無人駕駛自走式旱地胡麻噴藥車轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊 一，張鋒偉，張方圓，楊 天，許 淵，趙武云

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

胡麻，即油用亞麻，屬于亞麻科(Lianceace)亞麻屬(Linum)作物，是我國北方主要油料作物之一。胡麻具有豐富的營養(yǎng)價(jià)值與工業(yè)價(jià)值，逐漸成為我國北方重要的特色油料作物[1-3]。胡麻具有非常強(qiáng)的抗旱、耐寒和耐貧瘠能力，主要種植于山西省、甘肅省、寧夏回族自治區(qū)和新疆維吾爾自治區(qū)等北方寒帶、亞寒帶地區(qū)。近年來，甘肅省大力發(fā)展胡麻種植產(chǎn)業(yè)，在推廣種植胡麻的同時(shí)，大力支持研發(fā)各種相關(guān)配套農(nóng)機(jī)具，完善胡麻的配套產(chǎn)業(yè)[4-6]。

胡麻植株矮小、株型緊湊，是典型的密植型作物，在甘肅省種植行距20 cm左右，舊膜穴播最優(yōu)間距13.5 cm[7-8]。胡麻種植過程中的田間機(jī)械化植保是全程機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)，大型噴藥車不適合甘肅省的農(nóng)田規(guī)模，拖拉機(jī)易傷胡麻植株，而遙控植保無人飛機(jī)存在續(xù)航時(shí)間短、電池頻繁更換等問題。

自走式噴桿噴藥車比較符合甘肅省的胡麻種植條件，本研究設(shè)計(jì)一款無人駕駛自走式噴桿噴藥機(jī)及轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是自走式噴桿噴藥機(jī)的關(guān)鍵控制系統(tǒng)之一，液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)密封性要求高、結(jié)構(gòu)質(zhì)量大、占用空間大且反應(yīng)靈敏度低，電動(dòng)控制轉(zhuǎn)向更適合自走式胡麻噴藥車[9-11]。設(shè)計(jì)了以直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電推桿為轉(zhuǎn)向控制組件，基于STM32單片機(jī)為控制核心的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)自走式噴藥車轉(zhuǎn)向速度、行走輪輪速的精確控制。

1 自走式胡麻噴藥車結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的無人駕駛自走式旱地胡麻噴藥車主要由車架、行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水泵、電池箱和藥箱等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。作業(yè)時(shí)，操縱者通過遙控器遠(yuǎn)程控制噴藥車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、變速和植保等作業(yè)。

1.噴灑架控制電推桿 2.噴灑水泵 3.車架 4.藥箱 5.中央控制箱 6.電池箱 7.幅寬調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 8.轉(zhuǎn)向電推桿 9.橡膠鋼圈一體輪 10.驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖1 無人駕駛自走式旱地胡麻噴藥車結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of driverless self-propelled dry land flax spraying truck

該噴藥車的行走與轉(zhuǎn)向控制方案如圖2所示，控制系統(tǒng)主要包括中央控制器、電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和轉(zhuǎn)向電推桿等。遙控裝置為2.4GHz無線電遙控器。中央控制器采用STM32 F103型芯片單片機(jī)，使用Keil uVision5軟件編程，對(duì)噴藥車各動(dòng)作流程進(jìn)行決策、控制。控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器為直流無刷電機(jī)控制器，調(diào)節(jié)輪胎轉(zhuǎn)速，并可根據(jù)給定速度自動(dòng)調(diào)整電機(jī)功率。控制轉(zhuǎn)向電推桿的電機(jī)控制器為直流電機(jī)調(diào)速器，通過控制電推桿的伸縮方向與伸縮速度，調(diào)節(jié)噴藥車的轉(zhuǎn)彎方向與轉(zhuǎn)彎速度[12-17]。中央控制器在接收到遠(yuǎn)程控制信號(hào)后，根據(jù)輸入的指令與各處傳感器反饋回的數(shù)據(jù)，通過電機(jī)調(diào)速器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)與轉(zhuǎn)向電推桿實(shí)現(xiàn)噴藥車行走速度與轉(zhuǎn)向角度的控制。

圖2 胡麻噴藥車控制系統(tǒng)框架Fig.2 Control system framework of flax spraying truck

2 行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 行走機(jī)構(gòu)

