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    基于模糊控制的农机自动导航控制系统研究    Reference：为实现农用拖拉机的自动导航控制，提高农用拖拉机智能化、自动化水平，以福田雷沃M1000-D拖拉机为平台，研究农机路径导航的自适应模糊控制策略，开发农机自动导航系统的CAN数据收发模块、北斗定位模块、角度信息采集模块以及转向控制模块等关键CAN节点的软硬件技术现场试验表明，运用模糊控制算法策略，设计的农机自动导航控制系统能够快速、准确地跟踪预设路径Keys：模糊控制；CAN网络；自动导航；控制TP273+.5： A：1002-1302（2017）17-0241-05收稿日期：2017-02-27基金项目：2016年度广西壮族自治区中青年教师基础能力提升项目（编号：KY2016YB628）作者简介：张叶茂（1983—）男，广西南宁人，硕士研究生，讲师，研究方向为智能控制、嵌入式应用E-mail：[email protected]近年来，“精细化农业”的概念随着计算机和信息技术的发展被广泛认可和推广农用拖拉机被广泛应用在牵引和挂载农具实现耕地、播种、收割、施肥等日常的农田工作农机的自动化是实现精细化农业的关键技术之一[1]。

将自动导航驾驶技术应用在农机设备上，一方面可以让生产工人从单一、重复而繁重的劳动中解放出来，另一方面可以有效降低生产过程中人为造成的重复作业及漏作业等现象，提高农业施工精度拖拉机系统本身是一个非线性的时变复杂系统，农田地况复杂，加之轮胎与地面相互作用的高度非线性，难以建立精确的数学模型，本研究采用自适应模糊控制算法决策出前轮期望转角，以北斗导航及各种CAN网络节点模块为研究对象，构建拖拉机自动导航控制系统1系统总体设计农机自动导航控制系统可以分为多个功能单元节点，主要包括车载终端节点、定位节点、转向控制节点等采用CAN总线将各个节点连接起来形成分布式控制系统，ISO11783协议作为各节点数据通信及接口设计标准系统总体设计框图如图1所示系统工作时，定位节点首先通过北斗导航接收模块和电子罗盘获得机车当前位置、姿态方位信息，并将这些信息通过CAN总线传输给车载终端节点，车载终端节点将车辆当前位置、姿态和预设路径进行比对，运用自适应模糊控制策略决策出前轮期望转角转向控制节点的角度传感器模块负责实时采集前輪实际转向角，以前轮实际转向角和期望转角为输入量，运用模糊PID算法决策出合适的输出量，控制转向执行机构动作跟踪期望转角，实现农机自动路径导航控制。

车载终端节点除了实现导航路径期望转角决策外，还实现人机交互功能，操作员可以通过工控触摸屏进行信息显示、预设路径及其他功能设置等2农机路径导航的自适应模糊控制策略农用拖拉机的转向控制精度是实现农机自动导航的关键因素之一农业场地路况复杂，拖拉机轮胎与地面之间接触关系非线性，加之拖拉机本身的时变性和不确定性等因素的原因，难以建立精确的数学模型自适应模糊控制策略具有不依赖精确数学模型，能够在控制过程中不同阶段进行参数调整，有较好的鲁棒性的优点本研究的研究平台为福田雷沃M1000-D拖拉机假定拖拉机按照预设基准线AB进行导航跟踪由北斗接收器接收A、B点的经纬度便可以计算出基准线AB与中原地区中央子午线正北方的夹角θ1，由车载三维电子罗盘可以计算出当前拖拉机行走方向与中原地区中央子午线正北方的夹角θ2，则实际航向角偏差e=θ1-θ2通过接收拖拉机当前位置的经纬度，可以计算出当前机车位置与基准线AB的实际横向偏差d将e和d分别量化后得到航向角偏差量化值E和横向偏差量化值D，作为二维模糊控制器的输入，以拖拉机前轮的期望输出转角为输出，并用U和u分别表示输出值的模糊量和精确量设计的路径导航自适应模糊控制器原理图如图2所示[2]。

