智能农机自动导航系统应用研究

戴增辉，何凤琴

(1.上海立达职业技术学院,上海 201609；2.上海师范大学，上海 200234)

智能农机自动导航系统应用研究

戴增辉1，何凤琴2

(1.上海立达职业技术学院,上海 201609；2.上海师范大学，上海 200234)

首先设计了农机自动导航系统硬件及软件，分析了常见四轮农机结构，并以此作为研究平台展开模型分析，为后续自动导航算法奠定基础。研究了定位坐标系，分析了大地坐标系、直角坐标系及二者相互转化，确定导航定位解算原理及差分定位原理，在此基础上设计导航系统关键组成部分。最后，基于农机导航定位系统原理进行农机姿态测量及路径追踪，在此基础上提出路径追踪改善方法，从而为后续农机自动导航系统设计提供参考。

农机；导航；坐标系；定位

0 引言

目前，我国耕地面积位居世界前列，但种植效率远低于世界发达国家，究其原因是农业机械化程度较低，种植过程中需要耗费大量人力。随着我国农业种植模式由小面积分散型种植向大面积集中种植不断转变，传统种植模式已经无法满足实际需求，因此亟待提升我国农业生产机械化程度。当前，农业机械作业速度不断提高，人工操作难度越来越大，为提高农业机械操作效率和安全性，需在我国农机控制过程中引进智能化农机导航系统。为此，笔者展开了智能农机自动导航系统研究。首先，以当前常见农机作为研究对象，探究具有一定实用性的农业机械导航系统；其次，对农业机械导航系统的导航控制、组合定位、转向等关键技术展开研究，提升农业机械导航系统可操作性、稳定性、定位精度，为农业机械智能化控制奠定坚实基础。

1 智能农机自动导航系统

在常见农机基础上设计一套完整的液压系统，主要包括电机、油箱、油缸、油泵、液压阀、转向控制器及安全阀，装有无线卫星接收系统，结合角度传感器设计出硬件模拟平台；模拟拖拉机运行状况，对导航算法精确度、编程可行性等展开研究，并为后续程序改进及算法改善奠定坚实基础。

1.1 模型车结构分析

农机自动导航主要是实现农业机械的自动转向和提升转向精确度。为提高农机自动导航系统实用性，本研究将常用农机配备一整套硬件平台，模拟大型拖拉机工作过程，结合软件导航系统设计一套农机自动导航系统硬件设施。模型机构如图1所示。

图1 电动模型车的机构图

模型车系统主要包括车体结构、电子控制器、电机、电源、充电器及显示器等部分，结合可拆装液压系统，便于展开多次实验。其主要功能如下：

1)车体。主要包括车身结构、车轮、转向结构，另外还包括指示灯、座椅、喇叭、反光镜等。

2)电动机。类型为三相感应电动机，是模型动力装置。

3)中央控制器。主要功能是控制电动机开关、速度、转向。

4)蓄电池。提供模型所需动力及照明电力。

当前，大多农机均采用液压系统作为转向动力，本设计转向油路构成包括方向盘、转向器、转向油泵、液压转向油缸及油箱，结构如图2所示。

图2 农机原配转向油路示意图

农机液压机构包括装箱机构、油缸、油泵、溢流阀、单向阀、过滤器、转向轮及辅助元件。液压装置及转向机构在设计时应该根据功率需求及农机实际作用选取适当信号。若功率较大，则选用开芯且无反应转向器，当转向器位于中间位置时，可有效实现自主卸荷；若功率较小，则选用闭芯转向器，当转向器位于中间位置时，需经过相互匹配变量泵后完成卸荷。

可编程控制器主要通过编程实现对系统的控制过程。农机上安装的接收机接收无线卫星信号，并将信号传输至车载电脑；自动导航软件系统对所接收信号进行处理后传送至可编程控制器，之后控制液压系统、转向机构，控制转向角度，实现农机自动导航。设计过程中，在模型车上安装小型液压系统及拖拉机液压系统，结合导航算法设计程序，并通过可编程控制器自带触摸控制显示器进行编程及系统控制。

