徐琪蒙，李洪文,2※，何 進，王慶杰，盧彩云,2，王春雷

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，國家保護性耕作研究院，北京 100083；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測實驗站，涿州 072750）

0 引 言

播種作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，其作業(yè)效果對農(nóng)作物的豐產(chǎn)起著決定性的作用。但現(xiàn)階段機手駕駛拖拉機進行機械化播種，仍然存在人工輔助作業(yè)、經(jīng)驗調(diào)節(jié)誤差、土壤壓實大和油耗重等問題[1]，尚不能完全滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求。此外，中國正面臨著快速發(fā)展的城鎮(zhèn)化和人口老齡化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動力短缺和人工成本大幅度增長等問題日益突出[2]。隨著新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)的深度融合，使用無人駕駛車輛、小型無人機進行自動化作業(yè)，可提高作業(yè)效率、保證作業(yè)精度，解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)受農(nóng)時、機手經(jīng)驗、人工疲勞等問題的影響，以“機器換人”促進了無人農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，自動控制理論與農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)已成為國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注的熱門研究領(lǐng)域[3-6]，針對大田農(nóng)業(yè)播種的無人化需求，發(fā)展自動導(dǎo)引車等智能裝備，對于提高播種質(zhì)量、節(jié)省勞動力及增加作業(yè)安全性等方面均具有重要意義。日本農(nóng)研機構(gòu)聯(lián)合北海道大學(xué)[7]采用地磁方位傳感器（Geomagnetic Direction Sensor，GDS）和圖像傳感器設(shè)計了一種無人駕駛耕種機器人 Robotra，作業(yè)效率是人工駕駛操作的 1.8倍，并根據(jù)搭載不同的農(nóng)具（翻耕機、播種機和水田攪漿機）開發(fā)了相應(yīng)的上位機操作軟件，通過遠程操作和監(jiān)督順利完成小麥播種作業(yè)。美國Raven公司[8]推出了一款自走式農(nóng)用動力平臺Omnipower，可靈活搭載播種機、噴藥機和施肥機等農(nóng)具，通過用戶手持平板電腦遠程控制平臺執(zhí)行自主任務(wù)，并具備路徑規(guī)劃和自主避障能力，保證了作業(yè)精度和安全性。Lin等[9-10]設(shè)計了一種四驅(qū)全轉(zhuǎn)向的小麥精密播種機器人，基于Backstepping設(shè)計方法和滑模控制思想優(yōu)化了軌跡跟蹤控制器，提高了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在不同播種速度下，播種合格率大于93%，滿足小麥精密播種的農(nóng)藝要求。國外現(xiàn)有農(nóng)業(yè)自動化車輛的研究雖然已經(jīng)很成熟，但是機型龐大且價格昂貴[11]，尚不能完全適應(yīng)中國小農(nóng)經(jīng)濟的分散經(jīng)營模式；而國內(nèi)相關(guān)研究仍處于起步階段，研究對象多以末端執(zhí)行器和機械臂為主，成果多面向設(shè)施農(nóng)業(yè)場景。鑒于此，本研究針對大田農(nóng)業(yè)環(huán)境，設(shè)計了一種自走式農(nóng)用播種移動平臺，通過中央控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)4個伺服電機和4個電動推桿完成平臺行走和全輪轉(zhuǎn)向；基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GNSS）定位測速技術(shù)和播深控制技術(shù)，設(shè)計了電控排種系統(tǒng)和播深控制系統(tǒng)。

1 整體結(jié)構(gòu)及工作原理

小麥播種移動平臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由平臺梁架、小麥播種機構(gòu)、開溝鎮(zhèn)壓機構(gòu)、升降（懸掛）機構(gòu)、行走機構(gòu)和控制系統(tǒng)等部分組成。整機外形參數(shù)1 500 mm×1 000 mm×900 mm，配套功率1.6 kW，電控系統(tǒng)工作電壓24 V，電源動力由兩塊12 V-100 A.H鉛蓄電池串聯(lián)提供，關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。平臺梁架通過升降機構(gòu)對小麥播種機構(gòu)進行懸掛，升降滑塊的垂直位移變化可帶動固定其上的小麥播種機構(gòu)實現(xiàn) 3～5 cm的開溝深度調(diào)整，當(dāng)下降至目標(biāo)播深閾值時，將自動觸發(fā)升降機構(gòu)基座上的限位開關(guān)，停止繼續(xù)下深?；?GNSS的電控排種系統(tǒng)，其特點在于以智能轉(zhuǎn)速控制電機取代傳統(tǒng)地輪驅(qū)動排種軸轉(zhuǎn)動，通過導(dǎo)航控制器內(nèi)置的高精度定位模塊實時測算移動平臺的速度，進而線性調(diào)控電機轉(zhuǎn)速，控制排種量一致。電控系統(tǒng)以STM32單片機作為主控制器，CAN分析儀作為中繼系統(tǒng)傳輸控制信號，主控對驅(qū)動器發(fā)出的指令可通過USB-CAN Tool直接進行配置和收發(fā)，當(dāng)前監(jiān)測的通訊數(shù)據(jù)和驅(qū)動反饋信息都將顯示在主控LCD交互顯示屏上。

表1 農(nóng)用移動平臺關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)Table 1 Key technical parameters of agricultural mobile platform