胡麻噴藥車的行走機(jī)構(gòu)主要由仿形機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)軸、減速機(jī)和橡膠鋼圈一體輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。噴藥車工作時(shí)，中央控制器接收到信號(hào)后，控制電機(jī)控制器啟動(dòng)電機(jī)，將動(dòng)力傳輸?shù)轿佪單仐U減速機(jī)，減速機(jī)驅(qū)動(dòng)一體輪以一定的速度行駛。安裝在電機(jī)上的霍爾傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)速信息反饋到中央控制器，中央控制器根據(jù)各輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速保持與設(shè)定速度一致。

1.橡膠鋼圈一體輪 2.傳動(dòng)軸 3.仿形機(jī)構(gòu) 4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)5.減速機(jī)圖3 胡麻噴藥車行走機(jī)構(gòu)Fig.3 Walking mechanism of flax spraying truck

2.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

胡麻噴藥車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)編碼器、轉(zhuǎn)向電推桿、轉(zhuǎn)向機(jī)連桿和轉(zhuǎn)向軸等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在左側(cè)的轉(zhuǎn)向軸上，監(jiān)測(cè)左側(cè)的轉(zhuǎn)向角度。轉(zhuǎn)向電推桿為LX700型電推桿，行程200 mm。噴藥車轉(zhuǎn)向時(shí)，中央控制器通過電機(jī)控制器啟動(dòng)電推桿，電推桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器將監(jiān)測(cè)的噴藥車轉(zhuǎn)向角度反饋到中央控制器，中央控制器調(diào)節(jié)每個(gè)輪子的前進(jìn)速度與轉(zhuǎn)向狀態(tài)保持一致。

1.旋轉(zhuǎn)編碼器 2.轉(zhuǎn)向機(jī)連桿 3.轉(zhuǎn)向軸 4.轉(zhuǎn)向電推桿圖4 胡麻噴藥車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Fig.4 Steering mechanism of flax spraying truck

3 轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)向電推桿控制

轉(zhuǎn)向電推桿由直流電機(jī)調(diào)速器控制，中央控制器通過控制電機(jī)調(diào)速器的各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)噴藥車轉(zhuǎn)向控制。直流電機(jī)控制器的正反轉(zhuǎn)控制功能控制電推桿的伸出與縮回，從而控制噴藥車的轉(zhuǎn)彎方向；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)功能控制電推桿的伸出、縮回速度，從而控制噴藥車的轉(zhuǎn)向速度。

3.2 轉(zhuǎn)向時(shí)輪速控制

噴藥車的輪子由4個(gè)直流無刷電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。在轉(zhuǎn)向時(shí)，每個(gè)輪子根據(jù)車體的轉(zhuǎn)向角度實(shí)時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以符合噴藥車當(dāng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。噴藥車轉(zhuǎn)向示意如圖5所示，L為噴藥車前后軸的軸距，W1為噴藥車前輪內(nèi)外側(cè)車輪的輪距，W2為噴藥車后輪內(nèi)外側(cè)車輪的輪距，R為噴藥車后輪中央至繞旋轉(zhuǎn)中心O的距離，即噴藥車的轉(zhuǎn)彎半徑，α1、α2分別為噴藥車左前輪與右前輪轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向角度，v為噴藥車的前進(jìn)速度，v1、v2、v3、v4分別為噴藥車左前、右前、左后、右后4個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)速。

圖5 噴藥車轉(zhuǎn)向示意Fig.5 Steering sketch of flax spraying truck

以噴藥車左轉(zhuǎn)向時(shí)為例，左前輪轉(zhuǎn)角角度α1已知，可求出以下數(shù)值。

右前輪的偏轉(zhuǎn)角

(1)

噴藥車轉(zhuǎn)彎半徑

R=cotα1·L+W1/2

(2)

4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速

(3)

(4)

(5)

(6)

α1由安裝在左前輪轉(zhuǎn)向軸上的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得，編碼器為E6B2-CWZ6C 1024P/R型絕對(duì)編碼器，分辨率為1 024，最小分辨率為0.35°。噴藥車轉(zhuǎn)向時(shí)，中央控制器收到指令，通過電推桿推動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)開始轉(zhuǎn)向。此時(shí)旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得左前輪的轉(zhuǎn)向角度，中央控制器計(jì)算出此時(shí)每個(gè)輪子的最佳轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過電機(jī)控制器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使各輪速度符合此時(shí)的轉(zhuǎn)向狀況。

