胡 煉 關(guān)錦杰 何 杰 滿忠賢 田 力 羅錫文

(1.華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室， 廣州 510642; 2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學與技術(shù)廣東省實驗室， 廣州 510642)

0 引言

花生是我國主要的油料作物之一，也是我國為數(shù)不多的優(yōu)勢出口農(nóng)作物之一[1]。2019年全國花生種植面積超4.67×106hm2，總產(chǎn)量1.733 2×107t，占全世界總產(chǎn)量40%，且年均增長2%，居國內(nèi)大宗農(nóng)作物種植面積第7位，在國際上位居第2位[2]。雖然我國花生種植面積大，但是花生種植和收獲環(huán)節(jié)機械化和智能化程度仍然較低。此外，我國花生收獲機械化程度不均，山東、河南等花生主產(chǎn)區(qū)收獲機械化水平達到80%，非主產(chǎn)區(qū)仍靠人工采摘，工作效率低[3]?；ㄉ斋@是花生生產(chǎn)工序最多的環(huán)節(jié)，從挖土起秧到摘果晾曬，整個環(huán)節(jié)約占花生生產(chǎn)總時間的1/3。且花生適宜收獲期較短，過早或過晚收獲均會影響花生的品量和產(chǎn)量。

提高農(nóng)業(yè)機械化和智能化水平有助于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和效益，緩解高技能勞動力的不足，促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展[4-6]。隨著土地流轉(zhuǎn)進程加快，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；l(fā)展，對農(nóng)機自動駕駛系統(tǒng)的需求也持續(xù)增長[7]?；诒倍返淖詣玉{駛拖拉機、播種機、水稻收獲機等已有研究應(yīng)用[8]，如采用比例閥、換向電磁閥和導航控制器實現(xiàn)拖拉機自動導航[9]，采用推桿電機、電動方向盤、運動控制器和導航控制器實現(xiàn)插秧機自動駕駛作業(yè)[10-14]，通過串并聯(lián)液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、工控機和導航控制器實現(xiàn)聯(lián)合收獲機自動駕駛作業(yè)[15-16]，而花生收獲機仍無這方面的研究報道。

目前對于花生收獲機作業(yè)自動化控制的相關(guān)研究較少，僅是通過CAN總線對花生收獲機工況進行監(jiān)測，并通過電磁閥控制收獲機液壓系統(tǒng)[17-19]。為提高花生收獲的智能化程度，實現(xiàn)花生收獲機的全自動化操作，本文以東泰機械4HBL-2型自走式花生聯(lián)合收獲機為研究平臺，根據(jù)花生收獲機變速機構(gòu)和操作機構(gòu)的特點，設(shè)計手自一體電控系統(tǒng)；根據(jù)收獲機無人化作業(yè)要求，設(shè)計自動作業(yè)控制系統(tǒng)和自動駕駛系統(tǒng)；并通過田間試驗驗證自動作業(yè)系統(tǒng)的準確性和可靠性。

1 花生收獲機手自一體電控系統(tǒng)設(shè)計

東泰機械4HBL-2型自走式花生聯(lián)合收獲機主要操作機構(gòu)包括左右轉(zhuǎn)向、收獲臺升降、糧倉卸糧、作業(yè)離合、HST變速和3擋(空擋、作業(yè)、行走)變速操縱機構(gòu)，各操作機構(gòu)均為機械式手動操作方式。為實現(xiàn)收獲機自動作業(yè)并保留人工操作功能，各機械式操作機構(gòu)需設(shè)計手自一體電控系統(tǒng)。