1.1 行走方式

農(nóng)用移動平臺作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，用途需求多樣化，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮路面適應(yīng)性、轉(zhuǎn)向靈活性和制造成本等因素，結(jié)合目前廣泛采用的4種移動機構(gòu)[12-13]，即：1） 輪式：結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，負載能力和轉(zhuǎn)向靈活性較好，但車輪與地面接觸面積小，在土壤堅實度不足的情況下易發(fā)生沉陷和打滑；2）履帶式：具有較小的觸地壓力，在復(fù)雜路面行駛?cè)跃哂辛己玫耐ㄟ^性，但機構(gòu)體積過大制造成本較高；3 ）腿式：具有較好的路面適應(yīng)能力，但協(xié)調(diào)穩(wěn)定性較差，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本過高、負載能力不強；4）混合式：功能全面但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，制造成本高。綜合上述 4種機構(gòu)的特點，選擇輪式作為移動平臺的行走方式，特別設(shè)計了一種全方位輪，車輪可按轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)進行全輪偏轉(zhuǎn)，在田間作業(yè)環(huán)境下具備靈活的轉(zhuǎn)向特性，甚至能完成橫移、原地回轉(zhuǎn)等動作，極大地縮小了轉(zhuǎn)向半徑。

1.2 轉(zhuǎn)向方式

輪式移動平臺的轉(zhuǎn)向方式主要可分為鉸接式轉(zhuǎn)向、差速轉(zhuǎn)向和車輪轉(zhuǎn)向，目前廣泛采用差速轉(zhuǎn)向及車輪轉(zhuǎn)向中的二輪轉(zhuǎn)向控制方法。前者通過控制兩側(cè)驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，操控簡單易實現(xiàn)，但轉(zhuǎn)向半徑較大；后者通過直接控制兩驅(qū)動輪的車輪偏角實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，可自由設(shè)計車身航向，但轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性不強易發(fā)生擺尾現(xiàn)象。針對上述問題，本研究提出了差速-四輪轉(zhuǎn)向耦合的轉(zhuǎn)向控制方法，相比于傳統(tǒng)單一轉(zhuǎn)向方式，該法提高了轉(zhuǎn)向的瞬態(tài)響應(yīng)特性，低速行駛時能減少轉(zhuǎn)向半徑，提高轉(zhuǎn)向靈活性；高速行駛時能快速響應(yīng)航向變化且車身擺動較小，更易控制移動平臺的姿態(tài)。因此，在設(shè)計平臺轉(zhuǎn)向機械機構(gòu)時增加了四套車輪偏轉(zhuǎn)裝置，采用電動推桿作為轉(zhuǎn)向執(zhí)行器使車輪按照推桿行程的變化進行全方位轉(zhuǎn)向。在移動平臺四驅(qū)同步性好且轉(zhuǎn)向空間充足條件下，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)角較大時，可采用差速轉(zhuǎn)向；當(dāng)轉(zhuǎn)角較小時，可采用四輪轉(zhuǎn)向，由控制器直接向電動推桿輸出參考位移，使車輪完成對應(yīng)角度偏轉(zhuǎn)。

1.3 播種方式

小麥精量播種技術(shù)是一項利用農(nóng)機與農(nóng)藝結(jié)合達到有效控制播量、均勻播種的先進栽培技術(shù)，根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求：播前地塊應(yīng)保證良好的墑情，且地表平整，土壤疏松、細碎，在整地后沒有漏耕；要求播種機播量應(yīng)能在45～90 kg/hm2可調(diào)，播種量不大于135 kg/hm2，各行播量均勻性系數(shù)＜ 3%，播種深度合格率≥80%。本研究設(shè)計了基于 GNSS的電控排種系統(tǒng)，其特點在于以智能轉(zhuǎn)速控制電機取代傳統(tǒng)地輪驅(qū)動排種，由衛(wèi)星天線實時獲取移動平臺速度，并通過導(dǎo)航控制器同步調(diào)整轉(zhuǎn)速控制電機的輸出轉(zhuǎn)速，從而精確控制排種量。作業(yè)前，用戶可在導(dǎo)航控制器的人機交互顯示屏上輸入播種量及作業(yè)參數(shù)，經(jīng)控制器線性調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速與平臺速度之間的變化，自動輸出合理轉(zhuǎn)速對排量進行調(diào)節(jié)；作業(yè)結(jié)束后，系統(tǒng)識別平臺速度降為零，立即停止排種，小麥播種機構(gòu)經(jīng)升降結(jié)構(gòu)提至限位開關(guān)識別范圍內(nèi)，判斷開溝器已離開土壤表面，停止提升并結(jié)束作業(yè)。

2 關(guān)鍵機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

2.1.1 驅(qū)動原理

常用的驅(qū)動方式有電動驅(qū)動、氣動驅(qū)動和液壓驅(qū)動[14]，考慮能源清潔性、密封性和搭載方案可行性，本研究選擇電驅(qū)動作為移動平臺的驅(qū)動方式，設(shè)計車輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)如圖2所示。伺服電機啟動后，輸出轉(zhuǎn)速經(jīng)減速器降速的同時增大輸出扭矩，并通過鏈傳動帶動車輪輪轂軸轉(zhuǎn)動，車輪的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)使移動平臺實現(xiàn)前進、后退動作。鏈傳動結(jié)構(gòu)布置與相鄰機械機構(gòu)互不干涉，同時為避免出現(xiàn)鏈傳動多邊形效應(yīng)，設(shè)計傳動比i=1，鏈條張緊程度可根據(jù)電機固定座上、下兩支撐板之間的相對位移進行調(diào)整。

驅(qū)動輪數(shù)量的設(shè)置按照目前廣泛采用的兩輪驅(qū)動、四輪驅(qū)動模式進行選擇，前者成本低、操控性好，但易造成轉(zhuǎn)向不足；后者越野性強、穩(wěn)定性好，但油耗大。綜合對比兩種驅(qū)動模式，四輪驅(qū)動具有以下優(yōu)勢：1)通過性強。農(nóng)田行駛過程中當(dāng)某個驅(qū)動輪出現(xiàn)打滑，其余 3個驅(qū)動輪仍能保證車輛繼續(xù)行駛，避免因驅(qū)動力不足導(dǎo)致打滑后深陷；2)安全性高。前驅(qū)車容易轉(zhuǎn)向不足，后驅(qū)車容易轉(zhuǎn)向過度，而四驅(qū)車能穩(wěn)定地使車輛轉(zhuǎn)向保持中性，提高轉(zhuǎn)向能力，保障轉(zhuǎn)彎行駛的安全性。因此，選擇四輪驅(qū)動作為農(nóng)用移動平臺的驅(qū)動模式。