1.2 软件控制系统

软件设计可有效提升农机自动导航系统控制便利性，且可通过软件调试纠正提升算法稳定性,实现农机行走控制及农机作业控制。拖拉机自动驾驶模拟软件通过QT平台开发两次，在实际控制中通过界面对追踪结果进行动态显示，并通过对话框设置拖拉机行走路径及原始状态；通过定时器结合算法推算拖拉机路径信息，并在系统中自动规划出下一单位时间行走路径及方向。软件主流程图如图3所示。

图3 软件主流程图

2 导航定位与航向角度测量

2.1 定位原理

农机导航主要通过卫星导航系统实现，在定位时需要将地球作为参考系，建立地球坐标系。地球坐标系又可分为直角坐标系和大地坐标系。直角坐标系主要指以设定地球质心作为原点O，北极与原点O连线所在直线作为Z轴，0°经线与质心连线作为X轴，将垂直于X轴和Z轴且经过两轴交点的直线作为Y轴，记作坐标系XYZ，坐标系所在点可表示为(x,y,z)；大地坐标系主要指地球椭球中心与地球球心重合，地球椭球短轴与其自转轴重合，纬度为过地球椭球中心与地球球心重合点椭球法线与赤道夹角为φ，经度为地球椭球中心与地球球心重合点所在椭球子午面和格林威治大地子午面之间的夹角λ。高度h为地球椭球中心与地球球心重合点沿着椭球法线方向所在直线到球面距离，坐标系所在点可表示为(φ,λ,h)。直角坐标系与大地坐标系间可互相转换，如某点P直角坐标系为(x,y,z)，在大地坐标系中为(φ,λ,h)，转换关系为

其中，n为曲率半径；e为第一偏心率。设地球所在椭球长半径和短半径分别为a、b，则

通过叠加法求得

直角坐标系和大地坐标系经常进行过互相转换。在大地坐标系中进行定位，得出定位点坐标属于经纬度坐标位置；在直角坐标系中进行定位，得出定位点坐标属于地表坐标位置。实际应用中，不可直接将大地坐标系用于农机导航，直角坐标系可直接用于农机导航。

2.2 定位解算

若要实现精准定位，则需保证移动站和卫星标准时间同步，在此基础上进行三维定位，在此过程中存在3个未知量，因此需要3个独立方程求解。实际上，难以实现移动站和卫星标准时间同步，在实际作业定位过程中将移动站和卫星标准时间差量作为第4个未知量，因此需要4个独立方程进行求解，即需要在空中具备4颗定位卫星。

图4为定位原理图，分别有定位卫星1、2、3、4，其坐标在图4中标出。由图4可知：4颗卫星分别对待测点进行定位量测，得出4个方程为

c(Vt1-Vt0)

c(Vt2-Vt0)

c(Vt3-Vt0)

c(Vt4-Vt0)

4个未知量分别为待测点三维坐标参数(x0,y0,z0)和Vt0。其中，di(i=1,2,3,4)为4颗卫星到接收机间距；Vti(i=1,2,3,4)为4颗卫星钟差，可通过卫星星历得到；Vt0是接收机钟差。在此基础上可得

di=cΔti

图4 定位原理图

2.3 双天线航向测量

航向测量坐标系即农机工作地点水平坐标系(LLS)，原点为GNSS天线阵列主天线相位中心，将正北方向作为X轴正方向，将正东方向作为Y轴正方向，XY互相垂直，Z轴与X轴、Y轴均垂直且满足右手定则。O-XYZ为大地坐标系，设H-XYZ为LLS坐标系，对其中某点设其LLS坐标系和经纬度(B,L)情况下，对其进行坐标变换：

