Motion control of a wheeled tractor with the use of satellite navigation systems

Full Text

В настоящее время широкое распространение в сельском хозяйстве России получают системы точного земледелия с использованием спутниковых навигационных систем (GPS/Глонасс). Их применение позволяет обеспечить рабочее движение сельхозмашин по заданной траектории без участия водителя с высокой точностью и тем самым уменьшить пройденный путь, повысить качество выполняемых работ, снизить расход топлива и психомоторные затраты механизатора на управление. На российском рынке широко представлена продукция в основном зарубежных компаний, таких как John Deere, CLAAS, Trimble и др. Существенный недостаток импортных систем точного земледелия - их высокая стоимость для отечественных сельхозпроизводителей и то, что в большинстве случаев они не могут быть использованы на российской сельхозтехнике вследствие несогласованности параметров (в частности, из-за тугого рулевого управления отечественных колесных тракторов) [1]. Из отечественных систем стоит отметить комплекс «Аэронавигатор» с использованием спутниковой навигации для отображения текущего положения трактора. В Алтайском ГТУ проводятся исследования с целью создания системы управления движением с использованием спутниковых радионавигационных систем, сопоставимой по характеристикам с зарубежными аналогами и более доступной по цене. Разработана и испытана система управления, включающая GPS-приемник, электропривод на базе электроусилителя руля со специальной платой управления, датчик угла поворота, плату АЦП/ЦАП и компьютер [2]. По результатам проведенных полевых испытаний сделан вывод о работоспособности данной системы, однако точность определения координат без применения дифференциального сервиса, обеспечивающего трансляцию поправок для уточнения текущего местоположения GPS-приемника, оказалась недостаточной для эффективной работы системы управления. Кроме того, мощность электропривода на базе электроусилителя руля не позволила обеспечить заданный закон изменения поворота руля трактора для реализации быстрого корректирующего маневра. В разработанном электромеханическом приводе в качестве актуатора, осуществляющего поворот рулевого колеса, взят бесколлекторный двигатель FL86BLS(98)-JB с электронным блоком управления (ЭБУ). Передаточное число редуктора электродвигателя равно 15. На валу двигателя закреплен ролик, подпружиненный к ободу рулевого колеса. Передаточное отношение «ролик - рулевое колесо» обеспечивает увеличение крутящего момента на руле в 5-6 раз (в зависимости от диаметра руля трактора). Электродвигатель крепится на кронштейне, который, в свою очередь, фиксируется на рулевой колонке хомутом. Общий вид устройства при лабораторных испытаниях показан на рис. 1. Проведены лабораторные испытания, позволившие определить коэффициенты ПИД-регулирования управляющим напряжением ЭБУ [3]. Подруливающее устройство должно обеспечивать поворот рулевого колеса трактора на угол, соответствующий максимальному приближению действительной траектории к заданной. Управление осуществляется подачей аналогового сигнала на вход ЭБУ двигателя. Для разработки алгоритма управления поворотом управляемых колес на нужный угол с использованием ПИД-регулирования необходимо определить передаточную функцию механической системы, вход которой - управляющее аналоговое напряжение, выход - угол поворота управляемых колес. В лабораторных условиях на стенде «рулевое управление - передняя подвеска легкового автомобиля» проведен эксперимент. Определялся закон изменения угла поворота управляемых колес при подаче на вход ЭБУ электродвигателя управляющего напряжения 1 В. Эксперимент позволил выявить некоторые незначительные недостатки в конструкции крепления подруливающего устройства к рулевой колонке и устранить их. С использованием пакета расширения MatLab System Identification Toolbox определен вид передаточной функции механической системы, представляющей собой интегрирующее звено с коэффициентом передачи 0,27227: . Коэффициенты ПИД-регулирования управляющим напряжением ЭБУ определены в MatLab Simulink с помощью модели, топология которой изображена на рис. 2. С целью оценки работоспособности электромеханического привода подруливающего устройства и разработанного регулирования проведены эксперименты на стенде «рулевое управление - передняя подвеска легкового автомобиля». Для определения текущих значений угла поворота управляемых колес на шкворне был установлен датчик угла поворота. В ходе эксперимента электромеханическая система управления должна была поворачивать управляемые колеса по синусоидальному закону с