摘要:為了提高收割機(jī)尋跡導(dǎo)航時的距離測量精度，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，將電渦流傳感器引入到了尋跡導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計上。通過傳感器對移動收割機(jī)和跟蹤收割機(jī)距離的精確測量，以及PID控制器對尋跡誤差的反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了較高精度的尋跡導(dǎo)航。以運(yùn)輸車輛對收割機(jī)的尋跡導(dǎo)航為例，對基于PID電渦流的尋跡導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明:PID電渦流尋跡導(dǎo)航相對于短波測距尋跡導(dǎo)航的精度更高，與收割機(jī)與運(yùn)輸車期望保持的距離更接近。

　　關(guān)鍵詞:收割機(jī);尋跡導(dǎo)航;電渦流傳感器;PID控制器

　　0引言

　　自動導(dǎo)航控制技術(shù)是一種車輛自主沿規(guī)劃路徑行駛的反饋控制，應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)中可以將作業(yè)者從繁重、單一、重復(fù)的生產(chǎn)過程中解放出來。在收割機(jī)作業(yè)時，特別是多收割機(jī)一起作業(yè)時，往往需要保持一定的距離共同作業(yè)，因此需要引入實(shí)時距離測量裝置。電渦流傳感器在非接觸測量物體的情況下可以測量各種物理量，將其引入到收割機(jī)尋跡導(dǎo)航系統(tǒng)中，可以為導(dǎo)航系統(tǒng)提供精確的數(shù)據(jù)支持，對于尋跡導(dǎo)航能力的提升具有重要的作用。

　　1電渦流傳感器在導(dǎo)航系統(tǒng)上的應(yīng)用

　　自動導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)收割機(jī)無人駕駛自主作業(yè)的前提，主要由3部分構(gòu)成:一是硬件部分，利用傳感器對收割機(jī)的作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時精確測量;二是路徑部分，通過規(guī)劃合理的行駛和作業(yè)路徑，可以明顯地提高無人駕駛收割機(jī)的作業(yè)效率;三是控制算法，通過智能化控制算法對自主作業(yè)時的誤差進(jìn)行修正，提高作業(yè)質(zhì)量。

　　在收割機(jī)自主導(dǎo)航設(shè)計時，如果收割機(jī)在作業(yè)時需要由運(yùn)輸車輛跟隨，在無人駕駛時需要自動實(shí)時測量收割機(jī)和運(yùn)輸車的間距，才能夠保證收割機(jī)和運(yùn)輸車以一定的距離行駛，完成自主作業(yè)。電渦流傳感器在不接觸測量物體的情況下可以測量靜態(tài)和動態(tài)相對位移，工作可靠性好，測量范圍寬，靈敏度和分辨率都較高。由于被測量物理量是距離，不屬于電量，則采集得到距離后需要利用傳感器轉(zhuǎn)換為電量，從而可以直接讀數(shù);反饋系統(tǒng)根據(jù)測量得到的距離，對距離進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到自主追蹤導(dǎo)航的目的。

　　2基于渦流測距和PID的尋跡導(dǎo)航算法

　　電渦流傳感器主要由兩部分組成，即線圈探頭和金屬導(dǎo)體探頭。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在線圈中通入交變電流i1后會產(chǎn)生一個交變磁場H1，從而使金屬導(dǎo)體探頭產(chǎn)生一個感應(yīng)電流i2，這個電流被稱為電渦流。由于電渦流的存在，在空間內(nèi)會形成一個新的磁場H2，該磁場和H1相反，通過對磁場的削弱作用，使線圈的等效電阻發(fā)生變化。

