基于模糊控制的农机自动导航控制系统研究

摘要：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。

关键词：模糊控制；CAN网络；自动导航；控制

中图分类号： TP273+.5文献标志码： A文章编号：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：zhangyemaocg@126.com。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。

U=-<αD+（1-α）E>。（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在线整点，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。endprint

3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，电磁阀通电动作，液压油由液压泵流出进入并联的全液压转向器。endprint

全液压转向器的转动由加装的步进电机联动，处理器根据期望转角大小和角度传感器测得的实际转角之间的偏差值，计算出给定步进电机驱动器的脉冲个数和频率来调节步进电机的转角和转速，从而控制前轮的转角与转速，实现自动转向。两位三通电磁换向阀供电参数为DC24 V，额定功率30 W，最大流量为50 L/min。为保证驾驶模式切换安全快速，设计电磁换向阀驱动电路，如图6所示。其中，光耦6N137为信号隔离保护电路，三极管Q1和R2电阻组成光电信号放大电路，二极管D2是防止继电器线圈反向感应电压击穿三极管。本研究采用的步进电机型号为TEC1115三相步进电机，该电机的步距角为1.2°，静力矩为12 NM。微处理器通过给定脉冲数可以改变步进电机的转角值，通过改变脉冲频率可以控制电机的转动速度。

4系统软件设计

4.1CAN数据收发

农机自动导航控制系统的各节点采用CAN网络实现数据交互，根据ISO11783标准，数据帧报文最长为8字节，当传输的报文数据>8字节时，需要分2个数据帧格式传输。导航数据以ASC-Ⅱ码的形式进行传输，北斗导航经纬度及路径坐标数据信息都以2个数据帧进行传输。CAN总线的通信程序编写主要包括CAN接收报文和CAN发送报文2个主要部分。CAN通信协议通过STM32F103ZET6相关报文寄存器与CAN控制器进行报文交互。CAN通信程序首先要对CAN控制器及接收与发送缓冲器进行初始化，主要涉及通信波特率、验收波特率等参数的设置。节点从CAN总线接收报文时，只有接收数据标志位和验收滤波器相同时，才进行FIFO缓冲区空间判断，当缓冲区未满时，进行数据接收，接收完毕后释放缓冲区。节点发送报文时，先读取状态寄存器SR，当标志位为非忙时，再判断缓冲区是否为空，为空时，将要发送数据的报文类型、报文长度、报文ID号以及报文数据依次写入缓冲区，再开启发送。CAN总线接收和发送数据处理流程如图7所示。

4.2北斗信息解析

北斗卫星模块接收信号后，导航芯片将所接收到信号处理成字段头为$BD的NMEA-0183标准报文格式后，通过串口发送给定位CAN节点处理器STM32F103ZET6。处理器接收到串口数据后，将数据分割成以导航语句为基本单元的多个片段，然后，在相应的数据域的对应字段中提取导航的定位参数，并对一部分数据进行数据转换，完成导航数据的解析。图8为北斗导航数据解析软件流程图[8]。

4.3角度信息采集

角位移传感器以电流信号形式输出，经过电流-电压电路转换后，送入转向控制CAN节点处理器的AD输入口。STM32F103ZET6具有8路10位分辨率的ADC采集接口，采样电压测试范围为0～3.3 V。A/D转换的计算公式如式（2）所示：

D1 024=VIN-VAGNDVREF-VAGND。（2）

式中：VIN为输入通道的电压，VAGND为A/D转换的模拟地，VREF为A/D转换的模拟参考电压3.3 V，D为转换的结果。ADC角度信息采集程序流程图如图9所示。为提高数据的采样精度和平滑性，转换结果采用中值滤波进行数据处理，图中i表示连续采样数据的次数，最后取中间值为此时刻的输出。本研究设定拖拉机前轮打正时，角度传感器的输出角度为零度，右转为正方向，左转为负。准确的零度位置和精确的角度反馈是自动转向精度的保障，所以需要先对角度传感器进行标定。传统的人工标定受传感器安装的误差影响使得零度位置不够精确。本研究介绍一种角度传感器自动标定方法：利用北斗卫星确定拖拉机从起点到终点的作业直线，每隔0.5 m自动存储拖拉机当前位置坐标及角度传感器的值，筛选出处于直线上的值，并剔除位置坐标误差超过±5%所对应的角度传感器的值。对取得的数据进行中值滤波处理，最后得到的值为拖拉机自动导航过程中的角度中位标定参考位置。

5结论

运用CAN总线作为通信网络，设计集车载终端节点、定位节点和转向控制节点于一体的农用拖拉机分布式自动导航控制系统。采用模糊自適应控制策略，实现转向控制系统对期望转角值的实时稳态跟踪。经过农田试验测试表明：系统可以实时接收控制指令、采集并处理各传感器模块数据，各节点通过CAN网络进行数据交互，有效实现农用拖拉机自动导航控制。该系统稳定可靠，可快速、准确跟踪预设路径。

参考文献：

[1]周岩，王雪瑞. 基于WSN的智能农机自动导航控制系统研究[J]. 计算机测量与控制，2015，23（9）：3038-3041.

[2]庄新斌，宣传忠，陈智，等. 草籽喷播机自动导航控制器的研究[J]. 农机化研究，2015（10）：60-63.

[3]纪朝凤，刘刚，周建军，等. 基于CAN总线的农业车辆自动导航控制系统[J]. 农业机械学报，2009，40（增刊1）：28-32.

[4]张琳洁，张文爱，韩应征，等. 农业机械导航关键技术发展分析[J]. 农机化研究，2016，38（6）：10-15，25.

[5]莫莉，张叶茂. 基于CAN总线的嵌入式监控网络智能节点设计[J]. 轻工科技，2012（4）：82-83.

[6]计小军，王东兴. 基于CAN总线的智能馈线终端的研究[J]. 微计算机信息，2006，22（2-2）：111-113.

[7]刘红，王珊婷，冯思宇，等. 基于北斗导航的车载监控系统[J]. 计算机测量与控制，2014，22（11）：3562-3563.

[8]张雷. 基于北斗导航的车载定位终端设计与实现[J]. 工业控制计算机，2016，29（7）：66-67.汪磊，张觉文. 基于主成分聚类分析的山东省土地生态安全评价及其影响因素分析[J]. 江苏农业科学，2017，45（17）：246-250.endprint