自动导航插秧机转向控制系统设计

赵熙玮

(青岛工学院 山东胶州 266300)

1 绪论

作为农业机械自动导航控制的基础，自动转向控制也是导航系统的关键执行环节，能够影响导航的工作效果。作为最常用的自动转向控制方法，电机控制法和电控液压控制法有不同的特点。第一种方法系统不需要大的改动，但在切换手动自动时结构繁杂，传动机构安装要求严格，对不同的插秧机适应性较弱。针对这个特点，采用电动方向盘对机器进行改造。针对插秧机水田作业控制阻力多变化，阻力大的特点，重新设计转向机构的模型，采用带死区的嵌套控制算法，通过仿真和具体环境的实际效果，来验证电动方向盘自动转向控制的适应性。

2 系统设计

硬件设计部分主要包含：电动方向盘的转向机构设计、轮角传感器的应用和转向控制器。软件方面主要包含：转向系统模型的设计、转向控制算法的设计和嵌套算法的仿真。

固定部分加上转动部分组成了电动方向盘的结构。固定部分主要包含圆柱形电气的电子部分，使用固定支架安装在转向轴的固定筒上；转动部分上端固定在转子上，下端连接到转向柱上，主要组成为花键套、方向盘和转子。轮角传感器主要作用为控制转向，影响精度，根据具体情况采用间接测量的方法，得到插秧机前轮转角旋转的角度。转向控制器运算和决策，实现对应的通信功能，电动方向盘控制对应的角度与速度，形成一个闭环的控制系统。

针对阻力大、粘附力大等具体的水田工作环境设计，采用MATLAB进行仿真，选择传递函数对模型进行辨识，设计带死区的嵌套控制算法，最终确定转向系统的模型。对内环速度的控制、外环角速度的控制，分别采用位置式的PID算法和增量式的PID前馈算法。结合各个环节的间隙问题、自由行程问题，实现控制的稳定性，表面操作的频繁性，辅以双阀值的设置，通过仿真实验，观察系统的稳定性和动态性，实现良好的控制效果，为实地作业提供充实的理论基础。

3 实地实验结果分析

根据水田插秧的工作环境，实验设计为三种，包含正弦波转向跟踪实验、小角度控制性能实验、大角度控制性能实验。实验的目的主要是验证电动方向盘转向控制系统在水田作业环境下的适用效果。实验条件下，由导航控制器提供对应的目标速度和目标角度，数据采集的工作由转向控制器来完成。正弦波转向跟踪实验主要是用在平坦的路面上进行，观察转向特性的稳定性。小角度控制性能实验主要在水田环境中，包含平坦及不平坦的泥底层。实验主要验证直线行驶，小角度跟踪，转向控制等性能的效果。大角度控制性能实验主要是田地边缘自动调头，观察电动方向盘在大角度情况下的转向效果。在各种实验环境下，插秧机都需要从起点开始进行直线行驶或者有角度行驶，同步记录转向控制的目标角度与反馈角度等实验数据，参考的参数还有信号频率、角度幅值，用以判断控制的稳定性及动态响应。

通过整个实验，表明在大角度工作情况下，电动方向盘控制速度较快，超调及震荡基本无影响。在小角度工作情况下，控制迟滞出现在底部淤泥阻力较大时，此时需要增大控制力矩，前轮开始转向，来完成对应的控制目标。在工况良好的环境下，控制快速，驱动良好。总之，电动方向盘的控制系统能够良好的完成各种工作。

4 结论

本文以一种型号的水稻插秧机作为工作平台，参考自动导航插秧机在水田作业环境下的转向控制特征，设计出电动方向盘的转向控制系统，设计对应的转向系统的二阶系统模型，辅助MATLAB软件中的Identification工具箱，进行系统模型参数的辨识，选择转向模型的最优工作系数。算法上采用了带死区的嵌套控制算法，构建Simulink仿真模型，对方波及正弦波的信号，进行了相关信号测试，验证了控制算法的可行性。插秧机在对应的正弦波转向角、延时情况下，不同的泥底层环境下，对相关的控制滞后进行了适当的调节，稳态误差、超调及调节时间符合调节要求。三种不同的插秧机实验结果表明，基于电动方向盘的转向控制系统的稳定性、动态响应、控制效果等方面都满足了自动导航插秧机转向控制的要求。