2.1.2 驅(qū)動功率計算

輪式移動平臺在田間行走時，驅(qū)動電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)傳動系至驅(qū)動輪，地面對輪胎產(chǎn)生一個促使平臺前進的驅(qū)動力Ft，同時輪胎又受到土壤接觸面產(chǎn)生的反向阻力，根據(jù)驅(qū)動輪的行駛原理分析平臺運動機理（如圖3）。當(dāng)移動平臺勻速平穩(wěn)行駛時，作用在平臺上的阻力總和應(yīng)與行駛驅(qū)動力Ft平衡，即滿足式（1）；同時為保證車輪不發(fā)生滑轉(zhuǎn)，地面對移動平臺法向作用力的極限值Z與附著系數(shù)φ的乘積不小于行駛驅(qū)動力Ft，即滿足式 （2）。

移動平臺田間作業(yè)速度不高，迎風(fēng)面積較小，可以忽略空氣阻力的影響。滾動阻力、坡度阻力和加速阻力的計算公式如式（3）。

式中f為滾動阻力系數(shù)；m為平臺質(zhì)量，kg；a為行駛加速度，m/s2。輪式農(nóng)業(yè)機械在旱地工作時滾動阻力系數(shù)可取0.05～0.1，平臺質(zhì)量由表1可得為300 kg，由于平臺實際作業(yè)時勻速穩(wěn)定行駛，因此加速度可忽略不計。根據(jù)《中華人民共和國水土保持法》規(guī)定禁止在 25°以上陡坡地開墾種植農(nóng)作物，因此取α≤25°。對驅(qū)動前輪與地面接觸點處取力矩，計算地面對前輪的法向反作用力Fz1，如式（4），并將結(jié)果與附著系數(shù)φ相乘求得驅(qū)動前輪與地面的附著力，當(dāng)附著力為零時，移動平臺將無法爬坡。此時，根據(jù)式（5）可分析移動平臺的爬坡能力與h和L2的關(guān)系，因此為提升移動平臺的爬坡能力，控制重心高度適當(dāng)下降或增加平臺重心至后輪的距離。

農(nóng)業(yè)播種平臺實際作業(yè)還需考慮土壤反作用于開溝器產(chǎn)生的開溝阻力Fs。小麥播種機構(gòu)采用D=300 mm的雙圓盤開溝器[15]，試驗最大開溝深度H=50 mm，根據(jù)參考文獻[16]可知，平均作業(yè)阻力為13～20 N/cm，由式（6）計算移動平臺播種時所受阻力總和，并根據(jù)式（7）計算整機消耗總功率。

式中∑F為行駛阻力總和，N；Fs為開溝阻力，N；P為整機功率，kW；v為行駛速度，m/s；λ為傳動系機械效率。假設(shè)移動平臺速度v=1 m/s，機械傳動效率為98%。選擇電機型號 DSEM-V242030，主要參數(shù)如表2所示；減速機配備APE80，減速比30；驅(qū)動器選擇ARES8020，配備2 500線增量編碼器。

表2 伺服電機主要參數(shù)Table 2 Main parameters of servo motor

2.2 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

2.2.1 轉(zhuǎn)向原理

農(nóng)用移動平臺車輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)如圖4所示。電動推桿內(nèi)置電機驅(qū)動推桿做水平方向的往復(fù)直線運動，經(jīng)獨立車輪轉(zhuǎn)向架將運動變?yōu)槔@回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)的周向運動。轉(zhuǎn)向架上端通過帶座軸承與回轉(zhuǎn)軸固定，下端與車輪輪轂連接。該種轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，在不平整的農(nóng)田環(huán)境下也具備良好的通過能力和轉(zhuǎn)向能力。全輪精準(zhǔn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能實現(xiàn)較小的轉(zhuǎn)彎半徑，甚至無需轉(zhuǎn)彎半徑，做出原地轉(zhuǎn)向動作。

2.2.2 電動推桿選型

電動推桿選型時應(yīng)依據(jù)推桿速度、推力和有效導(dǎo)程等參數(shù)決定。電動推桿的推力大小主要取決于農(nóng)用移動平臺田間作業(yè)時每個車輪輪胎與土壤接觸的阻力，推桿導(dǎo)程的選擇取決于每個車輪在不發(fā)生機械干涉前提下車輪轉(zhuǎn)向角的閾值。選擇常州路易電動推桿公司BMXL小推桿系列（帶編碼器）作為平臺轉(zhuǎn)向機構(gòu)的執(zhí)行器，由車載電源提供的工作電壓確定推桿電壓為24 V，并根據(jù)車輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)作業(yè)時不發(fā)生機械干涉的最小安裝距離確定電動推桿的導(dǎo)程為250 mm，因此選定電動推桿型號為BMXL250。將導(dǎo)程參數(shù)分別代入式（8）和式（9），可得推桿線速度為12 mm/s，推桿推力為1000 N。該電動推桿采用雙通道AB相增量式磁編碼器，絲桿轉(zhuǎn)一圈為16脈沖。編碼器脈沖信號由單片機采集，通過PWM控制電機的啟停、正反轉(zhuǎn)，從而精確控制推桿伸縮行程數(shù)據(jù)。

式中l(wèi)為導(dǎo)程，mm；na為電機轉(zhuǎn)速，r/min；va為推桿線速度，mm/s；F為電動推桿推力，kN；T為電機扭矩，N·m；Ra為減速比；η為綜合傳動效率。

