好的魯棒性的優(yōu)點(diǎn)。

本研究的研究平臺(tái)為福田雷沃M1000-D拖拉機(jī)。假定拖拉機(jī)按照預(yù)設(shè)基準(zhǔn)線AB進(jìn)行導(dǎo)航跟蹤。由北斗接收器接收A、B點(diǎn)的經(jīng)緯度便可以計(jì)算出基準(zhǔn)線AB與中原地區(qū)中央子午線正北方的夾角θ1，由車載三維電子羅盤可以計(jì)算出當(dāng)前拖拉機(jī)行走方向與中原地區(qū)中央子午線正北方的夾角θ2，則實(shí)際航向角偏差e=θ1-θ2。通過(guò)接收拖拉機(jī)當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，可以計(jì)算出當(dāng)前機(jī)車位置與基準(zhǔn)線AB的實(shí)際橫向偏差d。將e和d分別量化后得到航向角偏差量化值E和橫向偏差量化值D，作為二維模糊控制器的輸入，以拖拉機(jī)前輪的期望輸出轉(zhuǎn)角為輸出，并用U和u分別表示輸出值的模糊量和精確量。設(shè)計(jì)的路徑導(dǎo)航自適應(yīng)模糊控制器原理圖如圖2所示[2]。其中Ke為航向角偏差的量化因子，Kd為橫向偏差量化因子，Ku為期望輸出轉(zhuǎn)角的量化因子。α和β均為調(diào)節(jié)加權(quán)因子，其定義域?yàn)閇0，1]。

為簡(jiǎn)化運(yùn)算，模糊控制器輸入輸出量的隸屬函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)。設(shè)定航向角偏差量化值E和橫向偏差量化值D以及期望輸出角度模糊量U劃分為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}7個(gè)模糊子集，并分別用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}表示[3]。設(shè)定橫向偏差d的基本論域?yàn)閇-30 cm，30 cm]，量化因子Kd為0.5，量化等級(jí)為[-15，-14，-13，-12，-11，-10，-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15]。航向角度偏差e的基本論域?yàn)閇-20°，20°]，量化因子Ke為0.75，量化等級(jí)與橫向偏差的量化等級(jí)相同。期望輸出轉(zhuǎn)角u基本論域?yàn)閇-15°，15°]，量化因子Ku為1，則量化等級(jí)與橫向偏差的量化等級(jí)相同。當(dāng)前車輛位于基準(zhǔn)線AB左側(cè)時(shí)，橫向偏差量化等級(jí)取負(fù)號(hào)，否則取正號(hào)；當(dāng)航向角度偏差<0時(shí)，航向角度偏差量化等級(jí)取負(fù)號(hào)，否則取正號(hào)；當(dāng)前輪期望輸出角度需逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，期望輸出轉(zhuǎn)角量化等級(jí)取負(fù)號(hào)，否則取正號(hào)。對(duì)于二維模糊控制器，當(dāng)輸入變量和輸出變量的論域劃分相等時(shí)，模糊規(guī)則查詢可以按照以下解析式（1）運(yùn)算查詢。

U=-<αD+（1-α）E>。（1）

從解析式（1）及圖2可知，通過(guò)調(diào)節(jié)α的值，可以調(diào)節(jié)橫向偏差和航向角偏差的權(quán)重。當(dāng)橫向偏差較大時(shí)，通過(guò)增大α的值可以提高橫向偏差的加權(quán)，盡快消除橫向偏差，同時(shí)增大β的值，使系統(tǒng)有較大的控制輸出，快速減少和期望路徑的距離。當(dāng)橫向偏差較小時(shí)，減少α的值，即可提高航向角度偏差調(diào)節(jié)的權(quán)值，快速調(diào)整機(jī)車姿態(tài)角，同時(shí)減少β的值，采用微小控制輸出，使系統(tǒng)盡快平穩(wěn)?？刹捎昧Ｗ尤核惴ê瓦z傳算法對(duì)模糊控制的修正因子和輸出比例因子進(jìn)行在線整點(diǎn)，以達(dá)到自適應(yīng)控制的目的。采用解析式的模糊控制器可以更加進(jìn)一步細(xì)化變量論域，提高計(jì)算效率，避免常規(guī)模糊控制的繁瑣查表法，提高系統(tǒng)的精度。endprint

3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括車載終端節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。各節(jié)點(diǎn)處理器均采用32位高性能處理器STM32F103ZET6，CAN收發(fā)電路均采用TJA1050T芯片設(shè)計(jì)。車載終端節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航期望角決策和人機(jī)交互功能，采用廣州大彩電子有限公司10.4″工控串口觸摸屏進(jìn)行路徑預(yù)設(shè)和功能設(shè)置。定位節(jié)點(diǎn)主要采集拖拉機(jī)當(dāng)前位置和姿態(tài)角，硬件包括北斗接收模塊電路和電子羅盤，本研究采用的HEC365是慧聯(lián)科技的一款高精度全姿態(tài)三維電子羅盤，在360°傾角范圍都能提供高精度的航向信息，精度達(dá)到 ±0.3°。轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)前輪轉(zhuǎn)向，硬件包括前輪轉(zhuǎn)向角度測(cè)試電路和轉(zhuǎn)向控制模塊。