1.1 花生收獲機自動導航電控方案

花生聯(lián)合收獲機通過主變速操縱桿和副變速操縱桿聯(lián)合控制實現(xiàn)行走，主變速操縱桿控制調(diào)節(jié)3擋齒輪變速箱，副變速操縱桿調(diào)節(jié)液壓泵輸出流量間接控制收獲機移動速度。作業(yè)功能包括轉(zhuǎn)向、收獲架升降、限深輪升降、卸糧和作業(yè)離合，其中轉(zhuǎn)向、收獲架升降、限深輪升降和卸糧功能均通過推桿操控液壓換向閥驅(qū)動液壓油缸伸縮實現(xiàn)，作業(yè)離合功能則通過自鎖式拉桿帶動鉸接張緊輪張緊傳動帶傳遞動力。采用電控手柄(開關(guān)量操作桿)、推桿電機、三位四通電磁閥組、柴油機電動油門、限位開關(guān)、3擋撥片開關(guān)和底層控制器，設(shè)計了花生聯(lián)合收獲機的底層電控系統(tǒng)，如圖1所示，其中底層控制器通過接收手柄和開關(guān)或?qū)Ш娇刂破髦噶钸M行花生收獲機行走和作業(yè)系統(tǒng)控制。

圖1 收獲機底層控制系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖Fig.1 Schematic design of operation control system for harvester

1.2 行走變速機構(gòu)電控設(shè)計

變速機構(gòu)電控由HST調(diào)速和油門調(diào)速組成，電控設(shè)計示意圖如圖2所示。變速機構(gòu)電控采用搖桿手柄(BLEE飛行手柄帶4個方向微動開關(guān)，兩按鈕輸出，頂部為怠速按鈕，側(cè)面為安全自鎖按鈕)替代收獲機變速手柄以實現(xiàn)無級變速，電動手柄輸出0～5 V信號經(jīng)底層控制器(SPC-WTW-2612CM型)A/D采樣，并控制帶電位計的推桿電機(迪亦姆D5-H3-100型)，控制驅(qū)動變排量液壓泵轉(zhuǎn)動軸實現(xiàn)手動調(diào)速；推桿電機采用底層控制器1路H橋驅(qū)動，其控制方式有兩種，除上述手動手柄控制外，還可由控制器CAN總線接收導航控制器控制命令，驅(qū)動推桿電機實現(xiàn)對收獲機的變速調(diào)整。油門控制采用柴油發(fā)動機電動油門控制器(HY-PL型)進行發(fā)動機油門開度調(diào)節(jié)，使用3擋撥片開關(guān)對其進行控制。

圖2 收獲機行走變速電控設(shè)計示意圖Fig.2 Electric control design of walking speed change of harvester

1.3 作業(yè)操控機構(gòu)電控設(shè)計

針對原收獲機作業(yè)操控機構(gòu)采用手動換向閥(轉(zhuǎn)向、升降、卸糧、限深)和機械自鎖拉桿(作業(yè)離合)控制的特點，采用HJ60型電控手柄(陳工HJ60型開關(guān)量操縱桿)、SC2M系列多路閥組、撥片開關(guān)和電動推桿設(shè)計手自一體化電控裝置，電控裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。HJ60型電控手柄為兩軸霍爾6鍵操作桿，替換原手動換向閥手柄，輸出8路開關(guān)量控制轉(zhuǎn)向、升降、限深和卸糧電磁閥。SC2M系列多路閥組可實現(xiàn)收獲機的割臺上升下降，糧倉的卸糧等操作單獨動作，其中升降選用4WE6Y-11SN-ED12H型電磁閥，轉(zhuǎn)向選用4WE6H-11SN-ED12H型電磁閥，卸糧和限深選用4WE6O-11SN-ED12H型電磁閥。糧倉安裝限位開關(guān)(昌得TZ-8104型)作為糧倉翻轉(zhuǎn)角度的反饋信息，形成閉環(huán)控制。通過3擋撥片開關(guān)控制推桿電機推動作業(yè)離合杠桿實現(xiàn)作業(yè)離合操作。作業(yè)機構(gòu)的手動操作、自動操作及切換方式與變速機構(gòu)相同。

圖3 收獲機作業(yè)機構(gòu)電控結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Electric control structure diagram of harvester operating mechanism

1.4 底層自動作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)花生收獲機田間操作規(guī)范及人工駕駛經(jīng)驗，收獲機聯(lián)合控制策略如表1所示，控制邏輯如圖4所示。收獲機作業(yè)開始時，收獲架下降，下降停止后作業(yè)離合結(jié)合，以作業(yè)速度行駛，到達地頭時收獲機收獲架上升，上升停止后作業(yè)離合分離，停止收獲作業(yè)，并以轉(zhuǎn)彎速度進行轉(zhuǎn)向，到達下一作業(yè)行重復以上操作。

