超声波测距温室苗架喷淋车牵引导向系统研究_李和明.pdf

年 月农业机械学报第 卷第 期 超声波测距温室苗架喷淋车牵引导向系统研究 李和明 黄志彬 梁建智 李军壮 毕晨星 盘海平 广西电力职业技术学院智能制造工程学院 南宁 柳州方略科技有限公司 柳州 摘要 温室大棚内人工喷淋作业存在劳动强度大 效率低下的问题 而顶部浇灌装置则成本高昂 利用率偏低 在此 背景下 地面行走式喷淋车成为有效解决途径 针对温室苗架喷淋车地面行走的导向难题 提出一种结构简易 成 本低廉的循迹式前轮牵引导向系统技术方案 并结合场地条件与传感器特性 确定了循边导向系统的传感器选型 方法及导向纠偏逻辑算法 该系统以四轮独立驱动 前端或后端双轮同步转向的机构为本体 配备前后端超声波 测距传感器及可编程逻辑控制器 运算核心 通过变比例增益比例积分微分 控制模型完成纠偏导向运算后 系统向转向电机输出方向 偏摆角及转动速 度等控制信号 驱动行走轮组向指定方向偏摆以实现精准纠偏 此外 基于上述理论设计了一套导向行走控制系 统 详细阐述测试平台勘测数据 系统硬件组成及底层硬件连线原理 并开展变比例增益 模型的 仿真 关键数据关联验证 现场实测及测试效果评估 试验结果表明 当系统以速度 行驶时 可精准识别预设纠 偏边界 纠偏精度达 且纠偏导向运动稳定平顺 全程无干涉 碰撞等异常问题 关键词 温室 苗架喷淋车 超声波测距 牵引导向系统 动态纠偏 控制 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 修回日期 基金项目 广西高校中青年教师基础能力提升项目 作者简介 李和明 男 副教授 主要从事智能机电技术研究 引言 温室大棚苗架育苗过程中 作物喷淋是必需 环节 目前 国内外苗架育苗喷淋作业的主要方法 有传统人工作业 顶部浇灌装置 地面行走喷淋装 置等 其中 人工作业强度大 效率低 效果 差 顶部浇灌装置主要有移动喷灌机 微喷头 喷 灌带等 便于自动化 智能化控制 是目前应用最 广的自动喷淋装置 但需要在大棚每一跨的顶部 安装布置 成本高 空间占用多 地面行走喷淋装置 主要有地面喷淋机器人 苗架循边喷淋机等 具有可 跨棚作业的优点 其中 一台苗架循边喷淋机设备可 满足约 大棚群的喷淋需求 成本仅为顶 部浇灌装置的十分之一 应用前景大 但大棚内地面 状况复杂多样 对地面行走系统的普适性要求高 因 此 研究稳定可行且低成本的苗架地面自动行走系 统 对该类喷淋机的应用推广具有重要意义 影响地面自动行走系统稳定性的关键技术是行 走方向的引导技术 目前 国内外地面行走导向技术 主要有 基于物理接触的导向技术 非接触式传感器 导向技术及卫星导航导向技术 类 其中 基于 物理接触的导向技术是指通过物理接触的方式获取 导向参照物位置信息 进而引导载体跟随移动的技 术 典型类型为导轨导向和接触式循迹导向 如一种 配置防失稳液压自动调平系统的山地轨道运输平 台 采用切换剪切控制器和触觉探索的轮廓跟踪机 器人等 该导向技术优点是结构简单 维护方 便 缺点是附加的导向设施占地大 影响作业环境 且物理触头易磨损 适合在辅助设施铺设量小 运动 范围小的场合应用 非接触式传感器导向技术是指 通过非接触式传感器获取导向参照物位置信息 进 而控制载体跟随移动的技术 目前应用较多的是磁 条 超声波 红外线 图像视觉 等信息 采集方法 如通过采集大棚内部道路图像或垄面特 征 利用超声波三角定位原理等方法均可实现车辆 的导向控制 相对接触式 其对作业环境的影 响较小 无接触磨损 但易受温湿度 光照等环境因 素干扰 对算法依赖高 适合在面积大 场地相对规 范标准的场合应用 卫星导航导向技术是指通过接 收导航卫星系统发射的射频信号 