基于北斗的圆平喷灌机行走模型与试验

张桐林，高江永，侯永胜，史海玲，翟学迪

(中国农业机械化科学研究院，北京100083)

0 引言

我国人均可耕地总量低，且耕地地块形状多样，传统圆形喷灌机工作区域为圆形，平移喷灌机工作区域为矩形，两种机型对地块的适应性均较差。为了提高有效灌溉面积和降低农民对机器成本投入，开发了一种具有完全自主知识产权的圆形与平移功能一体化喷灌机(以下简称圆平喷灌机)。圆平喷灌机对地块形状具有良好的适应性，可以完成圆形、矩形、跑马场形、T形和L形等多种形状地块的作业。由于适用地形复杂，圆平喷灌机行走必须要配备导航系统或装置。传统圆形喷灌机不需要导航系统，平移喷灌机需要行走方向控制系统，常用的机械装置或系统有沟槽、钢索和地埋电磁线等[1]。此外，也有国外某些喷灌机供货商采用GPS卫星定位系统进行导航的报道[2-3]。由于行走轨迹航向并不是单一直线，所以圆平喷灌机不适用传统的沟槽和钢索等导航方式，采用卫星导航系统成为圆平喷灌机导航的首选措施。在国内研究与应用方面，将卫星定位系统应用于喷灌机，常见用途为位置定位与反馈，应用于导航方面的相关研究较少[4-6]。

目前，卫星导航系统在农业机械作业与导航中应用广泛。随着精准农业和农机智能化日益受到关注，采用卫星导航系统完成农机定位、行走导航和作业监控成为农业机械化与智能化的首要选择。我国的北斗卫星导航系统(DBS)提供的定位、导航等服务功能均等同于GPS系统，从现有农机等领域的应用研究成果看，北斗系统应用于圆平喷灌机导航符合精度等方面的要求[7-13]。

鉴于上述原因，首先介绍了基于北斗的圆平喷灌机的整机结构和工作原理，建立了行走数学模型，并分析了对机组调控中的关键问题。基于北斗RTK系统，构建了用于圆平喷灌机定位、圆形平移功能转换、行走导航和姿态调控的行走调控模型。通过样机试制与现场试验，验证了模型的正确性。该喷灌机的研究和应用对提高农牧用地的可灌溉面积和推动农机智能化具有重要意义。

1 整机结构

基于北斗的圆平喷灌机主要包括中心车、桁架、北斗定位系统、电控系统和喷洒系统5个典型部分，如图1所示。

1.1中心车

中心车结构如图2所示，包括输水管、支架、电控箱、电机与减速器、传动轴、车轮减速器和车轮7部分。中心车包含4个轮胎和2组驱动电机，每台驱动电机驱动同侧2个轮胎行走。中心车与桁架连接部 分沿用圆形喷灌机结构，使桁架可以围绕中心车旋

转。当机组以圆形模式运行时，中心车两个驱动电机停止工作，桁架完成圆形行走轨迹。当机组以平移模式运行时，中心车两个驱动电机和末跨驱动电机同时工作，相互协作完成机器的整体平移行走。

1.2桁架结构

桁架结构是圆形或平移喷灌机常用的结构，与其他喷灌机相同。桁架之间采用传统塔架车支撑与驱动。传统塔架车由支架、1组电机减速器和2个轮胎组成。桁架部分如图1所示。

1.3喷洒系统

喷洒系统主要由不同喷头组合构成。由于圆形工作模式和平移工作模式不同，为了达到良好的喷洒均匀性，两种喷洒模式下的喷头组合也不相同。为了实现圆形和平移功能一体化，采用两套喷洒系统，分别由两组电磁阀控制完成喷洒系统的功能转换。

1.4北斗定位系统

为了满足机组位置和姿态调控精度要求，采用北斗RTK差分系统。该系统采用数传电台作为通信链路，此传输方式适合于地对空、空对空等通视环境，能满足喷灌机野外工作环境需求。