表1 收獲機聯(lián)合控制策略Tab.1 Harvester joint control strategy

圖4 收獲機控制邏輯圖Fig.4 Harvester control logic diagram

花生收獲機行走系統(tǒng)采用直流電機控制變量馬達開度閥、油門開度閥和作業(yè)離合旋桿，作業(yè)系統(tǒng)采用多路電磁閥對轉(zhuǎn)向、卸糧翻轉(zhuǎn)、收獲架升降和限深輪升降進行控制。根據(jù)以上特點采用底層控制器對直流電機和電磁換向閥進行控制，其控制原理如圖5所示。

當手動控制時，底層控制器接收到外部發(fā)送來的高電平信號，對其進行解析并與操作指令集進行對照，再由Bang-Bang控制器(也稱開關(guān)控制)對制動、升降、限深和糧倉電磁閥分別進行控制，以及PD控制器對HST變速馬達開度閥、作業(yè)離合旋桿和電動油門分別進行正、反轉(zhuǎn)控制。當自動控制時，底層控制器接收CAN指令并解析得到給定速度、油門大小和離合狀態(tài)等，由相應(yīng)的Bang-Bang控制器和PD控制器控制相應(yīng)的電磁閥和直流電機實現(xiàn)作業(yè)控制。

根據(jù)收獲機行走系統(tǒng)設(shè)計原理，對于直流電機等連續(xù)運動的執(zhí)行元件，為了消除控制動作頻繁而引起系統(tǒng)震蕩，使系統(tǒng)更加平穩(wěn)且手自切換沖擊小、抗干擾能力強，采用帶死區(qū)的增量PD控制，計算式為

(1)

其中

Δy(t)=kp(e(t)-e(t-1))+
kd(e(t)-2e(t-1)-e(t-2))

(2)

Δe(t)=e(t)-e(t-1)

式中e0——死區(qū)

kp、kd——PD控制系數(shù)，取kp為2，kd為0.3

e(t)——t時刻位置誤差

e(t-1)——t-1時刻位置誤差

e(t-2)——t-2時刻位置誤差

2 自動導航系統(tǒng)設(shè)計

2.1 路徑規(guī)劃

花生收獲機作業(yè)過程中，在單邊制動轉(zhuǎn)向方式下，轉(zhuǎn)向中心即轉(zhuǎn)彎方向履帶外側(cè)田面會受到擠壓破壞，除在空間位置受限制的情況下采用原地轉(zhuǎn)彎外，一般采用邊前進邊轉(zhuǎn)向的方式，為了避免碾壓未收獲花生，應(yīng)在地頭留出足夠的轉(zhuǎn)向空間。因4HBL-2型花生收獲機為左側(cè)單壟收獲，故花生收獲機作業(yè)規(guī)劃路徑采用逆時針作業(yè)的套行法，如圖6所示。

圖6 收獲機路徑規(guī)劃示意圖Fig.6 Receiver path planning diagram

2.2 路徑跟蹤控制

農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復雜多變，農(nóng)機具有大延遲、大慣性和高度非線性的特征，因此要求路徑跟蹤控制算法具備一定的自適應(yīng)性和魯棒性。常用的農(nóng)機路徑跟蹤控制方法有 PID 控制、模糊控制、純追蹤控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、最優(yōu)控制和模型預測等[20]。為了避免建模不準確或者模型參數(shù)多變對農(nóng)機路徑跟蹤控制性能所產(chǎn)生的負面影響，常采用與模型無關(guān)的控制方法進行農(nóng)機路徑跟蹤控制器設(shè)計[21]，如PID控制，根據(jù)系統(tǒng)已知的航向偏差和橫向位置偏差，自適應(yīng)調(diào)整比例、積分和微分系數(shù)，達到預期的控制效果，且結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性強。