解算载体的实时 三维坐标 速度和航向信息 进而规划运动路径并控 制载体运动方向的技术 其核心是依靠卫星信号完 成定位与导向 无需依赖作业现场的环境参照物或 预设轨道 如抗差自适应扩展卡尔曼滤波法处理卫 星信号的园艺履带式自动导航电动微耕机 基于 星基增强精密单点定位的农机自动导航系统等 但单纯依靠卫星定位的导向精度不高 通常会利用 机载传感器系统辅助校正 如采用 与视觉导航 相结合的方法可将阿克曼转向移动机器人自主导航 横向偏移值缩小至 以内 可见 卫星导航 导向技术不依赖作业环境特征 作用范围广 但其技 术相对复杂 成本高 导向精度低 适合在导向精度 要求不高且作业现场无参照物的大面积场地规模化 应用 综上所述 物理接触式导向方案对作业现场工 况干扰较大 且触头磨损易导致导向稳定性衰减 卫 星导航导向方案则存在定位精度不足 硬件成本偏 高的问题 二者均难以满足苗架作物喷淋机的导向 作业需求 同时 考虑到苗架边板多采用铝合金材 质 具备平直光滑的结构特性 可作为导向参照物 基于此 拟设计非接触式牵引导向系统 该系统通过 超声波传感器实时探测与参照物的间距 经变比例 增益 算法运算后 输出参照物方向拟合纠偏指 令 最终由前轮实现牵引与导向功能 以有效规避传 统方案的缺陷 机械结构与工作原理 图 为牵引导向系统底盘结构的三维模型 其 前后共配置 组轮系 且各组轮系结构完全一致 图 为单个轮系的运动简图 组轮系支持独立 驱动 工作时仅行走方向前端轮组承担牵引与转向 功能 后端轮组则从动跟随 每组轮系中 安装于行 走轮座上的行走驱动电机经减速处理后 直接驱动 装配在电机轴上的行走轮 从而实现底盘行走驱动 此外 底盘前 后端分别搭载一套转向系统 用于实 现前进或后退工况下同向轮组的同步转向 转向动 作触发时 编码步进一体转向电机同步驱动同一端 两组轮系 动力经减速器传递至主动齿轮 再通过中 间齿轮啮合传动至从动齿轮 最终带动行走轮座绕 轴旋转 进而驱动行走轮偏转以完成转向 同时 转 向电机自带的编码器可实时采集轮座及行走轮的当 前偏摆角度 并将信号反馈至控制系统 系统通过与 目标摆角进行差值计算 精准获取转向所需的实际 偏摆角度 保障转向精度 第 期 李和明等 超声波测距温室苗架喷淋车牵引导向系统研究 图 双轮同步转向四轮驱动机械系统 主动齿轮 中间齿轮 从动齿轮 车体 行走轮 行走轮座 行走驱动电机 转向电机 控制系统设计 整体架构 如图 所示 牵引导向系统采用 感知决策 执行 级架构 通过超声波测距传感器与智能控制 算法协同实现纠偏导向 感知层由前 后两组 超声波测距传感器及检测车轮当前偏摆角度的编码 器等构成 测距传感器用于检测参照物与传感器之 间的距离 编码器用于检测转向轮当前的偏摆角度 并向决策层输出检测反馈信号 决策层主要由 控制器组成 构建了 级数据处理流水线 首先进行 数据预处理与滤波 继而通过变比例增益 控制 模型运算生成控制指令 最终向执行层发出纠偏转 向信号 执行层由前端 后端转向步进电机及其 驱动器 传动机构 驱动轮组等组成 在决策层纠偏 指令控制下实施转向动作 图 喷淋车牵引导向系统框图 传感器布局与选型方法 传感器布局 地面行走喷淋车沿苗架行走喷淋时 需有可被 清晰检测的导向参照物 为了减少对大棚现有布局 的破坏 可选用大棚中现有机构作为参照物 例如 某大棚中的苗架结构如图 所示 边板贯穿苗架全 长 材料为铝合金 表面光滑平整 对超声波的反射 效果较好 截面高度 板厚 能被有效分 辨 因此 选择该边板作为超声波测距传感器的静态 参照物 图 传感器与参照物位置关系示意图 苗架 苗架边板 传感器 喷淋车 在喷淋车前 后两端同一水平上分别安装测距 传感器 靠近参照物一侧安装 