东方红X_804拖拉机的DGPS自动导航控制系统_罗锡文

收稿日期：2009-06-13 修订日期：2009-08-19
基金项目：国家“863”高技术研究发展计划资助项目（2006AA10A304） ； 广东省科技计划项目（ 2007A020300010-5 ） ；广东省自然科学基金项目 （07301499） 作者简介：罗锡文（1945－） ，男，湖南株洲人，教授，博士生导师，主要 从事农业机械化工程、精细农业方面研究。广州 华南农业大学工程学院， 510642。Email: xwluo@
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引
言
农业机械自动导航技术是现代农业机械装备的重要 支持技术之一。实现农业机械的智能化导航，可以有效 减少驾驶员的劳动强度，提高农田作业质量，具有重要 的理论研究意义和实际应用价值。随着差分 GPS 定位技 术的不断发展，GPS 定位精度不断提高，载波相位差分 GPS （ real time kinematic differential global positioning system, RTK-DGPS ）的定位精度甚至可达厘米级，使 DGPS 定位技术在农业机械自动导航系统中得到了广泛 应用[1-3]。 斯坦福大学 O’ Connor 较早将 RTK-DGPS 应用于拖拉 机直线跟踪导航。利用方向偏差、方向偏差变化率、转 向角度、转向角度变化率、跟踪误差等 5 个状态变量建 立了拖拉机运动学方程，设计了最优操纵控制器引导 Deere 7800 型拖拉机进行导航控制实验， 路径跟踪误差的 标准差为 5.27 cm ，平均偏差为-0.22cm[4] 。 Zhang 将 RTK-DGPS 和光纤陀螺（fiber optic gyroscope，FOG）综 合应用于拖拉机作业路线跟踪导航，研究了拖拉机的 2 自由度线性动力学模型，提出了基于预瞄策略的动态路 径搜索算法，用于拖拉机直线或者曲线作业路线的自动
电控液压转向油路由在原有转向油路基础上并联安 装的比例阀（FFV-03-60-C05-01-1901, HNC Inc.）和 O 型 的 三 位 四 通 换 向 电 磁 阀 （ DG4V-5-8CJ-VM-U-C6-20 ， VICKERS Inc.）组成。比例阀主要实现流量控制，以达 到控制转向速度快慢的效果，换向电磁阀实现油路方向 的切换控制，以达到控制前轮左右转向的效果。为了系 统油路的安全，在比例阀输入前端安装了一个安全溢流 阀（YF-B-10HZ-S，常州鹏源液压机械有限公司） 。比例 阀、换向阀和溢流阀集成在一个油路块上，构成液压控 制阀单元，如图 3 虚线框部分所示。为实现手动转向和 自动转向的可靠切换，还增加了 3 个同原有油路转换的 手动切换阀。 自动转向控制的原理是：发动机启动后，转向液压 泵开始运转；转向操纵控制器检测拖拉机转向前轮转角 信息， 根据导航控制器由 CAN 总线发出的转向控制指令， 控制液压电磁阀单元（比例阀、换向阀）的开度和方向； 液压油经过电磁阀单元时改变流量和流向，而后进入转
Fig.3
图 3 电控液压转向的闭环控制回路 Closed control loop of electrohydraulic steering
导航传感器采用 Trimble 公司的 5700 型 GPS 接收机 系统，包括 GPS 天线、基准站接收机、移动站接收机和 PDL 数传电台。该系统支持 RTK-DGPS 定位，水平定位 精度可达 1 cm+1 ppm RMS，垂直定位精度可达 2 cm+1 ppm RMS，动态延迟小于 20 ms。 转向轮偏角检测传感器采用日本 KOYO 公司的 TRD– NA1024NW 型绝对值旋转编码器， 分辨率为 10 位， 测试精度为 0.35° 。 1.2 CAN 总线结构 自动导航系统采用 CAN 总线结构。转向操纵控制器 采用 C8051F040 单片机，实现转向轮偏角检测数据采集 和转向控制。导航控制器采用 ATMEL AT91SAM9261 微 处理器，实现 DGPS 定位数据采集、处理和转向控制指 令决策。 2 个控制器均具有 CAN 通讯接口， 便于挂接 CAN 总线。系统总体结构见图 2。 系统总体结构采用 CAN 总线方式，还考虑到了今后
跟踪导航。 田间试验结果表明： 拖拉机前进速度为 3.5 m/s 时，最大跟踪误差小于 0.1 m，均方根误差小于 0.03 m[5]。 Qiu[6] 也 进 行 了 相 关 研 究 ， 得 到 了 类 似 的 研 究 结 果 。 Yoshisada 将 RTK-DGPS 和 FOG 应用于水田插秧机的直 线跟踪导航，导航控制器采用基于位置和航向偏差的比 例控制方式。插秧机在正常作业速度条件下（0.7 m/s） ， 最大跟踪误差小于 0.12 m，均方根误差小于 0.055 m[7]。 国内庄卫东等人研究了农机直线行走的 DGPS 导航算法， 指出农机直线行走导航的关键是要获得机车当前实际位 置与预定路线之间的距离偏差和方向偏差，提出了一种 偏航距离计算方法和偏左偏右信息的判断方法[8]。 张智刚 等人研究了插秧机的 DGPS 自动导航技术，提出了一种 利用航向跟踪实现路径跟踪的控制算法。