3 農(nóng)用移動平臺控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

穩(wěn)定準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)是移動平臺完成任務(wù)的重要前提，該農(nóng)業(yè)移動平臺總體控制系統(tǒng)如圖5所示。整體結(jié)構(gòu)主要由檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元及監(jiān)測單元4部分組成。1）檢測單元主要包括角度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和推桿編碼器，負責(zé)獲取、產(chǎn)生、輸出農(nóng)業(yè)移動平臺的狀態(tài)信息，并將檢測信號反饋給控制單元；2）控制單元主要包括單片機控制器、CM40L播深控制器、導(dǎo)航控制器，負責(zé)運算、處理、判斷各種傳感器輸入信息，并向執(zhí)行器發(fā)送控制信號；3）執(zhí)行單元主要包括驅(qū)動電機和電動推桿，負責(zé)輸出電機轉(zhuǎn)速和電動推桿行程信息，實現(xiàn)平臺的行走和轉(zhuǎn)向運動控制；4）監(jiān)測單元主要包括USB-CAN Tool軟件和單片機LCD液晶人機交互顯示屏，負責(zé)監(jiān)測、反饋移動平臺當(dāng)前狀態(tài)至控制單元。

3.2 單片機控制結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)移動平臺采用 STM32F103ZET6單片機作為控制系統(tǒng)的主控制器，以CAN總線技術(shù)向伺服電機驅(qū)動器自動發(fā)送控制指令，實現(xiàn)四輪同步行走和差速轉(zhuǎn)向功能。CAN分析儀作為中繼系統(tǒng)傳輸控制信息，可以利用 USB-CAN Tool工具軟件直接進行CAN總線的配置、發(fā)送和接收，并實時監(jiān)測主控對驅(qū)動器發(fā)送的指令，當(dāng)前通訊數(shù)據(jù)和驅(qū)動反饋信息均可顯示在單片機LCD人機交互觸摸屏上。

單片機作為連接上位機和執(zhí)行機構(gòu)的重要中樞，在本研究中主要功能是控制伺服電機和電動推桿的運動，并在平臺行駛過程中獲取轉(zhuǎn)角信息和速度信息，主要包括4個模塊：1）信息交互模塊：單片機通過RS485通訊串口與上位機實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的交互，并通過CAN總線與其他模塊進行數(shù)據(jù)交換，即通過單片機串口的收斷狀態(tài)實現(xiàn)信息流傳遞；2）數(shù)據(jù)采集模塊?？蓪崟r獲取角度傳感器和速度傳感器的作業(yè)數(shù)據(jù)，具備采集、顯示與反饋等功能；3）運動執(zhí)行模塊。該模塊主要作用于伺服驅(qū)動電機和電動推桿，其一功能是將目標(biāo)速度信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動伺服電機的報文指令，其二功能是將目標(biāo)轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)化為電動推桿的行程量數(shù)據(jù)；4）電機驅(qū)動模塊。該模塊主要針對 4臺驅(qū)動電機的初始化和運動控制[17]，在速度模式設(shè)定下由CAN總線向4臺驅(qū)動器發(fā)送速度指令，使電機按目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

3.3 驅(qū)動控制系統(tǒng)

基于 STM 32單片機技術(shù)設(shè)計了移動平臺行走機構(gòu)的驅(qū)動模塊，采用 PID控制算法協(xié)調(diào)各車輪在行駛和轉(zhuǎn)向時的速度和轉(zhuǎn)角，控制信號由CAN總線發(fā)送給伺服電機控制器和執(zhí)行器。采用CAN總線目的是為了實現(xiàn)平臺控制部件的智能化和控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，并為以后的功能拓展留有足夠余地。

驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)指定路徑按照T型加速策略進行速度控制，運動過程采用PID算法調(diào)節(jié)伺服電機的轉(zhuǎn)速以達到平臺整體穩(wěn)定。搭配完善的上位機驅(qū)動系統(tǒng)軟件 Motion Studio，可對伺服電機進行數(shù)據(jù)監(jiān)測和運動控制，并通過示波器顯示電機運動過程中實時生成的速度、位置、電流等波形曲線，支持?jǐn)?shù)據(jù)、波形文件的存儲和導(dǎo)出。

3.4 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

3.4.1 轉(zhuǎn)向模型

假設(shè)移動平臺車輪運動時與地面接觸為純滾動而無相對滑動，前輪轉(zhuǎn)向時后輪也配合前輪做一定角度的偏轉(zhuǎn)，此時轉(zhuǎn)向更穩(wěn)定，轉(zhuǎn)彎半徑也更小。平臺高速轉(zhuǎn)向時，前后輪同向偏轉(zhuǎn)易發(fā)生側(cè)滑，因此確定前后輪互為反向偏轉(zhuǎn)，且內(nèi)側(cè)車輪轉(zhuǎn)角比外側(cè)車輪轉(zhuǎn)角大。平面內(nèi)二自由度反向四輪轉(zhuǎn)向模型如圖6所示。

該模型滿足阿克曼轉(zhuǎn)向幾何原理，轉(zhuǎn)向時四輪圍繞同一中心點作純滾動圓周運動[18-20]。轉(zhuǎn)向中心位于車身轉(zhuǎn)向一側(cè)，四輪面向轉(zhuǎn)彎中心且軸心線互為相交，通過同一瞬心軸線，投影為O′點。水平投影面內(nèi)，車身繞瞬心O′點轉(zhuǎn)動，同時轉(zhuǎn)彎半徑R隨偏轉(zhuǎn)程度變化，四車輪轉(zhuǎn)向角的表達關(guān)系如式（10）。