4 仿真與分析

4.1 仿真模型的建立

利用仿真軟件SolidWorks與ADMAS共同建立無人駕駛自走式旱地胡麻噴藥車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型。先采用SolidWorks軟件對(duì)噴藥車進(jìn)行等比例建模，再對(duì)噴藥車結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪去對(duì)仿真無影響的多余結(jié)構(gòu)，只保留車體與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；之后將模型導(dǎo)入ADAMS中用于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的仿真[18-19]。噴藥車虛擬樣機(jī)的基礎(chǔ)模型如圖6所示。

圖6 噴藥車仿真模型Fig.6 Simulation model of flax spraying truck

4.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析驗(yàn)證

使用ADAMS中Ssimulation control功能對(duì)建好模型的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過改變仿真模型轉(zhuǎn)向電推桿的伸出、縮回距離，模擬并測(cè)量轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)運(yùn)作時(shí)左前輪相對(duì)于車體方向的角度，即左前輪的偏轉(zhuǎn)角度。改變電推桿的伸縮距離，使其達(dá)到最大值，可得到最 大偏轉(zhuǎn)角度，如圖7所示。以電推桿伸出量100 mm(電推桿行程的一半)為零點(diǎn)，將電推桿的伸縮量完全縮回，得到轉(zhuǎn)向角度與電推桿變化關(guān)系，如圖8所示[20-21]。

圖7 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)最大轉(zhuǎn)向角Fig.7 Maximum steering angle of steering mechanism

圖8 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)電推桿與轉(zhuǎn)向角度關(guān)系Fig.8 Relationship between electric push rod and steering angle of steering mechanism

仿真數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的最大左偏角為35.9°，最大右偏角為25.1°，并且在接近最大左偏角處有角度變化加快的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的實(shí)際使用轉(zhuǎn)向角為±25°。電推桿200 mm的行程只使用了70%，沒有完全被利用。噴藥車前后軸的軸距1 505 mm，前輪內(nèi)外側(cè)車輪的輪距1 594 mm，LX700型電推桿最大伸縮速度60 mm/s，由計(jì)算可得噴藥車的最小轉(zhuǎn)彎半徑4 m，達(dá)到最大轉(zhuǎn)向角用時(shí)1.15 s，最大轉(zhuǎn)向角速度21.7°/s。

仿真發(fā)現(xiàn)，噴藥車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的最大偏轉(zhuǎn)角度不一致，越接近左偏轉(zhuǎn)最大處，角度變化越快，電推桿行程使用不足?？梢酝ㄟ^調(diào)整電推桿底部與車架的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到更好的效果[22]。

5 結(jié)束語

針對(duì)北方旱地胡麻的種植要求，設(shè)計(jì)了無人駕駛自走式旱地胡麻噴藥車，確定了整機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，對(duì)噴藥車行走轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真計(jì)算分析。

噴藥車采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)行走輪由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)上安裝霍爾傳感器，檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過反饋調(diào)節(jié)，使各個(gè)行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與設(shè)定速度保持一致。簡(jiǎn)化了行走機(jī)構(gòu)，提高了噴藥車運(yùn)行的穩(wěn)定性。采用電推桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并在左側(cè)轉(zhuǎn)向軸上安裝旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向角度。通過中央控制器計(jì)算同時(shí)調(diào)節(jié)各個(gè)行走輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使其符合噴藥車轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高噴藥車轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性。

對(duì)噴藥車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)使用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，噴藥車轉(zhuǎn)彎角度為±25°，最小轉(zhuǎn)彎半徑為4 m，到達(dá)單側(cè)最大偏轉(zhuǎn)角用時(shí)1.15 s。噴藥車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在±25°轉(zhuǎn)向角度內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。

本文研究的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)由以STM32型單片機(jī)為核心的中央控制器直接發(fā)送指令控制，可為無人駕駛自走式旱地胡麻噴藥車的智能避障、智能作業(yè)提供技術(shù)支持。