利用 RTK-DGPS 进行导航试验的结果表明，直线跟踪时，行 进速度为 0.75 m/s，平均跟踪误差 0.104 m，最大跟踪误 差 0.113 m；圆曲线跟踪时，行进速度为 0.33 m/s，平均 跟踪误差 0.04 m，最大跟踪误差 0.087 m[9]。陈军等人利 用全站仪，应用最优控制理论，对拖拉机自动引导行走 方法进行了研究。实车试验结果表明：拖拉机在倾斜度 小 于 3° 的地面上直线行走时的横向标准偏差小于 0.108 m[10]。吕安涛等人也对拖拉机自动驾驶的最优控制 方法进行了研究[11]。 本文采用 RTK-DGPS 定位技术，研究东方红 X-804 拖拉机的自动导航系统。设计开发了可电控的液压转向 闭环控制回路，并进行了闭环辨识。将拖拉机运动模型 和液压转向控制模型相结合，设计了直线跟踪的 PID 导 航控制器，分析了路径跟踪的稳定性和动态响应特性， 确定了 PID 控制参数。采用跨行地头转向方式，设计了
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农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
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东方红 X-804 拖拉机的 DGPS 自动导航控制系统
罗锡文，张智刚，赵祚喜，陈 斌，胡 炼，吴晓鹏
（华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642） 摘 要：该文在东方红 X-804 拖拉机上开发了基于 RTK-DGPS 的自动导航控制系统。系统主要包括 RTK-DGPS 接收机、 导航控制器、转向操纵控制器、电控液压转向装置和转向轮偏角检测传感器。其中转向操纵控制器、转向轮偏角检测传 感器和电控液压转向装置构成转向轮偏角的闭环控制回路，该回路可根据导航控制器提供的期望转向轮偏角实现偏转角 的随动控制。将拖拉机运动学模型和转向操纵控制模型相结合，建立了拖拉机直线跟踪的导航控制传递函数模型，模型 的输入是横向跟踪误差，输出是期望的转向轮偏角。设计了基于 PID 算法的导航控制器，仿真分析了系统稳定性和动态 响应性能， 确定了 PID 控制参数的较佳取值。 针对东方红 X-804 拖拉机转弯半径大的特点， 采用跨行地头转向控制方式， 提出了具体的控制流程及算法。 田间试验结果表明： 采用所设计的 DGPS 自动导航控制系统， 在拖拉机行进速度为 0.8 m/s 时，直线跟踪的最大误差小于 0.15 m，平均跟踪误差小于 0.03 m，所提出的跨行地头转向控制方法对试验拖拉机具有良 好的适用性。 关键词：自动导航，控制系统，拖拉机，DGPS doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.11.025 中图分类号：S219.1，TP242 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2009)-11-0139-07 罗锡文，张智刚，赵祚喜，等.东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统[J].农业工程学报，2009，25(11)：139－145. Luo Xiwen, Zhang Zhigang, Zhao Zuoxi, et al. Design of DGPS navigation control system for Dongfanghong X-804 tractor[J]. Transactions of the CSAE, 2009, 25(11): 139－145. (in Chinese with English abstract)
技术指标 外型尺寸(长×宽×高)/mm×mm×mm 轴距/mm 前轮轮距/mm 后轮轮距/mm 最小离地间隙/mm 转向圆半径/m 前进速度/(km·h-1) 参数值 4260×2170×2875 2314 1630～1960(可调) 1400～2100(可调) 430 5.3（不单边制动） 1.65～27.2 1. 转向前轮 2. 转向油缸 3. 油管 4. 转向器 5. 方向盘 6. 液压转向泵 7. 油箱 8. 安全阀 9. 比例阀 10. 三位四通换向电磁阀 11. 手动切换阀 12. 转向控制器 13.编码盘
向轮偏器设计
拖拉机运动模型 Ellis[4] 最早提出了一种拖拉机的运动学模型用于导 航控制器设计。这个运动学模型是一个二轮车简化模型， 并假设地面平坦、前进速度恒定、轮胎没有侧偏、拖拉 机没有纵侧向滑移。模型表达式如下 Vx tan( ) L
x Vx cos( )

y Vy sin( )
式中：x, y——当前坐标点； ——航向角；Vx ——拖拉 机纵向前进速度；V y ——拖拉机纵向前进速度；L——拖 拉机轴距； ——转向轮偏角。Connor[4]在此基础上，进 一步假设 和 在直线跟踪时是很小的，通过对方程进 行解耦和线性化，建立了标准形式的拖拉机运动状态方 程如下
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农业工程学报
2009 年
适合东方红 X-804 拖拉机的地头转向控制算法。最后， 通过田间试验验证了控制系统的精确性和可靠性。
可进一步扩展驾驶操纵的变速控制单元、作业机具升降 控制单元等。