圆平喷灌机采用的北斗RTK差分系统主要采用1套基准站和2套移动站的工作方式，其中基准站安装在地面控制中心，2套移动站分别安装在中心车和桁架上，以实现高精度的定位和导航。基准站和移动站均采用NovAtel Flex6接收机，内部封装有NovAtel OEM6 GNSS板卡，将其安装在地面控制中心，配合NovAtel公司的GPS-702-GG天线和无线电台给机载移动站接收机传送和接受差分改正数据。移动站部分主要由载波相位差分移动站接收机、航空型天线、无线接收电台和天线电缆等组成。

1.5电控系统

依据机组结构与功能特点，电控系统分为3部分。一是桁架行走传统电控系统，主要完成塔架车电机控制，跨与跨之间行走调控(传统塔盒)等工作。二是基于北斗定位系统的行走与导航电控系统，用以实现机组中心车和桁架定位、机组导航与姿态调控等功能。三是喷洒系统启停和切换的电控系统。这3部分电控系统不独立，是相互结合的整体。

2 机组行走与姿态调控模型

基于北斗定位系统的机组行走和姿态调控系统应实现的调控功能至少有3个。一是位置信息监控与反馈，基于北斗系统的位置信息，监控机组反馈中心车和桁架的位置信息、运行姿态和航向等情况。二是圆平功能转换，根据上述功能所提供的位置信息，对比田块形状信息与航向等关键位置信息，完成机组运行中圆形与平移功能转换。三是机组行走和姿态调控，监测中心车、末跨位置信息和相对位置关系，实现机组运行和姿态的监测，当行走偏离航向或者机组运行姿态差时，通过调整末跨和中心车，控制电机的运行，来实现机组行走和姿态调整。

2.1圆形模式下行走与姿态调控

圆形模式下，调控任务主要为桁架位置信息监控，检查是否与待作业农田形状关键节点相接近，是否开始功能转换或者停止工作。

2.2平移模式下行走与姿态调控

平移模式下，调控任务：①中心车与桁架位置信息监控；②行走过程中，中心车与桁架控制电机的控制(实际控制百分率计时器)。

通过研究圆平喷灌机整机运行物理模型，可以知道表征机组运行的运动参数为中心车或末端1组参数即可，另一端参数可通过计算获得。

为了监测控制整机行走和姿态，采用2组北斗移动站，其中1组安置在中心车上，1组安置在桁架结构上，为了方便安装和检修，将其放置在靠近中心车首跨上。考虑到需要完成中心车与跨体相对姿态的监测，移动站1表征中心车情况，移动站2表征桁架的整体情况，如图1所示。

假设机组初始运行前已经采用GPS或北斗进行航向轨迹预设。为了实现机组中心车和桁架结构的监测与调控，通过多次试验，选择以下3个关键量表征机组状态，如图3所示。L1表征中心车位置的移动站1到预设轨迹的距离；L2表征整机运行姿态的移动站2到预设轨迹的距离；角度α为2个移动站相对位置角，该角度表征中心车和跨体相对位置与姿态。通过2个移动站坐标值，可以计算角度α。

通过对上述3个行走关键量的监测，达到对行走状态的监控，机组行走状态与调控判定依据为

|αi-αi-1|=Δα

(1)

|L1i-L1i-1|=ΔL1

(2)

|L2i-L2i-1|=ΔL2

(3)

α=arctan(L3L4)

(4)

式中αi、L1i、L2i——ti时刻下3个关键量的值

αi-1、L1i-1、L2i-1——ti-1时刻下3个关键量的值

Δα、ΔL1、ΔL2——3个关键量的控制精度

2.3行走与姿态调控流程

第1步，确定待灌溉地块的位置信息，可采用手持卫星定位设备进行位置信息采集，这些信息包括地块边缘信息、关键位置点信息等，并输入控制系统保存。第2步，对圆平喷灌机初始位置和状态进行调整和设定，进行初始姿态调整，使圆平喷灌机具备良好的初始姿态和正确的初始位置，并对所处位置和姿态进行数据采集和保存。第3步，设定初始行走参数、航向信息等，行走参数则根据所灌溉作物需水量和土壤类型等工程设计结果来设定，从而满足作物灌溉需要。第4步，启动机组进行工作。第5步，在行走过程中，时刻监控整机误差、中心车误差和二者相对姿态误差，根据相关状态进行机组调整，这些指令通过控制塔驾车上电机来实现机组行走和姿态调整。行走与姿态调整控制流程如图4所示。