其中Ke为航向角偏差的量化因子，Kd为横向偏差量化因子，Ku为期望输出转角的量化因子α和β均为调节加权因子，其定义域为[0，1]为简化运算，模糊控制器输入输出量的隶属函数均采用三角形隶属函数设定航向角偏差量化值E和横向偏差量化值D以及期望输出角度模糊量U划分为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}7个模糊子集，并分别用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}表示[3]设定横向偏差d的基本论域为[-30 cm，30 cm]，量化因子Kd为0.5，量化等级为[-15，-14，-13，-12，-11，-10，-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15]航向角度偏差e的基本论域为[-20°，20°]，量化因子Ke为0.75，量化等级与横向偏差的量化等级相同期望输出转角u基本论域为[-15°，15°]，量化因子Ku为1，则量化等级与横向偏差的量化等级相同当前车辆位于基准线AB左侧时，横向偏差量化等级取负号，否则取正号；当航向角度偏差<0时，航向角度偏差量化等级取负号，否则取正号；当前轮期望输出角度需逆时针转动时，期望输出转角量化等级取负号，否则取正号。

对于二维模糊控制器，当输入变量和输出变量的论域划分相等时，模糊规则查询可以按照以下解析式（1）运算查询1）从解析式（1）及图2可知，通过调节α的值，可以调节横向偏差和航向角偏差的权重当横向偏差较大时，通过增大α的值可以提高横向偏差的加权，尽快消除横向偏差，同时增大β的值，使系统有较大的控制输出，快速减少和期望路径的距离当横向偏差较小时，减少α的值，即可提高航向角度偏差调节的权值，快速调整机车姿态角，同时减少β的值，采用微小控制输出，使系统尽快平稳可采用粒子群算法和遗传算法对模糊控制的修正因子和输出比例因子进行整点，以达到自适应控制的目的采用解析式的模糊控制器可以更加进一步细化变量论域，提高计算效率，避免常规模糊控制的繁琐查表法，提高系统的精度endprint3系统硬件电路设计系统的硬件设计主要包括车载终端节点、定位节点和转向控制节点的设计各节点处理器均采用32位高性能处理器STM32F103ZET6，CAN收发电路均采用TJA1050T芯片设计车载终端节点主要实现导航期望角決策和人机交互功能，采用广州大彩电子有限公司10.4″工控串口触摸屏进行路径预设和功能设置定位节点主要采集拖拉机当前位置和姿态角，硬件包括北斗接收模块电路和电子罗盘，本研究采用的HEC365是慧联科技的一款高精度全姿态三维电子罗盘，在360°倾角范围都能提供高精度的航向信息，精度达到 ±0.3°。

转向控制节点实现拖拉机前轮转向，硬件包括前轮转向角度测试电路和转向控制模块3.1CAN收发电路CAN总线作为一种支持实时分布式控制的串行总线，被广泛地应用于工业自动化、船舶、农业机械等方面ISO11783是ISO为农业机械设备数据通信及接口设计所定义的在CAN2.0B上实现的高层协议[4]本研究应用基于ISO11783标准的CAN总线构建农机自动导航的通信网络CAN总线通信硬件原理如图3所示本设计中，节点处理器STM32F103ZET6内置CAN总线协议控制器，外接PHILIP公司的TJA1050T CAN总线驱动芯片和适当的抗干扰电路就很容易建立一个CAN总线智能监控节点控制器的CAN信号接收引脚RX和发送引脚TX采用高速光耦6N137进行电气隔离后连接到TJA1050T的RXD和TXD端[5]光耦部分的VA和VB必须通过DC-DC模块或者是带有多个隔离输出的开关电源模块进行隔离为防止过流冲击，TJA1050T的CANH和CANL引脚各通过一个5 Ω的电阻连接到总线上，并在CANH和CANL脚与地之间并联2个30 P的电容用于滤除总线上高频干扰而防雷击管D1和D2可以起到发生瞬变干扰时的保护作用。