3.1CAN收發(fā)電路

CAN總線作為一種支持實(shí)時(shí)分布式控制的串行總線，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、農(nóng)業(yè)機(jī)械等方面。ISO11783是ISO為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)通信及接口設(shè)計(jì)所定義的在CAN2.0B上實(shí)現(xiàn)的高層協(xié)議[4]。本研究應(yīng)用基于ISO11783標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線構(gòu)建農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線通信硬件原理如圖3所示。本設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)處理器STM32F103ZET6內(nèi)置CAN總線協(xié)議控制器，外接PHILIP公司的TJA1050T CAN總線驅(qū)動(dòng)芯片和適當(dāng)?shù)目垢蓴_電路就很容易建立一個(gè)CAN總線智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)?？刂破鞯腃AN信號(hào)接收引腳RX和發(fā)送引腳TX采用高速光耦6N137進(jìn)行電氣隔離后連接到TJA1050T的RXD和TXD端[5]。光耦部分的VA和VB必須通過(guò)DC-DC模塊或者是帶有多個(gè)隔離輸出的開(kāi)關(guān)電源模塊進(jìn)行隔離。為防止過(guò)流沖擊，TJA1050T的CANH和CANL引腳各通過(guò)一個(gè)5 Ω的電阻連接到總線上，并在CANH和CANL腳與地之間并聯(lián)2個(gè)30 P的電容用于濾除總線上高頻干擾。而防雷擊管D1和D2可以起到發(fā)生瞬變干擾時(shí)的保護(hù)作用。TJA1050T的第8腳連接到STM32F103ZET6的一個(gè)端口用于模式選擇，TJA1050T有2種工作模式用于選擇，分別為高速模式和靜音模式。TJA1050T正常工作在高速模式，而在靜音模式下，TJA1050T的發(fā)送器被禁能，執(zhí)行只聽(tīng)功能，可用于防止由于CAN控制器失控而造成的網(wǎng)絡(luò)阻塞[6]。

3.2北斗定位模塊設(shè)計(jì)

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)自從2012年正式向亞太區(qū)域提供服務(wù)以來(lái)，作為戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，形成了覆蓋基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用端口、系統(tǒng)應(yīng)用以及運(yùn)營(yíng)服務(wù)等比較完善的產(chǎn)業(yè)鏈。國(guó)產(chǎn)的北斗核心芯片、模塊等關(guān)鍵技術(shù)取得迅速發(fā)展，其性能已經(jīng)和國(guó)際同類產(chǎn)品性能相當(dāng)，到2020年，我國(guó)將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[7]。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可以對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行定位，同時(shí)在不需要其他通信模塊的情況下可實(shí)現(xiàn)雙向通信功能，每次支持最大36個(gè)漢字指令，控制室的操作人員可以通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)直接對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制， 極大

地方便無(wú)人駕駛拖拉機(jī)的遠(yuǎn)程控制。本研究采用SkyTraq公司推出的S1216F8-BD北斗/GPS雙模接收器，該接收器具備167追蹤頻道，跟蹤靈敏度為-165 dbm，冷啟動(dòng)定位時(shí)間為29 s，熱啟動(dòng)定位時(shí)間為1 s，具有2.5 m圓概率誤差精度等優(yōu)良特點(diǎn)。圖4為北斗接收器芯片與處理器連接電路原理圖。S1216F8-BD支持多種通信波特率，默認(rèn)波特率為 38 400，也可以通過(guò)串口設(shè)置，并保存在模塊內(nèi)部FLASH中。S1216F8-BD模塊采用3.3 V供電，其PPS引腳為時(shí)鐘脈沖輸出引腳，端口輸出特性可以通過(guò)程序設(shè)定，當(dāng)電路中 PPS_LED 指示燈常亮?xí)r，表示模塊未定位。當(dāng)PPS_LED指示燈閃爍時(shí)（500 ms亮，500 ms滅），表示定位成功。圖中IPX端口用來(lái)外接有源天線，有源天線放在農(nóng)機(jī)車輛頂端，更好地利于接收北斗信號(hào)。本電路BAT可充電后備電池可以維持半小時(shí)的北斗/GPS星歷數(shù)據(jù)的保存，支持熱啟動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)快速定位。模塊的RXD和TXD引腳接120 Ω電阻，主要用于輸出電平兼容處理。定位模塊的RXD和TXD端分別與STM32F103ZET6串口3的TX1和RX1端口連接。通過(guò)工控觸摸屏，可以獲得北斗/GPS信息，包括精度、緯度、高度、速度、用于定位的衛(wèi)星數(shù)量、可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)、UTC時(shí)間等信息。