3 样机试验与结果分析

3.1基本参数

YP-100型样机的基本配置及主要技术参数如下。样机外形尺寸：长×宽×高=100 m×4.2 m×2 m。桁架：30 m跨长，主输水管规格Φ114×3 mm。塔架车：数量3个，轮距1 952 mm。末端悬臂：10 m，输水管规格Φ114×3 mm。直线行走最快速度：25 mms(按k=100%计)；圆形行走1圈最快时间按5.35 h(按k=100%计)。驱动电机：功率0.55 kW，转速1 440 rmin，数量5个。电机减速器：DJ-C型齿轮减速器，传动比40∶1。车轮减速器：蜗轮蜗杆减速器，传动比52∶1。

3.2行走参数设定

(1)直线行走精度：整体姿态误差±5 cm；中心车误差±8 cm；中心车与桁架相对角度±0.03°；3组百分率设定50%。

(2)行走模式参数：直线行走100 m后，转圆形模式；圆形行走角度180°；圆形模式结束后，仍然以直线模式下的设定数据指导运行。

3.3田间试验

试验地点：中国农业机械化科学研究院小王庄试验站(北京市昌平区沙河镇)。

试验方案：采用手持GPS或者北斗，预先设定机组行走轨迹与方向坐标。启动系统控制程序。手动 调整机组初始位置与形态(包括中心车形态和机组整体形态)，尽量使机组初始位置和形态达到最佳状态。检查基站和移动站通讯情况，确保基站和移动站启动、通讯和差分模式正常。再次检查并确认机组供电、通讯等正常情况下，设定机组行走方向、初设位置等信息。启动机组进入自动行走模式。机组运行中，观察机组行走轨迹(以轮胎轮辙作为研究对象)变化情况、圆形平移功能转换是否合理顺畅和位置是否正确。观察行走1个或者多个周期后，分析行走轮辙整体误差，对基于卫星定位的行走导航系统的合理性、适用性、正确性和稳定性进行验证。样机试验如图5所示。

3.4结果分析

3.4.1圆形平移功能切换

通过田间地块信息，提前通过手持卫星定位系统，获得地块特征信息和航向信息。试验方法：自行采集机组启动位置数据，平移距离为100 m后开始圆形模型，如图6所示(0-0为圆形与平移功能转换界线)。

在实际控制运行中，图6中机组依据预设航向完成平移动作。运行到0-0界线后，完成作业动作转换，开始圆形模式。完成圆形180°行走后，开始反向平移作业。试验得出，机组在圆平转换功能上动作准确无误，在预设位置实现功能转换，实现了基于北斗定位的圆形与平移模式相互转换功能。

3.4.2行走误差与姿态调整

现场试验机组完成行走轨迹：平移距离100 m，圆形180°，形状为半跑马场形。圆形模式仅涉及定位监测，不涉及运行精度问题，在此仅考察平移过程中的行走误差。机组中心车轮胎车辙轨迹如图7a所示，车辙笔直，符合作物种植预留车辙空间。运行过程中，由于预设了中心车和整机的相对位置角度，在机组行走过程中，完成机组姿态调整，中心车调整姿态的车辙轨迹如图7b所示。试验完成后，对车辙进行测量，以车辙中心线为基准单侧最大误差<15 cm，满足喷灌机运行精度。

4 结论

(1)提出一种兼具圆形与平移功能的自走式喷灌机，该喷灌机采用北斗进行导航，可以完成圆形、矩形、T型和L型等多种地形的灌溉任务，对于提高灌溉面积、降低农业生产投资和促进农机智能化等具有重要意义。

(2)结合圆平喷灌机运行特点，分析了圆平喷灌机行走与姿态控制的关键问题，基于北斗定位系统，建立了行走与姿态调控模型。通过样机试验，验证了所建立调控模型的有效性与合理性。试验结果表明，基于北斗系统导航精度能满足圆平喷灌机的行走和实际作业要求。