TJA1050T的第8脚连接到STM32F103ZET6的一个端口用于模式选择，TJA1050T有2种工作模式用于选择，分别为高速模式和静音模式TJA1050T正常工作在高速模式，而在静音模式下，TJA1050T的发送器被禁能，执行只听功能，可用于防止由于CAN控制器失控而造成的网络阻塞[6]3.2北斗定位模块设计北斗导航系统自从2012年正式向亚太区域提供服务以来，作为战略性产业，经过数年的发展，形成了覆盖基础产业、应用端口、系统应用以及运营服务等比较完善的产业链国产的北斗核心芯片、模块等关键技术取得迅速发展，其性能已经和国际同类产品性能相当，到2020年，我国将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统[7]北斗导航系统不仅可以对移动的目标进行定位，同时在不需要其他通信模块的情况下可实现双向通信功能，每次支持最大36个汉字指令，控制室的操作人员可以通过导航系统直接对拖拉机进行远程控制， 极大地方便无人驾驶拖拉机的远程控制本研究采用SkyTraq公司推出的S1216F8-BD北斗/GPS双模接收器，该接收器具备167追踪频道，跟踪灵敏度为-165 dbm，冷启动定位时间为29 s，热启动定位时间为1 s，具有2.5 m圆概率误差精度等优良特点。

图4为北斗接收器芯片与处理器连接电路原理图S1216F8-BD支持多种通信波特率，默认波特率为 38 400，也可以通过串口设置，并保存在模块内部FLASH中S1216F8-BD模块采用3.3 V供电，其PPS引脚为时钟脉冲输出引脚，端口输出特性可以通过程序设定，当电路中 PPS_LED 指示灯常亮时，表示模块未定位当PPS_LED指示灯闪烁时（500 ms亮，500 ms灭），表示定位成功图中IPX端口用来外接有源天线，有源天线放在农机车辆顶端，更好地利于接收北斗信号本电路BAT可充电后备电池可以维持半小时的北斗/GPS星历数据的保存，支持热启动，从而实现快速定位模块的RXD和TXD引脚接120 Ω电阻，主要用于输出电平兼容处理定位模块的RXD和TXD端分别与STM32F103ZET6串口3的TX1和RX1端口连接通过工控触摸屏，可以获得北斗/GPS信息，包括精度、纬度、高度、速度、用于定位的卫星数量、可见卫星数、UTC时间等信息3.3角位移信息采集模块角位移传感器在自动转向控制中为反馈元件，实时采集方向轮转动的转角值在自动导航驾驶时，转向控制节点接收定位节点传来的期望转角值，并与角位移传感器测得的拖拉机前轮当前角度进行比对，得出转角差值，控制转向执行机构自动转向。

依据角位移传感器工作电压、量程、精度、分辨率、输出信号等主要参数入手，本研究采用北京通磁伟业传感技术有限公司的WYT-AT-3-360无触点角度传感器采集车辆前轮转角值该传感器可以将机械转动化为标准电信号输出，可全量程无触点地测量转角的角度变化，并具有耐水、耐油、抗震动和寿命长的特点，非常适合农业场地的作业环境在安装时，应保证角度传感器的轴与前轮转动轴同轴心，并保证工作电源电压稳定在要求范围内由于WYT-AT-3-360是电流输出型传感器，输出信号为4～20 mA，采用电流环接收芯片RCV420将传感器产生的电流信号直接转换成电压信号，再经过OP07放大电路将电压按比例转换成0～3.3 V 后送入转向控制节点处理器的AD采集端口节点处理器STM32F103ZET6自带8路10位分辨率的AD，完全满足系统精度要求角度信息采集电路设计原理如图5所示3.4转向控制模块在自动导航过程中，经过车载终端节点计算出期望转角后，将该值通过CAN总线传送给转向控制节点，转向控制节点不断比对期望值与角度传感器采集的前轮反馈值，控制转向机构，实现自动转向转向控制主要是通过油缸推动活塞杆来驱动方向轮本研究在保留原有液压转向系统不变的情况下，并联同型号的全液压转向器（BZZ1-100转向器）。

通过安装两位三通电磁换向阀实现手动和自动转向控制人工驾驶模式下，电磁阀断电不动作，液压油由液压泵流出进入方向盘联动的转向器，实现人工转向；当自动导航模式下，电磁。