如图 虚线部分所 示 其安装高度能使传感器声束对准参照物 同时 在传感器和参照物之间的空间区域不能出现体积过 大的干扰物 如块状的金属 木头等物品 传感器参数选定方法 超声波测距传感器的检测数据直接决定牵引导 向系统的纠偏精度与稳定性 因此传感器参数需与 作业现场工况 测量对象特性适配 确保在纵向及横 向空间范围内均能稳定捕获参照物信号 为纠偏控 制提供可靠数据支撑 本系统中 需确定的传感器 参数包括纵向检测范围 以及与检测灵敏度密切相 关的工作频率 声束半角等关键指标 纵向检测范围 的确定 如图 所 示 已知喷淋车车身宽度为 长度为 苗架间巷道宽度为 当车身与参照物保持平 行且处于远端极限位置时 传感器与苗架边板间距 最大允许值为巷道宽度与车身宽度之差 当车身与参照物平行且处于近端极限位置时 理 论最小距离为 但受超声波传感器固有检测盲区限 制 车身与参照物的最小允许间距需修正为传感器盲 区距离 基于上述分析 所选传感器的检测 范围需完整覆盖传感器与参照物的最大 最小允许间 距 即需满足 由于超声波传 感器的工作频率越高 盲区越小且检测精度越高 因 此 在满足系统最大检测范围需求 保证探测能量充 足的前提下 应优先选用高频 小盲区的超声波传感 器 以此完成传感器的初步选型工作 检测灵敏度分析 喷淋车沿着苗架边沿行走时 受地面平整度不足 地面与参照物平行度偏差等因 素影响 传感器会产生垂向位移波动 如图 所示 农 业 机 械 学 报 年 图 传感器纵向检测范围示意图 参照物 后置传感器 喷淋车 前置传感器 相邻 苗架边板 图 传感器垂向波动示意图 参照物 上浮极限 传感器 下浮极限 当超声波波束偏移至参照物边线外侧时 波束 覆盖参照物的有效高度 随之减小 若 低于 传感器检测灵敏度阈值 将导致测距数据失真 根 据行业通用结论 超声检测的灵敏度阈值约为波长 的一半 基于此 结合几何关系与灵敏度阈值 可 推导出满足有效测距的频率 约束公式 其中 式中 声速 声束半角 参照物高度 垂向波动最大值 超声波传感器轴线相对于参照物中 心向上波动值 超声波传感器轴线相对于参照物中 心向下波动值 其中 为与大棚现场配置相关的参数 可通过 现场勘测获得 为传感器固有参数 可从初 步选定的传感器产品参数表中获取 将所有参数代 入式 若不等式成立 则表明该型号传感器满足 系统的灵敏度要求 导向纠偏控制原理 牵引导向系统控制逻辑如图 所示 导向纠偏 控制过程可划分为 个步骤 行驶控制 纠偏运算 纠偏执行 图 牵引导向系统控制逻辑框图 行驶控制 图 喷淋车行驶控制示意图 行驶前 人工将车辆布置到苗架巷道入口 并使 测距传感器能有效检测到参照物 做好初始行驶方 向参数的设定等启动准备后 发出车辆行驶启动指 令 车辆即可行走 如图 所示 启动后 喷淋车从 苗架起端向远端行驶 到达远端后再返回起端并自 动停止 然后再由人工移到下一苗架去喷淋 行驶 时 当方向信号 时 行驶方向为前进方向 此 时 前端测距传感器起作用 当前端传感器越过苗架 远端时 前端传感器测距反馈信号突然变大异常 当 连续接收到异常反馈脉冲数 达到连续异常累积参 数设定值时 可判断车辆已到达远端 此时可后退返 回 系统内方向信号 自动变为 当设定方向信 号 时 行驶方向为后退方向 此时 后端测 距传感器起作用 当后端传感器越过起端时 同理 可判断车辆已回到起端 车辆停止并使 个轮组偏 第 期 李和明等 超声波测距温室苗架喷淋车牵引导向系统研究 摆复位 纠偏运算 前进时 由前端测距传感器反馈第 周期的距 离数据 由前端轮组实施牵引驱动和转向纠偏 后端 轮组偏摆复位并被动跟随 后退时 由后端测距传感 器反馈距离数据 后端轮组实施牵引驱动和转向纠 偏 