амплитудой 10° и периодом 10 с. Управление осуществлялось подачей аналогового сигнала на вход ЭБУ. На рис. 3 представлены зависимости заданного и реализованного углов поворота управляемых колес от времени. В целом следует отметить, что заданный закон поворота управляемых колес реализован с достаточной точностью. Отклонения реализованного угла от заданного не превышали 10% за исключением начальной фазы поворота. Лабораторные экспериментальные исследования подтвердили работоспособность электромеханической системы, а также позволили выявить и устранить недостатки в конструкции подруливающего устройства. С использованием спутниковых радионавигационных систем GPS/Глонасс проведены полевые испытания электромеханической системы на колесном тракторе К-744Р2. Подруливающее устройство, установленное на рулевую колонку трактора, показано на рис. 4. Датчик угла поворота жестко закреплен на вертикальном шарнире, соединяющем полурамы трактора. С целью более точного определения текущих координат колесной машины в систему управления дополнительно введена система передачи дифференциальных поправок [4]. Корректирующая информация формируется на базовой станции (координаты центра ее антенны заранее известны с высокой точностью) путем сопоставления эталонных координат с координатами, вычисленными в результате стандартного навигационного сеанса, проводимого на корректирующей базовой станции с помощью оборудования высокого класса точности либо путем измерения координат на протяжении некоторого промежутка времени и определения средних значений, которые принимаются за эталонные. Полученные дифференциальные поправки (разности истинных и измеренных координат базовой станции) передаются в составе корректирующей информации потребителю, который уточняет по ним свои координаты. Схема работы системы изображена на рис. 5. В качестве оборудования для приема сигнала GPS/Глонасс использована разработка Ижевского радиозавода - отладочное средство на основе приемника МНП-М7. Приемник базовой станции настроен на частоту приема GPS-координат 2 Гц, приемник машины - на 10 Гц. Подключение к компьютеру осуществляется через USB-порт. С помощью преобразователя FTDI (одного из компонентов отладочного средства) и специальных драйверов в операционной системе эмулируются два виртуальных COM-порта, один из которых можно использовать для принятия данных по протоколу MNP-Binary. Для передачи поправок с базовой станции на движущиеся машины применяются 3G/GPRS USB-модемы. После их подключения к Интернету настраивается виртуальная частная сеть (VPN), в которой по протоколу UDP ведется широковещательная рассылка дифференциальных поправок с частотой 2 Гц. Для реализации данной системы выбран язык программирования C++, обеспечивающий лучшее взаимодействие с устройствами по низкоуровневым бинарным протоколам. Также использованы компоненты библиотеки Qt версии 4.8.5, в частности QtSerialPort для передачи данных по виртуальному последовательному порту, QUdpSocket для сетевого взаимодействия и передачи поправок с базовой станции. Система сигналов-слотов библиотеки широко использовалась при построении пользовательского интерфейса и взаимодействии между объектами в программе. Для определения текущих координат трактора взят навигационный приемник МНП-М7. Базовая станция была установлена в поле и транслировала с использованием сетей сотовой связи дифференциальные поправки на приемник, установленный на кабине движущегося трактора. Управление движением осуществлялось с применением разработанной программы Navigator, обеспечивающей пользовательский и аппаратный интерфейс электромеханической системы управления движением. На рис. 6 представлено рабочее окно программы Navigator после окончания управляемого движения трактора по заданной прямолинейной траектории. В целом полевые испытания подтвердили работоспособность основных узлов системы управления движением и возможность ее использования на технике отечественного производства. Однако точность определения текущих координат с использованием дифференциальных поправок оказалась недостаточной для применения системы управления при выполнении полевых работ, требующих дециметровой точности. В перспективе предполагается улучшить качество работы системы за счет повышения точности определения координат трактора путем использования фазовых измерений дальности до спутников.

About the authors

V. I Poddubny

Altai State Technical University

Email: poddubny@list.ru

A. S Pavlyuk

Altai State Technical University

Yu. A Shaposhnikov

Altai State Technical University

I. M Kovalev

Altai State Technical University

References

Supplementary files