　　等效電阻變化的范圍與金屬導(dǎo)體的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ以及金屬和線圈之間的距離x有關(guān)。在這些參數(shù)中，只留阻抗和一個參數(shù)是變化的，其他是不變的，則阻抗會成為這個參數(shù)的單值函數(shù)，從而可以測定一些物理量。渦流傳感器采集到追蹤車輛和移動車輛后之間的距離后，根據(jù)期望兩車之間保持的距離，確定追蹤偏差;PID控制器將反饋偏差傳送給控制系統(tǒng)，保證偏差在允許誤差范圍內(nèi)的情況下確定驅(qū)動力，繼續(xù)導(dǎo)航。

　　3收割機(jī)尋跡跟蹤導(dǎo)航測試

　　在聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)過程中，其側(cè)面需要跟隨運(yùn)輸車輛，運(yùn)輸車輛將聯(lián)合收割機(jī)收割的作物收集后，運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢煤笸瓿墒崭钭鳂I(yè)。在運(yùn)輸車輛跟隨聯(lián)合收割機(jī)的過程中，如果出現(xiàn)偏差會導(dǎo)致收割的作物沒有被收集到運(yùn)輸車上，從而造成糧食的浪費(fèi)。特別是在無人駕駛收割機(jī)作業(yè)時，為了保證收割作業(yè)能正常進(jìn)行，必須保證無人駕駛收割機(jī)和無人駕駛運(yùn)輸車保持一定的距離行駛，實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè)。

　　在收割機(jī)和運(yùn)輸車輛保持一定距離行進(jìn)時，如果是在無人駕駛的情況下，車輛控制系統(tǒng)需要有精準(zhǔn)實(shí)時測距和距離誤差反饋功能。電渦流傳感器可以將距離轉(zhuǎn)化為電流或者電壓信號，通過檢波、濾波、線性補(bǔ)償和歸一化處理等，能夠有效提高測量精度。因此，可將其使用在收割機(jī)的實(shí)時測距系統(tǒng)上，并利用PID反饋調(diào)節(jié)控制距離偏差，實(shí)現(xiàn)自動化控制。電渦流式傳感器能夠在不接觸測量物體的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)性的實(shí)時測量，可以測量的物理量包括距離、厚度、溫度、速度和應(yīng)力等。傳感器的體積小，靈敏度高，安裝方便，可以將其直接安裝在收割機(jī)和運(yùn)輸車上，實(shí)現(xiàn)距離的實(shí)時測量。PID控制器也可以嵌入到聯(lián)合收割機(jī)控制臺上。

　　為了驗(yàn)證PID電渦流追蹤導(dǎo)航的可行性和可靠性，將PID電渦流追蹤導(dǎo)航和短波測距追蹤導(dǎo)航進(jìn)行了對比。首先，測試短波測距的追蹤導(dǎo)航誤差。在測試過程中，不同的時間設(shè)置了不同的期望距離，通過對實(shí)際距離和期望距離對比可以發(fā)現(xiàn):短波測距在兩個時間段內(nèi)存在較大的誤差，達(dá)不到準(zhǔn)確和穩(wěn)定追蹤的效果。在與短波測距實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，對PID電渦流測距的追蹤誤差進(jìn)行了測試。采用PID電渦流傳感器得到的追蹤精度要明顯比短波測距高，從而驗(yàn)證了方案的可靠性。

　　4結(jié)論

　　在收割機(jī)尋跡導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計上引入了電渦流 距離測量裝置，實(shí)現(xiàn)了收割機(jī)尋跡導(dǎo)航時距離的測量。將裝置應(yīng)用到收割機(jī)與運(yùn)輸車距離的測量上，可以在無人駕駛情況下實(shí)現(xiàn)收割機(jī)和運(yùn)輸車一起行駛，完成自主化作業(yè)。為了驗(yàn)證該方案的可行性，對基于PID的電渦流測距追蹤誤差進(jìn)行了測試，并引入了短波測距追蹤誤差對比組，結(jié)果表明:采用PID電渦流傳感器的追蹤導(dǎo)航精度要明顯比短波測距高，可以滿足設(shè)計需求。

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　　作者：劉婷婷，楊云