智能采棉机自动对行辅助驾驶控制技术研究

　　摘要:为提高采棉机采收效率，降低驾驶员劳动强度，开发采棉机自动对行系统具有重要意义和实用价值。为此，采用机械机构碰撞棉花植株队列的方法，研究其碰撞规律、机械运动原理及采棉机转弯控制方式等内容，开发出能够对采棉机速度自适应的自动对行技术。工作时，通过实时采集车体航向和棉花队列之间的相对角度信息以及后轮的当前位置状态，经速度参数自适应的PID算法得到理想控制电压，由电压控制采棉机上的液压控制器，进而控制后轮转向;通过判断后轮位置传感器状态限制转向角度，并及时控制后轮回正，实现采棉机自动对行的功能。田间试验结果表明:采棉机可以长时间自动对行连续作业，作业结果满足采棉需求。

　　关键词:采棉机;辅助驾驶;自动对行;速度参数自适应PID

　　0引言

　　采棉机属于大型农业机械，机械结构复杂，操作复杂度高，在新疆等大面积棉花种植区逐渐广泛应用，在棉花采摘方面扮演着十分重要的角色。为提高采棉机采收效率，降低驾驶员劳动强度，开发采棉机自动对行系统具有重要意义和实用价值。近年来，自动导航、自主驾驶技术在农业机械上得到越来越多的研究和应用[1-4]，通常采用高精度RTK卫星定位技术实现AB线导航，主要应用于不需要对行的田间作业;采棉机采收作业时，不只是需要实现AB线的行驶，还需要使采头机构始终对准棉垄。

　　目前，国外部分机型上应用了自动对行技术，如美国约翰迪尔的采棉机;国产机型主要依赖人工对行驾驶，自动对行研究尚为空白。类似的需要对行作业的机械有玉米收获机、水稻除草机等，有相关的自动对行技术研究，主要采用机器视觉[5-7]或机械碰撞[8-10]两种方式。笔者根据采棉作业的实际情况，研究了一种基于机械碰撞靴航向偏差角检测和后轮转角控制的采棉机自动对行控制系统。

　　1采棉机自动对行机械设计

　　1.1航向偏差检测装置设计

　　航向偏差检测装置用于检测采棉机行驶方向相对于棉垄方向的偏差，由3根连杆、两个碰撞靴、传感器安装支撑结构、高精度角度传感器及其相关配件组成。

　　角度传感器选用钛克迈机电科技有限公司的RFC4801系列角度传感器。该传感器是非接触式传感器，由传感器母端和磁珠两个独立的元件组成，可通过感知条形磁铁磁场方向的变化测量角度，输出4～20mA的电流。航向偏差检测装置安装在采头内侧，采棉机在作业时由于存在实时对行偏差，棉花植株会在不同的位置碰撞到左侧或右侧的碰撞靴，带动连杆绕固定轴旋转;磁珠固定在连杆上与连杆同心旋转，传感器母端经支撑架固定于U型槽钢上，角度传感器检测出不同的偏差角度，输出至自动 对行控制器。

　　当棉花植株碰到左侧碰撞靴时，表示航向偏向左侧了，输出偏差角度为-90°～0°;当碰到右侧碰撞靴时，表示航向偏向右侧了，输出偏差角度为0°～90°;当棉花植株从中间通过时，表示航向与棉株方向对齐，输出偏差角度为0°。通过计算和标定，可以得到碰撞靴横向运动和传感器输出模拟量之间的一一对应关系，进而可以将航向偏差与输出模拟量之间的关系转化为碰撞靴横向偏差与输出模拟量之间的关系，即d∝I。由此关系可得出航向偏差，进而通过算法控制对行。

　　1.2转向控制与轮转角检测

　　采棉机作业期间，通过控制后轮实现转向，自动对行控制器控制液压控制器进而控制后轮的转向角速度和转向方向，却无法直接控制转向角度。因此，在后轮转向液压杆上安装拉线传感器，实时测量液压杆长度。通过计算和标定，可以得出后轮转向角度和拉线传感器拉线长度的一一对应关系，即转向角Ø与传感器输出I的一一对应关系，即Ø∝I。由此可实时得到采棉机后轮状态，实现对后轮的闭环控制。

　　2自动对行控制原理

　　采棉机在自动对行作业时，自动对行控制器实时采集和计算航向偏差角、行走速度和后轮转向角，根据航向偏差角判断对行的偏离程度，采用自动对行控制方法，输出0～10V电压信号到液压控制器，进而由液压控制器控制转向液压杆驱动后轮转向，实现自动对行。