花生收獲機采用的導航控制器由北斗板卡、差分傳輸模塊和MCU核心板等組成，利用雙天線定位技術(shù)獲取收獲機的當前位置與航向信息。因花生收獲機轉(zhuǎn)向采用開關(guān)量控制，在保證收獲機的收獲質(zhì)量的同時，避免過于頻繁的轉(zhuǎn)向控制產(chǎn)生振蕩，設(shè)計了航向偏差和橫向位置偏差作為反饋修正的PD控制算法，當PD控制輸出控制量大于閾值后，執(zhí)行對制動油缸的Bang-Bang控制，實現(xiàn)收獲機路徑跟蹤控制。收獲機運動示意圖7中直線a為規(guī)劃路線，b為實際運動路線，由收獲機運動示意圖可知，當收獲機存在橫向位置偏差α且作為修正量時，在消除位置偏差α時亦會導致航向偏差β產(chǎn)生，據(jù)此設(shè)計以航向偏差為主要控制量、橫向位置偏差為補償?shù)腜D控制器和Bang-Bang控制器原理如圖8所示。PD控制器輸出為

圖7 收獲機運動示意圖Fig.7 Motion diagram of harvester

圖8 收獲機路徑跟蹤原理模型Fig.8 PD control principle model of harvester navigation

(3)

式中E——PD控制器輸出控制量

Δαk——k時刻橫向偏差

Δβk——k時刻航向偏差

kp1、kp2、kd1、kd2——PD控制系數(shù)，kp1=kp2=5，kd1=0.1，kd2=0.3

Bang-Bang控制器輸出為

(4)

式中u——制動閥狀態(tài)量

E0——控制閾值，取5

3 試驗與分析

3.1 試驗材料與方法

東泰機械4HBL-2型自走式花生聯(lián)合收獲機原控制臺如圖9a所示，采用電控手柄替代機械操縱手柄，利用電控手柄對移動、轉(zhuǎn)向、升降、卸糧和限深功能進行控制；采用撥片開關(guān)替代原作業(yè)離合開關(guān)和機械油門拉線機構(gòu)?；ㄉ斋@機機構(gòu)改造示意圖如圖9b所示，改造完成后收獲機控制臺如圖9c所示。

圖9 收獲機試驗平臺Fig.9 Harvester test platforms

如圖9c所示，自動駕駛作業(yè)花生聯(lián)合收獲機平臺上集成了導航控制器和作業(yè)(運動)控制器，其中自動導航控制系統(tǒng)為試驗提供作業(yè)路徑、作業(yè)速度和作業(yè)狀態(tài)等信息以及控制指令。

為了驗證花生收獲機自動駕駛作業(yè)系統(tǒng)性能，在平坦水泥路上驗證收獲機的手自一體化電控系統(tǒng)、聯(lián)合控制策略效果以及直線跟蹤精度；在沙質(zhì)花生地上進行直線跟蹤精度和作業(yè)效果試驗。自動駕駛作業(yè)系統(tǒng)控制頻率為10 Hz，以直線速度為0.25 m/s，轉(zhuǎn)向速度為0.15 m/s進行直線及轉(zhuǎn)向試驗，驗證作業(yè)速度控制、作業(yè)機構(gòu)控制和路徑跟蹤控制的準確性和穩(wěn)定性。

在水泥路面試驗流程如圖10所示，通過北斗RTK系統(tǒng)(華測導航i70型)測定4個位置點并設(shè)計作業(yè)行(2行)，收獲機開始作業(yè)時，收獲架下降，作業(yè)離合閉合，以作業(yè)速度前進，到達作業(yè)行終點后抬起收獲架，作業(yè)離合分離，以轉(zhuǎn)彎速度進行轉(zhuǎn)向，到達下一行起點時進行重復作業(yè)。