當(dāng)αA = αB時，內(nèi)側(cè)的前、后輪偏轉(zhuǎn)角大小相同、方向相反，且運動軌跡相同；當(dāng)αC = αD時，外側(cè)轉(zhuǎn)向輪亦同理。該模式下平臺全方位轉(zhuǎn)向效果最佳。簡化圖6為二輪模型，以前輪為例，研究同一水平軸線上不同側(cè)車輪的偏轉(zhuǎn)角關(guān)系如式（11），其中W為已知參數(shù)，代入得前輪到瞬心的水平距離L1，以及內(nèi)側(cè)車輪到瞬心的距離d，如式（12）所示。

計算平臺前輪線速度與偏轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，如式 （13）所示。同理后輪線速度與同側(cè)前輪的大小相同。

式中VA和VD表示車輪線速度，m/s；ω為平臺轉(zhuǎn)向角速度，rad/s。

當(dāng)移動平臺行至地頭時，行駛速度降低，為保證在非作業(yè)區(qū)完成準(zhǔn)確的鄰接行距、較小的轉(zhuǎn)彎半徑以及靈活的轉(zhuǎn)向操控，可采用前后輪同向偏轉(zhuǎn)的四輪轉(zhuǎn)向方式，即蟹形轉(zhuǎn)向[21]。該轉(zhuǎn)向方式下各輪的偏轉(zhuǎn)角度相同，即αA=αB=αC=αD，靈活操縱平臺實現(xiàn)側(cè)向運動，甚至橫向運動，能有效減小轉(zhuǎn)彎半徑，縮短轉(zhuǎn)向時間。當(dāng)轉(zhuǎn)向半徑較大時，各車輪轉(zhuǎn)角等于轉(zhuǎn)向控制器命令轉(zhuǎn)角，此時由前輪驅(qū)動方式完成小角度的轉(zhuǎn)向任務(wù)[22-24]。

3.4.2 轉(zhuǎn)向策略

轉(zhuǎn)向時，移動平臺采用差速轉(zhuǎn)向和電動推桿轉(zhuǎn)向兩種方式。差速轉(zhuǎn)向時，兩差速輪之間的驅(qū)動器通過CAN總線聯(lián)網(wǎng)通訊，實現(xiàn)聯(lián)動控制功能；控制器軌跡規(guī)劃采用 PVT（Position，Velocity，Time，縮寫為 PVT）軌跡模式實現(xiàn)兩輪插補，該模式控制精度更高，兩輪同步性更好。控制器對于差速輪的控制可采用位置控制和速度控制兩種模式：1）速度模式下，控制器可在每個 PVT點根據(jù)兩輪實際速度進行速度補償，使兩輪速度保持一致，從而對前進方向的偏移進行糾正；2）位置模式下，可直接指定平臺前進坐標(biāo)，控制器會自動進行軌跡規(guī)劃并走到指定坐標(biāo)，另外也可指定拐彎半徑和弧度，實現(xiàn)運動中拐彎。伺服電機驅(qū)動器采用了速度環(huán)前饋的控制模式，能提供較好的動態(tài)性能，加大慣量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，最終將速度誤差穩(wěn)定時間控制在較優(yōu)水平。

電動推桿轉(zhuǎn)向時，通過PWM控制推桿電機的啟停和正反轉(zhuǎn)。單片機采集推桿編碼器（霍爾傳感器）的脈沖信號調(diào)節(jié)推桿電機轉(zhuǎn)角，并通過電動推桿內(nèi)部換向裝置將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為推桿的直線運動，并基于圖4設(shè)計的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，將推桿行程變化量經(jīng)獨立車輪轉(zhuǎn)向架變?yōu)檐囕喥亲兓俊？刂破髀窂揭?guī)劃的角度偏差可在兩種轉(zhuǎn)向方式間切換最優(yōu)方案，并由霍爾傳感器監(jiān)測實際轉(zhuǎn)角進行轉(zhuǎn)向控制。移動平臺路徑跟蹤控制多采用PID控制方法，其具有控制效果好、魯棒性強、算法參數(shù)簡明等優(yōu)點；但是在系統(tǒng)運行過程中會出現(xiàn)非線性的變化，以及超調(diào)量和響應(yīng)時間矛盾的問題[25]，農(nóng)業(yè)移動平臺路徑跟蹤控制為非線性控制，且工作環(huán)境信號擾動較大，鑒于上述問題本文采用模糊控制算法[26-28]，該算法對模型精度要求不高且對誤差不敏感。設(shè)計偏轉(zhuǎn)量決策的模糊控制器原理如圖7所示，輸入量為移動平臺與目標(biāo)路徑之間的橫向偏差Δe和航向偏差Δφ，輸出量為電動推桿電機轉(zhuǎn)角值u，設(shè)定平臺前進方向左側(cè)為負，右側(cè)為正，橫向偏差Δe量化等級為{ -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}，航向偏差Δφ量化等級為{-15, -10, -5, 0, 5, 10, 15}，電機轉(zhuǎn)角u量化等級為{-3, -2, -1, 0, 1, 2, 3}，模糊語言值均為{NB（負大），NM（負中），NS（負?。琙O（零），PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）}，建立模糊控制規(guī)則庫如表3所示。最終求出電機轉(zhuǎn)角的精確解，并將其發(fā)送至單片機控制車輪的偏轉(zhuǎn)運動。

表3 模糊控制器規(guī)則表Table 3 Table for fuzzy control rules

4 GNSS電控排種系統(tǒng)

智能精播系統(tǒng)主要由導(dǎo)航控制器、衛(wèi)星天線、限位開關(guān)和智能轉(zhuǎn)速控制電機等組成。高精度定位模塊內(nèi)置北斗/GPS/GLONASS三系統(tǒng)單頻定位，可根據(jù)衛(wèi)星天線接收的信號實時測算平臺的速度信息。作業(yè)時只需在人機交互顯示屏上輸入目標(biāo)播種量，控制器即可自動計算電機轉(zhuǎn)速，且能根據(jù)不同作業(yè)需求設(shè)定不同轉(zhuǎn)速比例。智能轉(zhuǎn)速控制電機取代了播種機構(gòu)原先地輪驅(qū)動裝置，固定在種箱驅(qū)動裝置位附近的梁架上，并通過鏈傳動驅(qū)動排種。限位開關(guān)固定在升降機構(gòu)的基座上，播種時不會接觸發(fā)開關(guān)；但上升離開地面后能夠準(zhǔn)確觸發(fā)限位開關(guān)，立即停止排種。人機交互顯示屏能動態(tài)顯示當(dāng)前行駛速度和系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)異常時，蜂鳴器會自動開啟報警功能。