3.3角位移信息采集模塊

角位移傳感器在自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制中為反饋元件，實(shí)時(shí)采集方向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角值。在自動(dòng)導(dǎo)航駕駛時(shí)，轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)接收定位節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的期望轉(zhuǎn)角值，并與角位移傳感器測(cè)得的拖拉機(jī)前輪當(dāng)前角度進(jìn)行比對(duì)，得出轉(zhuǎn)角差值，控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。依據(jù)角位移傳感器工作電壓、量程、精度、分辨率、輸出信號(hào)等主要參數(shù)入手，本研究采用北京通磁偉業(yè)傳感技術(shù)有限公司的WYT-AT-3-360無(wú)觸點(diǎn)角度傳感器采集車輛前輪轉(zhuǎn)角值。該傳感器可以將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)化為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出，可全量程無(wú)觸點(diǎn)地測(cè)量轉(zhuǎn)角的角度變化，并具有耐水、耐油、抗震動(dòng)和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，非常適合農(nóng)業(yè)場(chǎng)地的作業(yè)環(huán)境。在安裝時(shí)，應(yīng)保證角度傳感器的軸與前輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸同軸心，并保證工作電源電壓穩(wěn)定在要求范圍內(nèi)。由于WYT-AT-3-360是電流輸出型傳感器，輸出信號(hào)為4～20 mA，采用電流環(huán)接收芯片RCV420將傳感器產(chǎn)生的電流信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)OP07放大電路將電壓按比例轉(zhuǎn)換成0～3.3 V 后送入轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)處理器的AD采集端口。節(jié)點(diǎn)處理器STM32F103ZET6自帶8路10位分辨率的AD，完全滿足系統(tǒng)精度要求。角度信息采集電路設(shè)計(jì)原理如圖5所示。

3.4轉(zhuǎn)向控制模塊

在自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中，經(jīng)過(guò)車載終端節(jié)點(diǎn)計(jì)算出期望轉(zhuǎn)角后，將該值通過(guò)CAN總線傳送給轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)不斷比對(duì)期望值與角度傳感器采集的前輪反饋值，控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向控制主要是通過(guò)油缸推動(dòng)活塞桿來(lái)驅(qū)動(dòng)方向輪。本研究在保留原有液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不變的情況下，并聯(lián)同型號(hào)的全液壓轉(zhuǎn)向器（BZZ1-100轉(zhuǎn)向器）。通過(guò)安裝兩位三通電磁換向閥實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。人工駕駛模式下，電磁閥斷電不動(dòng)作，液壓油由液壓泵流出進(jìn)入方向盤聯(lián)動(dòng)的轉(zhuǎn)向器，實(shí)現(xiàn)人工轉(zhuǎn)向；當(dāng)自動(dòng)導(dǎo)航模式下，電磁閥通電動(dòng)作，液壓油由液壓泵流出進(jìn)入并聯(lián)的全液壓轉(zhuǎn)向器。endprint

全液壓轉(zhuǎn)向器的轉(zhuǎn)動(dòng)由加裝的步進(jìn)電機(jī)聯(lián)動(dòng)，處理器根據(jù)期望轉(zhuǎn)角大小和角度傳感器測(cè)得的實(shí)際轉(zhuǎn)角之間的偏差值，計(jì)算出給定步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖個(gè)數(shù)和頻率來(lái)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，從而控制前輪的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)向。兩位三通電磁換向閥供電參數(shù)為DC24 V，額定功率30 W，最大流量為50 L/min。為保證駕駛模式切換安全快速，設(shè)計(jì)電磁換向閥驅(qū)動(dòng)電路，如圖6所示。其中，光耦6N137為信號(hào)隔離保護(hù)電路，三極管Q1和R2電阻組成光電信號(hào)放大電路，二極管D2是防止繼電器線圈反向感應(yīng)電壓擊穿三極管。本研究采用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為TEC1115三相步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)的步距角為1.2°，靜力矩為12 NM。微處理器通過(guò)給定脈沖數(shù)可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角值，通過(guò)改變脈沖頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1CAN數(shù)據(jù)收發(fā)

