电涡流传感器在收割机寻迹导航上的应用

　　摘要:为了提高收割机寻迹导航时的距离测量精度，实现自主导航，将电涡流传感器引入到了寻迹导航系统的设计上。通过传感器对移动收割机和跟踪收割机距离的精确测量，以及PID控制器对寻迹误差的反馈调节，实现了较高精度的寻迹导航。以运输车辆对收割机的寻迹导航为例，对基于PID电涡流的寻迹导航系统进行了测试，结果表明:PID电涡流寻迹导航相对于短波测距寻迹导航的精度更高，与收割机与运输车期望保持的距离更接近。

　　关键词:收割机;寻迹导航;电涡流传感器;PID控制器

　　0引言

　　自动导航控制技术是一种车辆自主沿规划路径行驶的反馈控制，应用于设施农业中可以将作业者从繁重、单一、重复的生产过程中解放出来。在收割机作业时，特别是多收割机一起作业时，往往需要保持一定的距离共同作业，因此需要引入实时距离测量装置。电涡流传感器在非接触测量物体的情况下可以测量各种物理量，将其引入到收割机寻迹导航系统中，可以为导航系统提供精确的数据支持，对于寻迹导航能力的提升具有重要的作用。

　　1电涡流传感器在导航系统上的应用

　　自动导航是实现收割机无人驾驶自主作业的前提，主要由3部分构成:一是硬件部分，利用传感器对收割机的作业姿态进行实时精确测量;二是路径部分，通过规划合理的行驶和作业路径，可以明显地提高无人驾驶收割机的作业效率;三是控制算法，通过智能化控制算法对自主作业时的误差进行修正，提高作业质量。

　　在收割机自主导航设计时，如果收割机在作业时需要由运输车辆跟随，在无人驾驶时需要自动实时测量收割机和运输车的间距，才能够保证收割机和运输车以一定的距离行驶，完成自主作业。电涡流传感器在不接触测量物体的情况下可以测量静态和动态相对位移，工作可靠性好，测量范围宽，灵敏度和分辨率都较高。由于被测量物理量是距离，不属于电量，则采集得到距离后需要利用传感器转换为电量，从而可以直接读数;反馈系统根据测量得到的距离，对距离进行调整，以达到自主追踪导航的目的。

　　2基于涡流测距和PID的寻迹导航算法

　　电涡流传感器主要由两部分组成，即线圈探头和金属导体探头。根据法拉第电磁感应定律，在线圈中通入交变电流i1后会产生一个交变磁场H1，从而使金属导体探头产生一个感应电流i2，这个电流被称为电涡流。由于电涡流的存在，在空间内会形成一个新的磁场H2，该磁场和H1相反，通过对磁场的削弱作用，使线圈的等效电阻发生变化。

　　等效电阻变化的范围与金属导体的电阻率ρ、磁导率μ以及金属和线圈之间的距离x有关。在这些参数中，只留阻抗和一个参数是变化的，其他是不变的，则阻抗会成为这个参数的单值函数，从而可以测定一些物理量。涡流传感器采集到追踪车辆和移动车辆后之间的距离后，根据期望两车之间保持的距离，确定追踪偏差;PID控制器将反馈偏差传送给控制系统，保证偏差在允许误差范围内的情况下确定驱动力，继续导航。

　　3收割机寻迹跟踪导航测试

　　在联合收割机作业过程中，其侧面需要跟随运输车辆，运输车辆将联合收割机收割的作物收集后，运输到指定位置后完成收割作业。在运输车辆跟随联合收割机的过程中，如果出现偏差会导致收割的作物没有被收集到运输车上，从而造成粮食的浪费。特别是在无人驾驶收割机作业时，为了保证收割作业能正常进行，必须保证无人驾驶收割机和无人驾驶运输车保持一定的距离行驶，实现自动化作业。

　　在收割机和运输车辆保持一定距离行进时，如果是在无人驾驶的情况下，车辆控制系统需要有精准实时测距和距离误差反馈功能。电涡流传感器可以将距离转化为电流或者电压信号，通过检波、滤波、线性补偿和归一化处理等，能够有效提高测量精度。因此，可将其使用在收割机的实时测距系统上，并利用PID反馈调节控制距离偏差，实现自动化控制。电涡流式传感器能够在不接触测量物体的情况下实现连续性的实时测量，可以测量的物理量包括距离、厚度、温度、速度和应力等。传感器的体积小，灵敏度高，安装方便，可以将其直接安装在收割机和运输车上，实现距离的实时测量。PID控制器也可以嵌入到联合收割机控制台上。

　　为了验证PID电涡流追踪导航的可行性和可靠性，将PID电涡流追踪导航和短波测距追踪导航进行了对比。首先，测试短波测距的追踪导航误差。在测试过程中，不同的时间设置了不同的期望距离，通过对实际距离和期望距离对比可以发现:短波测距在两个时间段内存在较大的误差，达不到准确和稳定追踪的效果。在与短波测距实验条件相同的情况下，对PID电涡流测距的追踪误差进行了测试。采用PID电涡流传感器得到的追踪精度要明显比短波测距高，从而验证了方案的可靠性。

　　4结论

　　在收割机寻迹导航系统的设计上引入了电涡流 距离测量装置，实现了收割机寻迹导航时距离的测量。将装置应用到收割机与运输车距离的测量上，可以在无人驾驶情况下实现收割机和运输车一起行驶，完成自主化作业。为了验证该方案的可行性，对基于PID的电涡流测距追踪误差进行了测试，并引入了短波测距追踪误差对比组，结果表明:采用PID电涡流传感器的追踪导航精度要明显比短波测距高，可以满足设计需求。

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　　作者：刘婷婷，杨云