4.1 排量精準(zhǔn)控制

播種移動平臺采用外槽輪排種器進行小麥條播，3個排種器間的播種行距設(shè)定為 150 mm，根據(jù) JB/T 9783—1999G給出的外槽輪排種器排種性能指標(biāo)，計算排種器平均排量。手動調(diào)節(jié)排種軸使小麥排種器至最大下種量，模擬實際排種轉(zhuǎn)速0.6 rad/s旋轉(zhuǎn)排種軸分別測定10、20、30次排量，每組測試重復(fù)3次，然后摘取導(dǎo)種管出口端的集種袋，對袋內(nèi)種子質(zhì)量進行稱取，經(jīng)計算確定該外槽輪排種器平均排量為13 g。

由于傳統(tǒng)小麥條播種距不均勻，播行內(nèi)種子重疊擁擠，易出現(xiàn)欺苗現(xiàn)象。因此，本研究采用 GNSS電控排種系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)播種作業(yè)中的實時排量，即使平臺行駛速度發(fā)生改變，排種電機也能自動調(diào)整轉(zhuǎn)速控制小麥排量。系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)計算模式：一種是根據(jù)排種量計算電機轉(zhuǎn)速，另一種是根據(jù)排種間距計算電機轉(zhuǎn)速。每轉(zhuǎn)排種量的設(shè)置需要實際稱量，稱量時將排種器的排種量調(diào)節(jié)至最大，手動旋轉(zhuǎn)排種齒轉(zhuǎn)軸，多次取樣獲得平均排種量；每公頃排種量則根據(jù)用戶需求設(shè)定。作業(yè)時，排種量隨平臺行駛速度變化自動調(diào)節(jié)。電機轉(zhuǎn)速九級可調(diào)，保證單位面積內(nèi)的排種量均勻，減少重播率和漏播率。

4.2 播深精準(zhǔn)控制

采用直線升降導(dǎo)軌代替?zhèn)鹘y(tǒng)吊臂控制小麥播種機構(gòu)的離地高度，圓盤開溝器隨之開出不同深度的種溝。主控制器 CM35D通過調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)角控制滑塊沿著絲杠導(dǎo)軌進行垂直升降運動，同時滑塊與小麥播種機構(gòu)的梁架固定，從而實現(xiàn)小麥播種深度的準(zhǔn)確控制，保證雙圓盤開溝器均勻開出30～50 mm的種溝。

5 試驗與結(jié)果分析

5.1 四輪驅(qū)動控制測試

5.1.1 測試方法

為驗證移動平臺驅(qū)動行駛時的控制效果，需測試車輪實際轉(zhuǎn)速，分析四輪同步驅(qū)動的控制精度。根據(jù)參考文獻[29-32]，多電機同步控制研究，本試驗主要測定四驅(qū)動輪電機在負載擾動下的穩(wěn)定性及電機間實際轉(zhuǎn)速同步性，分析平臺在直線行駛時的控制效果。平臺行駛過程中搭載上位機 PC同步監(jiān)測伺服電機的實際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速誤差，通過RS485串口通訊實現(xiàn)PC與伺服電機編碼器之間的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)電機空載預(yù)實驗結(jié)果參考，設(shè)定測試轉(zhuǎn)速分別為0.6、0.8、1.0 rad/s 3個檔位，行駛方向為平臺開溝器實際播種方向。

5.1.2 測試結(jié)果及分析

總在不同檔速下的測試過程中，四臺驅(qū)動電機啟動平穩(wěn)、行駛流暢，鏈傳動準(zhǔn)確可靠均未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，根據(jù)車輪行駛軌跡測量移動平臺與目標(biāo)路徑之間的橫向偏差最大值為2.2 cm。上位機調(diào)控軟件MotionStutio可隨車監(jiān)測試驗數(shù)據(jù)，并通過示波器功能對實際速度值、目標(biāo)速度值以及速度誤差進行實時記錄。將測試中采集的實際轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)與目標(biāo)轉(zhuǎn)速進行對比，分析跟蹤速度誤差變化及電機同步速度誤差ε12、ε23、ε34、ε41。轉(zhuǎn)速控制過程響應(yīng)曲線如圖8所示。由圖中驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速變化曲線可知，平臺運行啟動時間約為3 s，此時間用于填充發(fā)送緩沖區(qū)，在驅(qū)動控制程序中以延時函數(shù)的形式被設(shè)置在電機使能程序之前，用于校驗通訊命令的返回代碼，若返回命令與通信命令相同，則表示通訊成功，繼而進入電機使能階段。電機獲得速度指令后，實際轉(zhuǎn)速約在2.6 s后趨于目標(biāo)轉(zhuǎn)速并逐漸穩(wěn)定，但由于電機自身轉(zhuǎn)差率的存在，實際轉(zhuǎn)速曲線會圍繞目標(biāo)轉(zhuǎn)速值上下波動，但基本處于穩(wěn)定控制狀態(tài)，表明電機運轉(zhuǎn)后響應(yīng)速度快、靈敏度高，且轉(zhuǎn)速誤差較小基本滿足設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速要求。