圖10 收獲機作業(yè)流程Fig.10 Harvester process

在沙質(zhì)土壤花生地上通過RTK測定田角4個位置點，進行路徑規(guī)劃和收獲作業(yè)，驗證花生收獲機田間收獲作業(yè)功能和性能。

3.2 試驗結(jié)果

水泥路面試驗的作業(yè)路徑跟蹤曲線、作業(yè)路徑跟蹤誤差和聯(lián)合作業(yè)狀態(tài)分別如圖11～13所示。

圖11 自動駕駛作業(yè)路徑跟蹤曲線(水泥路面)Fig.11 Automatic work path tracking curve

圖12 自動駕駛作業(yè)路徑跟蹤誤差(水泥路面)Fig.12 Automatic operation path tracking error

圖13 聯(lián)合作業(yè)狀態(tài)Fig.13 Joint operation status

試驗結(jié)果表明，花生收獲機開始作業(yè)時，收獲架下降，作業(yè)離合結(jié)合，以速度0.25 m/s進行收獲工作，在非作業(yè)路徑時收獲架上升，作業(yè)離合分離，以速度0.15 m/s進行轉(zhuǎn)向，作業(yè)控制與人工操作一致。在平整水泥路面以速度0.25 m/s跟蹤直線時，直線跟蹤平均絕對偏差為4.34 cm，最大偏差為9.30 cm。經(jīng)多次試驗，收獲機在轉(zhuǎn)彎點提前1.4 m轉(zhuǎn)向可使收獲機不超出規(guī)劃路徑范圍。

沙質(zhì)花生地田間試驗作業(yè)路徑跟蹤曲線、作業(yè)路徑跟蹤誤差和作業(yè)現(xiàn)場分別如圖14～16所示。

圖14 自動駕駛作業(yè)路徑跟蹤曲線(花生地)Fig.14 Automatic work path tracking curves

圖15 自動駕駛作業(yè)路徑跟蹤誤差(花生地)Fig.15 Automatic operation path tracking error

圖16 導航作業(yè)現(xiàn)場Fig.16 Navigation operation site

試驗結(jié)果表明，實際作業(yè)路徑與規(guī)劃路徑基本吻合，直線跟蹤平均絕對偏差為5.12 cm，最大偏差為12.20 cm，可保證收獲機能對準花生行并挖掘收獲。直線跟蹤誤差大于水泥路面跟蹤誤差，主要是沙質(zhì)土壤疏松度不一導致履帶式花生收獲機運動特征變化，導航?jīng)Q策的轉(zhuǎn)向控制量不能準確控制收獲機跟蹤規(guī)劃路徑。

4 結(jié)論

(1)以東泰機械4HBL-2型自走式花生聯(lián)合收獲機為平臺，根據(jù)收獲機無級變速和收獲機構(gòu)特性，設(shè)計了具有CAN總線接口的手自一體化電控系統(tǒng)，采用電控手柄、撥片開關(guān)、推桿電機和作業(yè)控制器等設(shè)計了收獲機自動作業(yè)控制系統(tǒng)。

(2)根據(jù)花生收獲機作業(yè)特點，設(shè)計了帶死區(qū)的PD控制算法和Bang-Bang控制算法，實現(xiàn)了花生收獲機行走和作業(yè)系統(tǒng)的控制。

(3)根據(jù)花生收獲的農(nóng)藝要求和花生收獲機作業(yè)流程，設(shè)計了花生收獲機自動駕駛系統(tǒng)和作業(yè)聯(lián)合控制策略，規(guī)劃了收獲作業(yè)路徑，采用雙天線北斗定位系統(tǒng)獲取的收獲機位置和航向信息作為路徑跟蹤控制的輸入，設(shè)計了基于橫向偏差和航向偏差的路徑跟蹤PD控制器，以及基于路徑跟蹤PD控制器輸出量的Bang-Bang控制器。

(4)在水泥路面和沙質(zhì)花生地進行了自動駕駛花生收獲作業(yè)性能試驗，試驗結(jié)果表明，采用花生收獲機作業(yè)聯(lián)合控制策略可實現(xiàn)花生收獲機作業(yè)自動操作與人工操作一致，水泥路面和沙質(zhì)地自動駕駛作業(yè)直線跟蹤平均絕對偏差分別為4.34 cm和5.12 cm，最大偏差分別為9.30 cm和12.20 cm，能保證獲收機構(gòu)對準花生壟行實現(xiàn)挖掘收獲。