前端轮组偏摆复位并被动跟随 以前进方向为 例 如图 所示 为了减少纠偏动作过于频繁 以传 感器与苗架边板的间距为依据 设定了非纠偏区域 的边界下限 和上限 当超声波传 感器检测反馈间距 处于区间 时 前端轮组目标偏摆角 为零 不进行纠 偏 当处于区域 或区域 时 图 即 或 时 则需纠偏 所需纠偏的偏差量为 式中 纠偏偏差量 预设纠偏边界参数 图 纠偏执行示意图 当喷淋车在 号区域时 向远离苗架 方向纠偏 在 号区域时 向靠近苗架方 向纠偏 为了使纠偏动作顺滑稳定 采取变比例增益 控制模型进行控制 越大 也越大 反之越小 纠偏执行 如图 所示 以喷淋车运动方向为零位 规定顺 时针偏摆为负 逆时针偏摆为正 第 周期转向轮实 际偏摆角为 式中 转向轮实际偏摆角 转向轮当前偏摆角 由转向电机绝对式编码器反馈并经运算 变换后所得 则由超声波测距传感器反馈并经 控制模型运算所得 执行纠偏动作时 依据 的符号确定转向轮 的偏摆方向 当 为正时 转向轮逆时针偏转 当 为负时 转向轮顺时针偏转 据此确定转向电 机的旋转方向 同时 根据 的数值确定转向轮 的偏摆角度大小 最终 在控制器输出的转向指令 偏摆角度 运行速度等信号的控制下 转向电机按预 期完成纠偏动作 变比例增益 控制模型构建 在纠偏过程中 采用了变比例增益 控制模 型进行转向轮目标偏摆角的计算 主要包含以偏差 为变化因子的比例项 由静态偏差引起的累积误差 所需的积分项和因跑偏速率所需的微分项 该模型 解决了固定增益 在偏差动态变化场景下响应滞 后 超调量大的问题 变比例增益系数设计 传统固定增益 的比例系数无法适应偏差动 态变化场景 小偏差时比例系数过大会导致转向超 调 大偏差时比例系数过小会导致响应滞后 为此 设计了融合距离偏差与转向轮当前偏摆角度的变比 例增益系数 由基础增益和转弯 增益修正组成 基础增益是指在不考虑离心力影响时 比例增 益中的基准部分 其仅需随距离偏差调整 确保偏差 越大 增益越大 基础增益采用固定基础增益和偏 差缩放的线型模型 避免增益突变导致的转向抖 动 该公式为 式中 周期基础增益 固定基础增益 表示单位 长度偏差对应的基础转向角 确保即 使偏差较小时 系统仍有足够转向力 修正偏差 偏差缩放项 其中 为比例增益缩放因子 用于调节 偏差对增益的影响速率 当 从 增至 时 增益同步增加 表示偏差越大增益系数也越大 转弯增益修正是指在转弯工况下 车辆受离心 力作用易偏离加剧 需额外提升比例增益以增强转 向修正能力而进行的增益修正 引入转向轮当前 偏摆角 与最大转弯角 的比值作为修正因 子 是由转弯机构的结构设计所决定的固定值 如 故修正后的变比例增益系数为 null null 式中 为转弯修正因子 无量纲 为 转弯增益放大系数 无量纲 表示当转向轮当前偏摆 角越大 则转弯修正因子也越大 进而提升转弯响 农 业 机 械 学 报 年 应 当 时 转向响应速度较无修正 时提升了 倍 对转弯时的偏离趋势具有抑制 作用 完整 控制模型 结合喷淋车与苗架边板距离偏差 转向轮当前 偏摆角度 纠偏误差 距离偏差变化速率等因素 构 建转向轮目标偏摆角计算的完整 模型 null null 为比例项 由变比例增益系数与当 前偏差相乘所得 输出核心转向角度 是偏差修正的 主要力量 表现在偏差越大则目标偏摆角越大 同 时 转向轮当前偏摆角越大 则目标偏摆角也越大 以提高纠偏响应 为积分项 为积分增益系数 用于调节累积纠偏误差与纠偏力度 的匹配度 为累积纠偏误差量化 为控制周期 通过历史偏差与控制周期 乘积的累积 来表征由设备 环境等客观因素造成的 累积纠偏误差 该值越大则目标偏摆角也越大 纠偏 力度越强 比如 若喷淋车在连续多个作业周期内持 