　　采棉机在自动对行作业期间方向盘不会随采棉机转向而自动转动，但方向盘仍然具有控制功能，可人为干预控制，手动控制优先级最高。收获作业时，设备上电后可根据不同采棉机的个体差异选择一键校准传感器“中位”值;启动自动对行，自动对行控制器会实时监测航向是否偏离棉花队列，若偏离则控制采棉机向棉花队列靠拢。同时，实时监测是否关闭自动对行功能。

　　3自动对行控制器设计

　　3.1硬件设计

　　自动对行控制器采用的主控芯片STMF107VCT6，运行稳定，满足本文使用功能。CAN通信芯片使用CTM1051AM，内置保护电路，相较VP230抗干扰能力更强;DA芯片使用MCP4728，有4个12位DA转换通道，通过I2C与主控芯片通信，控制板供电由车上电源供电(24V)。自动对行程序功能模块主要由一键校准程序模块、自动对行实时控制程序模块、在线修改PID参数程序模块3部分组成，其中，一键校准解决个体差异问题。当采棉机航向偏差检测装置和后轮处于中位时，一键校准;在线修改PID参数由车载智能显示器来完成，通过CAN通信实时更新到控制板中，实时调优控制。

　　4采棉机自动对行试验

　　实地试验采用4MZ-6A型六行采棉机，安装航向偏差检测机械结构(内含角度传感器)、速度传感器、后轮转向拉线传感器及自动对行控制器。试验在新疆某处待收获的棉花田进行，棉花队列是双行紧凑形式。因种植过程不是完全标准尺寸，纵向行距与横向行距均为10cm左右，采棉机采头机组采用机械仿形，试验过程中采头机组离地高度较为稳定。

　　首先，驾驶员以2～5km/h的动态速度手动控制采棉机收获。此时，自动对行控制器以5Hz/s的频率采集采棉机各个传感器的动态值并打印到文件中。手动驾驶时，采棉机能够正常收获棉花，对行效果较为理想。通过计算转换，采棉机在手动控制时航向偏差在±3°以内。

　　接着，驾驶员在采棉机正常作业期间启动自动对行功能，此时采棉机依然能够正常作业，对采集的数据计算得出其航向偏差变化基本都在±2.5°以内，满足作业要求。对比手动驾驶，自动对行模式下航向偏差略优于手动模式，行驶稳定，可以连续长时间自动对行作业。

　　5结论

　　1)提出了一种新的采棉机自动对行控制方式及机械结构，通过自动对行控制器采集采棉机航向、后轮角度状态，经速度参数适应的PID算法处理控制采棉机转向，进而影响航向，形成闭环自动控制。同时，应用于某六行采棉机中，在新疆实地测试验证了该方案的可行性。

　　2)实地测试中，采棉机以2～5km/h作业，利用适应速度的PID控制，增加了其对速度的适应能力。对比人工驾驶采棉机对行，自动对行控制系统控制采棉机航向偏差小和效果更好，满足采棉作业要求

　　3)采棉机自动对行控制技术是手动驾驶的一种有效辅助，仅适用于手动对准连续的棉株队列后切换为自动对行，棉株不连续时容易走偏后无法自动回正，且尚不具有自动掉头和路径规划等功能。因此，后续拟结合高精度RTK定位技术和视觉对行技术，逐步实现采棉机无人驾驶。

　　参考文献:

　　[1]刘成良，林洪振，李彦明，等.农业装备智能控制技术研究现状与发展趋势分析[J].农业机械学报，2020，51(1):1-18.

　　[2]张漫，季宇寒，李世超，等.农业机械导航技术研究进展[J].农业机械学报，2020，51(4):1-18.

　　[3]李志腾，李彦明，唐小涛，等.水稻穴直播机自主驾驶控制系统设计[J].农机化研究，2019，41(2):150-154.

　　[4]张健，郭守杰，杨然兵，等.基于STM32F7的农业机械自动导航作业控制器[J].农机化研究，2021，43(5):73- 78.

　　[5]田光兆，顾宝兴，IrshadAliMari，等.基于三目视觉的自主导航拖拉机行驶轨迹预测方法及试验[J].农业工程学报，2018，34(19):40-45.

　　[6]QIWANG，CHAGNSONGYANG，SHAOENWU.Applicationofvisionaidedstrapdownintegratednavigationinlanevehicles[J].Internationaljournalofembeddedsystems，2020，13(1):121-127.

　　[7]梁习卉子，陈兵旗，姜秋慧，等.基于图像处理的玉米收割机导航路线检测方法[J].农业工程学报，2016，32(22):43-49.

　　[8]陈刚，周平，孙宜田，等.机械接触式导航控制系统的研究与试验[J].农机化研究，2017，39(8):186-190.

　　作者：苗中华，田大庆，何创新，李楠