多電機協(xié)同控制策略的優(yōu)劣，由同步速度誤差這一評價指標(biāo)來衡量，用以反映電機之間的轉(zhuǎn)速差，誤差值越小，電機的同步性能越好[31]。電機之間的同步速度誤差關(guān)系如式（14）所示，以運行時間為變量，動態(tài)地反映某一時刻相互兩臺電機之間的實際轉(zhuǎn)速差，衡量兩者之間的速度一致性。由圖8可知，任意兩臺電機之間的同步誤差在 0值附近往復(fù)波動，并穩(wěn)步趨于轉(zhuǎn)速同步。測試結(jié)果表明，該驅(qū)動系統(tǒng)可在負載擾動下快速趨于穩(wěn)定，且四臺電機運轉(zhuǎn)時具備較好的速度一致性，同時平臺具有較強的抗干擾能力和較好的同步性。

式中，ε12、ε23、ε34、ε41表示兩臺電機之間的同步速度誤差，r/min；ωi（i=1,2,3,4）表示第i臺電機實際轉(zhuǎn)速，r/min。

5.2 電動推桿轉(zhuǎn)向控制測試

5.2.1 測試方法

移動平臺轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性影響著實際播種作業(yè)的對行效果和轉(zhuǎn)彎半徑，因此需驗證電動推桿轉(zhuǎn)向方式下的控制精度，對轉(zhuǎn)向輪的實際偏轉(zhuǎn)角度進行測驗。通過STM32單片機向電動推桿的編碼器發(fā)送脈沖信號，控制推桿行程量，以此調(diào)節(jié)車輪的轉(zhuǎn)角。基于測速試驗過程，在上位機串口控制軟件內(nèi)分別設(shè)定不同的角度值，通過多次測量實際反饋數(shù)據(jù)并求取轉(zhuǎn)角平均值，分析實際轉(zhuǎn)角的控制精度[33]。

5.2.2 測試結(jié)果與分析

轉(zhuǎn)向輪電動推桿的最大推力為1 000 N，沿順時針、逆時針方向最大行程均為125 mm，在轉(zhuǎn)向控制過程中絲桿以12 mm/s的推速帶動車輪偏轉(zhuǎn)，行程至單側(cè)轉(zhuǎn)角閾值所需最長時間為10.4 s。由表4分析可得，電動推桿控制車輪在實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)向測試過程中，轉(zhuǎn)向控制的最大平均絕對誤差μ=0.77°，最大標(biāo)準(zhǔn)差約為 5°，轉(zhuǎn)角的絕對誤差值基本滿足轉(zhuǎn)向目標(biāo)控制要求。但隨著目標(biāo)轉(zhuǎn)角逐漸增大，從標(biāo)準(zhǔn)差的變化來看，轉(zhuǎn)向控制穩(wěn)定性卻相對減弱。當(dāng)轉(zhuǎn)向角度較小時，標(biāo)準(zhǔn)差σ＜ 0.5°，滿足車輪在小角度轉(zhuǎn)向要求時的控制精度；當(dāng)轉(zhuǎn)向角度設(shè)定較大時，雖然絕對誤差仍不大于1°，但是控制穩(wěn)定性明顯不強。因此，在車輪轉(zhuǎn)向角度較小的情況下，由主控制器發(fā)送的轉(zhuǎn)角指令可直接轉(zhuǎn)化為電動推桿的位移量輸出，使轉(zhuǎn)向車輪以給定目標(biāo)角度隨動。該電動推桿轉(zhuǎn)向控制方式能在差速轉(zhuǎn)向方式的基礎(chǔ)上提高轉(zhuǎn)向控制精度，閉環(huán)控制響應(yīng)穩(wěn)定可靠。

表4 車輪轉(zhuǎn)角控制試驗結(jié)果Table 4 Test results of wheel deflection angle control

5.3 排量穩(wěn)定性與播深穩(wěn)定性試驗

5.3.1 試驗條件及設(shè)備

為檢測 GNSS電控排種系統(tǒng)和播深控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，于河北涿州保護性耕作試驗田開展小麥排種量和播種深度控制試驗。試驗地塊具有較好的土壤堅實度，能可靠地承載該移動平臺在田間順利行駛，保證車輪不會深陷土壤原地打滑，土壤表面混有少量秸稈殘茬，田間試驗情況如圖9所示。小麥試驗品種選用煙農(nóng)19，千粒質(zhì)量約 40 g，麥粒尺寸形態(tài)近似橢圓體，基本符合正態(tài)分布；小麥排量稱量設(shè)備采用 OHAUS公司ARA520型電子天平，稱量范圍0～1 500 g，精度0.01 g；播深測量尺精度0.1 cm。

5.3.2 試驗方法

小麥排種量控制試驗以排量穩(wěn)定性變異系數(shù)作為試驗指標(biāo)。進行排種試驗前，首先在 GNSS電控排種系統(tǒng)的人機交互屏上配置本次作業(yè)參數(shù)，分別設(shè)置每轉(zhuǎn)下種量、每公頃下種量、幅寬和傳動比等，系統(tǒng)根據(jù)下種質(zhì)量自動配置智能轉(zhuǎn)速控制電機的轉(zhuǎn)速。設(shè)定下種量為206.25 kg/hm2，幅寬0.5 m。系統(tǒng)啟動后約30 s接入GNSS衛(wèi)星定位信號，并在人機交互界面顯示當(dāng)前行駛速度。根據(jù)5.1.1設(shè)定的驅(qū)動電機三檔轉(zhuǎn)速，將其對應(yīng)換算為移動平臺的行駛速度0.7、1、1.2 r/min進行排量試驗，行駛距離均為5 m，每組重復(fù)3次。每次排種試驗結(jié)束后，將各行種管所對應(yīng)的集種袋依次取下并進行稱量。