续向同一方向跑偏 说明系统中存在可诱发该方向 跑偏的机械 环境等干扰因素 且当前纠偏力度不足 以抵消这类影响 鉴于喷淋车在最小与最大允许距 离之外时 纠偏方向会完全相反 为避免单侧跑偏的 积分累积值对另一侧产生持续性叠加干扰 当车辆 处于非纠偏区域时 需将积分项累积值清零 为微分项 反映偏差变化越 快 角度调节越强的逻辑 其中 为微分增益系数 表示单位偏差变化率对应的微分角度补 偿 表示偏差变化率 例如 当喷淋车向远离理论方向移动时 将正补偿目标偏 摆角 以提高纠偏响应速率 当向靠近理论方向移动 时 将负补偿目标偏摆角 以抑制纠偏超调 使转向 更加趋于平滑 模型仿真 为验证导向纠偏模型的动态特性 采用 开展数值仿真 主要参数取值 为简化仿真难度 假定当前 偏摆角恒定 本例中取 此时 喷淋车运 动方向倾斜于苗架边板并作直线轨迹移动 仿真内 容包括变比例增益系数变化曲线 如图 所示 以及 喷淋车前进 后退两种运动状态下 分别由远及近靠 近参照物和由近到远远离参照物时 模型中的 比例项 积分项 微分项 目标偏摆角等曲线 如 图 所示 曲线图中 轴坐标值表示超声波传感 器检测距离 仅对高频分布区域 进行 仿真 轴坐标值从左到右递增表示喷淋车远离苗 架运动 递减表示靠近苗架运动 在 为 非纠偏区域 和 为纠偏区 域 分别对应图 的中位 个区域 图 变比例增益系数 曲线 仿真结果表明各曲线的变化规律与理论预期 一致 本例中假定当前偏摆角恒定 故变比例增 益系数与偏差量为正相关关系 其变化范围为 在非纠偏区域内为零 越靠近非纠偏 区域数值越小 以使转向趋于平缓 越远离则数值越 大 以增强纠偏力度 目标偏摆角为比例项 积分项 微分项的综 合 在纠偏区域内偏差量越大其数值也越大 反之越 小 在非纠偏区域为零 越靠近非纠偏区域 曲线越 平缓 可使导向动作平稳 反之曲线越陡 纠偏力度 就越强 纠偏方向与喷淋车运动方向 当前所处区域 有关 前进时 号区域正向纠偏 号区域负向纠 偏 后退时 号区域负向纠偏 号区域正向纠偏 比例项是目标偏摆角的主要影响因素 其 值受变比例增益系数和偏差量变比例正相关影响 体现出偏差大纠偏力度大 偏差小纠偏平缓的特点 在非纠偏区域为零 在跨越纠偏边界后非零输出 积分项随偏差累积呈单向增长 在同侧纠 偏区域偏差越大 时间越长则纠偏力度越大 其正补 第 期 李和明等 超声波测距温室苗架喷淋车牵引导向系统研究 图 变比例增益 模型仿真曲线 偿于目标偏摆角 进入非纠偏区域时累积值归零 跨 越另一侧纠偏区域时 重新开始累积 微分项反映了本例假定的恒定偏差变化率 特性 因本例假定喷淋车移动路线为直线轨迹 相邻 周期偏差量差值不变 故变化率不变 在纠偏区域补 偿值恒定 喷淋车向非纠偏区域靠近时 其负补偿于 目标偏摆角 以使转向趋于平缓 远离时则为正补 偿 以增强纠偏力度 在非纠偏区域时不进行补偿 实际应用中 需考虑噪声对偏差计算的干扰 后 续需引入滤波环节以提升模型鲁棒性 同时 模型中 各项调节系数需根据实际系统的响应速度进一步整 定 避免纠偏力度过强导致超调或过弱导致系统响 应迟缓 纠偏不及时 导向纠偏试验 中试平台搭建 作业环境 循边导向地面行走式喷淋车及中试大棚基地如 图 所示 其内苗架宽度 长度 均 为移动式 可以横移腾出巷道 巷道最大宽度为 苗架边框宽度为 材质为铝合金 表 面光滑平整 对超声波反射性好 地面为工程彩砖 最大上浮量 图 喷淋车及中试大棚基地 苗架及作物 车体 喷淋架 大棚 系统配置 基于超声波传感器的选型原则及控制系统的设 计指标 本牵引导向系统的硬件架构配置如下 主控 单元选用 配置 扩展模块及 通 讯接口 确保其运算能力与 资源满足系统控制 需求 信息采集单元采用超声波测距模块 