1)围绕Z'轴旋转角度(180+L)°，从而获得坐标系H-X″Y′Z′；

2)围绕Y''轴旋转角度(270+B)°，从而获得坐标系H-X′Y′Z′；

3)在上述两步基础上，围绕X''轴旋转角度180°。转换过程如图5所示。

图5 坐标系转换过程

通过以上步骤可将大地坐标系转换为LLS坐标系。在此基础上可得

xLLS=Rx(180°)Ry(270°+L)Rz(180°+L)×

RY(270°+B)=

Rz(180°+L)=

将接收天线安装于需自动导航农机上，使用双天线测量农机姿态可得出其航向角及俯仰角；之后固定天线，便可实现精确测量。

双天线航向测量图如图6所示。其中，A1和A2的坐标分别为(0,0,0)、(L2,0,0)；L2表示两天线间距。由此可知

其中，ψ为航向角，θ为俯仰角。

3 航向追踪和路径追踪

3.1 航向追踪

自动转向控制系统目的首先是实现对农机精确导航，控制农机航向及路径；其次为路径追踪及导航控制奠定基础。航向追踪主要指在已知农机当前航向下通过控制技术使其航向与目标航向一致。

1)航向追踪控制的PID校正。一般PID控制属于线性控制技术，控制算法比较复杂，具有良好控制效果。根据校正方式不同可将其分为比例、微分、积分3个校正环节。比例环节按比例对系统误差做出响应，并迅速推动控制器作用，缩小系统误差；调节速度与比例系数为正比关系；最后通过积分环节消除系统存在的稳态误差，消除效果与积分常数呈正相关，消除过程中易出现稳定性及振荡问题。因此，在微分环节需要根据误差信号做出应对，并在误差信号变大前输入早期矫正信号，以此降低调节时间，提升系统响应速度。

2)基于速度的自适应PID控制。农机实际作业过程中会出现以下几种情况：①正常作业时，其速度保持不变：②转弯时，速度连续变小；③曲线行驶时，速度随曲率变化不断改变；④操作结束时，速度连续降低直至为零。

实际设计中，将速度改变作为基本依据，设计自适应PID控制器，通过PID自适应控制器实现航向追踪控制目的。首先计算得出农机实际航向与目标航向误差，并将其作为控制器输入录入系统，控制器结合农机实际运行状况生成在线调节参数，并输出控制参数控制转向轮。

图6 双天线航向测量图

3.2 路径追踪

路径追踪可分为3个步骤：首先是获取农机相对预期目标的动态参数；其次对操纵控制量进行决策；最后实现精确控制操作。在实际操作中，采用位置信息接收机接受农机相对预期目标的动态参数，并将其作为基本信息展开分析；设定预瞄点，确定横向追踪误差和纵向航向偏差两个参数，并结合程序算法得出最佳控制动作，在指定时间点执行该动作；农机在运行过程中其运动状态参数被不断传送至系统，处于不断循环控制动态过程。

4 结论

设计了一套完整的液压系统，包括电机、油箱、油缸、油泵、液压阀、转向控制器及安全阀，装有无线卫星接收系统；结合角度传感器设计出硬件模拟平台，模拟拖拉机运行状况，对导航算法精确度、编程可行性等展开研究。结合模型设置软件控制系统和硬件控制系统，在此基础上展开导航定位与航向角度测量及航向追踪和路径追踪分析，得出科学有效控制策略，实现对农机运行全过程自动导航。

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Research on the Application of Intelligent Automatic Navigation System of Agricultural Machinery

Dai Zenghui1，He Fengqin2

(1.Shanghai Lida Polytechnic Institute,Shanghai 201609, China; 2.Shanghai Normal University，Shanghai 200234, China)

This paper focuses on the application of intelligent agricultural machinery navigation system. First, design the hardware and software of farm machinery auto - navigation system, analyze the common four - wheel farm machinery structure, and then analyze it as the research platform, and lay the foundation for the following automatic navigation algorithm. After the study of location coordinate analysis, geodetic coordinate system, coordinate system and the two mutual conversion, determine the positioning and navigation solution principle and the differential positioning principle, on the basis of the design of the key component of navigation system.Finally,based on the principle of the agricultural machinery navigation and positioning system for attitude measurement and path tracking, on this basis, the path tracking improvement method is proposed to provide reference for the follow-up of the automatic navigation system of agricultural machinery.

agricultural machinery; navigation; coordinate system; location

2016-12-15

国家自然科学基金项目(51608325)

戴增辉(1975-)，女，哈尔滨人，讲师，(E-mail)lvvytj@163.com。

S127

A

1003-188X(2018)02-0202-05