小麥播種深度控制試驗以播種深度合格率和播深穩(wěn)定性系數(shù)作為試驗指標(biāo)。進入田間作業(yè)前，通過人機交互控制器 CM35D向步進驅(qū)動器發(fā)送運動指令，調(diào)節(jié)步進電機的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，控制絲杠滑塊行程變化從而帶動小麥播種機構(gòu)整體下降 40 mm，保證雙圓盤開溝器開出對應(yīng)土壤溝深。試驗以1 m/s行駛速度在田間完成兩次往復(fù)的直線對行播種，對測定地塊沿對角線等距離隨機選取5個測區(qū)，測區(qū)寬度為1個工作幅寬，長度為5 m，每個測區(qū)內(nèi)隨機取10個測點，測點位置應(yīng)避開地頭和邊緣，以耕后地表為基準(zhǔn)測定播種深度，并根據(jù)式（15）計算試驗指標(biāo)。

式中X1為播種深度合格點數(shù)；X0為測定總點數(shù)；A為播種深度合格率，%；Xi為測量點i的播種深度，mm；X為平均播種深度，mm；N為測量點個數(shù)；S為測量值標(biāo)準(zhǔn)差；V為播種深度變異系數(shù)，%；播種深度穩(wěn)定性系數(shù)U=1-V。

5.3.3 試驗結(jié)果及分析

排種量控制試驗過程中，GNSS電控排種系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，排種響應(yīng)時間短，測試結(jié)果如表5所示。智能轉(zhuǎn)速控制電機帶動排種軸同步轉(zhuǎn)動，驅(qū)動轉(zhuǎn)速的不同會影響排種量，從而對排種精度造成影響，隨著移動平臺行駛速度的增加，相同行駛距離內(nèi)排種量也越大，排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不斷減小。根據(jù)JB/T 9783—1999《播種機外槽輪排種器》要求用于小麥播種的外槽輪排種器的排量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤1.8%，本試驗結(jié)果滿足規(guī)范性能指標(biāo)要求，各行排量一致性較好，電控排種控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

表5 排量穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 5 Test results of sowing quantity stability

播種深度控制試驗過程中，觀察土壤開溝播種痕跡，溝內(nèi)種子呈連續(xù)分布狀態(tài)，種粒無明顯堆疊，播行均勻無斷條現(xiàn)象，測試結(jié)果如表6所示。通過分析可知，設(shè)定播種深度為40 mm時，在不同的測區(qū)之間測量最大播深平均值為44.2 mm，最小播深平均值為37.7 mm，實際播深的誤差絕對值不大于10 mm，播深合格率≥90%。根據(jù)NY/T 996—2006《小麥精少量播種機作業(yè)質(zhì)量》標(biāo)準(zhǔn)中播種深度合格率≥80%的要求，滿足小麥播種深度性能指標(biāo)。綜合試驗表明，實際播種深度雖有波動，但穩(wěn)定在一個變化范圍內(nèi)，以播種深度40 mm為試驗，播深變異系數(shù)不大于11%，播深控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性系數(shù)≥89%，大于標(biāo)準(zhǔn)要求的 80%。測試系統(tǒng)控制精度較高，能滿足機器人在田間自走作業(yè)時對播種深度穩(wěn)定性的要求，具有可靠的播種控制效果。

表6 播種深度穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 6 Test results of sowing depth stability

6 結(jié) 論

1）通過 CAN總線分布式控制完成上位機軟件、主控制器與驅(qū)動電機之間的指令傳輸，采用 PID調(diào)速算法保證四輪電機協(xié)同性和穩(wěn)定性，完成移動平臺直行控制、速度調(diào)節(jié)、差速轉(zhuǎn)向等功能，實現(xiàn)自動行走。該農(nóng)業(yè)機器人驅(qū)動控制系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，通過上位機設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速后，四輪可快速趨于目標(biāo)轉(zhuǎn)速且同步性較好，機器人車身偏航距離誤差小于 2.2 cm，保證了行駛直線度以及四輪同步驅(qū)動的協(xié)同性、穩(wěn)定性。

2）采用GNSS高精度定位模塊實時獲取播種移動平臺的行駛速度，并線性調(diào)控排種軸驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)小麥排量的自動、精準(zhǔn)控制，小麥排種連續(xù)穩(wěn)定，排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于1.80%，滿足0.7～1.2 r/min行駛速度下排量穩(wěn)定性要求；通過控制絲杠導(dǎo)軌懸掛機構(gòu)的下降運動使圓盤開溝器準(zhǔn)確開出40 mm的土壤溝深，實際播深的誤差絕對值小于 10 mm，播深穩(wěn)定性系數(shù)≥89%，滿足播種深度的精準(zhǔn)控制要求。

3）結(jié)合對角差速與電動推桿結(jié)合的轉(zhuǎn)向控制方法，能夠在不平整的土壤條件下保持良好通過能力和轉(zhuǎn)向能力。當(dāng)轉(zhuǎn)角較大時，采用差速轉(zhuǎn)向控制方法，主控制器分別設(shè)置差速電機轉(zhuǎn)向速度，并通過CAN總線將速度指令輸出給對應(yīng)驅(qū)動器，通過電機之間的轉(zhuǎn)速差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向；當(dāng)轉(zhuǎn)角較小時，采用機械電動推桿轉(zhuǎn)向控制方法，由單片機控制器控制推桿行程變化，并通過采集編碼器脈沖，實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)向的閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)向行程最長轉(zhuǎn)向時間為10.4 s，轉(zhuǎn)角最大平均絕對誤差小于 0.77°，標(biāo)準(zhǔn)差小于0.5°，滿足車輪在小角度轉(zhuǎn)向要求時的控制精度。

目前本研究僅針對該農(nóng)用移動平臺搭載小麥播種機構(gòu)直線行駛時的實施情況，重點驗證平臺可靠性和直線播種穩(wěn)定性。但仍存在例如地頭自動轉(zhuǎn)向控制、小麥播種行線提取等技術(shù)問題尚未完善，將在后續(xù)研究中繼續(xù)展開。