農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)采用CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，根據(jù)ISO11783標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)幀報(bào)文最長(zhǎng)為8字節(jié)，當(dāng)傳輸?shù)膱?bào)文數(shù)據(jù)>8字節(jié)時(shí)，需要分2個(gè)數(shù)據(jù)幀格式傳輸。導(dǎo)航數(shù)據(jù)以ASC-Ⅱ碼的形式進(jìn)行傳輸，北斗導(dǎo)航經(jīng)緯度及路徑坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息都以2個(gè)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。CAN總線的通信程序編寫主要包括CAN接收?qǐng)?bào)文和CAN發(fā)送報(bào)文2個(gè)主要部分。CAN通信協(xié)議通過(guò)STM32F103ZET6相關(guān)報(bào)文寄存器與CAN控制器進(jìn)行報(bào)文交互。CAN通信程序首先要對(duì)CAN控制器及接收與發(fā)送緩沖器進(jìn)行初始化，主要涉及通信波特率、驗(yàn)收波特率等參數(shù)的設(shè)置。節(jié)點(diǎn)從CAN總線接收?qǐng)?bào)文時(shí)，只有接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位和驗(yàn)收濾波器相同時(shí)，才進(jìn)行FIFO緩沖區(qū)空間判斷，當(dāng)緩沖區(qū)未滿時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，接收完畢后釋放緩沖區(qū)。節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，先讀取狀態(tài)寄存器SR，當(dāng)標(biāo)志位為非忙時(shí)，再判斷緩沖區(qū)是否為空，為空時(shí)，將要發(fā)送數(shù)據(jù)的報(bào)文類型、報(bào)文長(zhǎng)度、報(bào)文ID號(hào)以及報(bào)文數(shù)據(jù)依次寫入緩沖區(qū)，再開(kāi)啟發(fā)送。CAN總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)處理流程如圖7所示。

4.2北斗信息解析

北斗衛(wèi)星模塊接收信號(hào)后，導(dǎo)航芯片將所接收到信號(hào)處理成字段頭為$BD的NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式后，通過(guò)串口發(fā)送給定位CAN節(jié)點(diǎn)處理器STM32F103ZET6。處理器接收到串口數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)分割成以導(dǎo)航語(yǔ)句為基本單元的多個(gè)片段，然后，在相應(yīng)的數(shù)據(jù)域的對(duì)應(yīng)字段中提取導(dǎo)航的定位參數(shù)，并對(duì)一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解析。圖8為北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)解析軟件流程圖[8]。

4.3角度信息采集

角位移傳感器以電流信號(hào)形式輸出，經(jīng)過(guò)電流-電壓電路轉(zhuǎn)換后，送入轉(zhuǎn)向控制CAN節(jié)點(diǎn)處理器的AD輸入口。STM32F103ZET6具有8路10位分辨率的ADC采集接口，采樣電壓測(cè)試范圍為0～3.3 V。A/D轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式如式（2）所示：

D1 024=VIN-VAGNDVREF-VAGND。（2）

式中：VIN為輸入通道的電壓，VAGND為A/D轉(zhuǎn)換的模擬地，VREF為A/D轉(zhuǎn)換的模擬參考電壓3.3 V，D為轉(zhuǎn)換的結(jié)果。ADC角度信息采集程序流程圖如圖9所示。為提高數(shù)據(jù)的采樣精度和平滑性，轉(zhuǎn)換結(jié)果采用中值濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖中i表示連續(xù)采樣數(shù)據(jù)的次數(shù)，最后取中間值為此時(shí)刻的輸出。本研究設(shè)定拖拉機(jī)前輪打正時(shí)，角度傳感器的輸出角度為零度，右轉(zhuǎn)為正方向，左轉(zhuǎn)為負(fù)。準(zhǔn)確的零度位置和精確的角度反饋是自動(dòng)轉(zhuǎn)向精度的保障，所以需要先對(duì)角度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。傳統(tǒng)的人工標(biāo)定受傳感器安裝的誤差影響使得零度位置不夠精確。本研究介紹一種角度傳感器自動(dòng)標(biāo)定方法：利用北斗衛(wèi)星確定拖拉機(jī)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的作業(yè)直線，每隔0.5 m自動(dòng)存儲(chǔ)拖拉機(jī)當(dāng)前位置坐標(biāo)及角度傳感器的值，篩選出處于直線上的值，并剔除位置坐標(biāo)誤差超過(guò)±5%所對(duì)應(yīng)的角度傳感器的值。對(duì)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波處理，最后得到的值為拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航過(guò)程中的角度中位標(biāo)定參考位置。

5結(jié)論

運(yùn)用CAN總線作為通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)集車載終端節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)向控制節(jié)點(diǎn)于一體的農(nóng)用拖拉機(jī)分布式自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)。采用模糊自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)對(duì)期望轉(zhuǎn)角值的實(shí)時(shí)穩(wěn)態(tài)跟蹤。經(jīng)過(guò)農(nóng)田試驗(yàn)測(cè)試表明：系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)接收控制指令、采集并處理各傳感器模塊數(shù)據(jù)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)用拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可快速、準(zhǔn)確跟蹤預(yù)設(shè)路徑。

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