其核心参 数为 工作频率 声束半角 有效测距范 围 测距精度 经校核 该参数配 置满足式 的理论要求 转向驱动单元采用闭环 步进伺服系统 主要由集成式步进伺服电机 内置 绝对式编码器 总线型驱动器及 行星减 速器组成 行走驱动单元采用开环步进驱动系统 主 要包含步进电机及其驱动器 直角行星减速器 以提 供稳定的行进动力 边界约束 在纠偏模型的程序实现过程中 需设置三重边 界约束以确保系统鲁棒性 传感器盲区的数据钳位处理 考虑到超声 波传感器在近场存在测量盲区 当检测距离小于盲 区阈值时 反馈数据存在失真风险 因此 程序设定 将所有小于该阈值的反馈值强制修正为盲区阈值 农 业 机 械 学 报 年 异常反馈数据的逻辑判定 基于大棚巷道 宽度与喷淋车本体宽度的几何约束 传感器的理论 最大测量值不应超过 若反馈值超出此范围 则判定为数据异常 以本例参数 对 应反馈码值 为例 当 接收的数据大于该 数值时 系统将触发异常处理机制 转向机构的行程限位保护 受限于机械结 构与安装空间 转向轮的转角存在物理极限 因此 当模型计算输出的纠偏角大于机械行程极限角时 控制器将自动以行程极限角作为最终输出指令 以 防止机械损坏 底层硬件接线原理 牵引导向系统的接线原理如图 所示 包含 转向步进电机伺服模块与行走驱动步进电机模块 的典型接线示例 其核心接线逻辑及信号传输流 程如下 首先 行走速度 转向速度 初始方向等控 制参数通过触摸屏设定 经 芯接口及 插头连接的通信电缆传输至 再由设备 面板上的手动控制按钮及开关触发信号 通过 数字输入端口实现喷淋车的启动 停止 复位等动 作控制 系统启动后 依据预设的初始方向参 数 通过数字输出端口向步进驱动器发送转向 脉 冲及使能信号 驱动步进电机运转 进而带动喷淋 车行驶 行驶过程中 超声波测距传感器按设定周 期检测与参照物的间距 检测信号经 转换模 块处理后 通过扩展电缆传输至 同时 集成 于转向步进电机的多圈绝对编码器 将实时角度 位置数据经同步串行接口 反馈至 步进 伺服驱动器 再通过 网线上传至 接收距离数据与角度位置数据后 经变比例 增益 控制模型运算 输出转向电机实际偏摆 角度指令 该指令通过 网线传送至 步进伺服驱动器 最终驱动步进电机精准转动 实 现系统的实时纠偏导向功能 图 控制系统接线原理图 关键数据关联验证 为了验证转向系统的实际功效 将 组轮系的 驱动功能临时停用 仅保留转向轮的偏转功能 再将 喷淋车行驶方向设定为 前进 在超声波测距前将 转向轮当前偏摆角置为零 通过苗架移位手轮手动 将苗架边板向测距传感器靠近 每移动 采集 一次数据 逐个对喷淋车与苗架边板之间的高频分 布区域 中的 个测量点进行测试 采集 数据包括手工测量间距 超声波反馈间距 转向轮理 论目标偏摆角和实测偏摆角等 并将实测结果与仿 真数据进行对比 测试结果如图 所示 从实机验证的单步采集数据和 仿真数 据的分析来看 本系统主要表现出以下特性 测距精度方面 传感器反馈距离与人工测 量间距的最大正 负偏差分别为 误差范围在超声波传感器标称精度 以内 第 期 李和明等 超声波测距温室苗架喷淋车牵引导向系统研究 图 传感器反馈与手工测量距离数据对比 图 转向轮偏摆角数据对比 转向控制方面 车轮转向的实测偏摆角与 理论目标偏摆角的偏差小于 处于转向轮偏摆 行程极限角的 以内 符合预期 模型一致性方面 各测量点的实机验证 输出理论目标偏摆角 人工实测偏摆角与 模型仿真比例项三者变化规律一致 表明实 机系统的理论输出与实测效果均实现了模型仿真的 控制逻辑 但前两者与模型仿真在各测量点的数据 存在随机性正负偏差 反映出系统存在测量误差与 精度问题 综上所述 实机验证结果与模型仿真基本吻合 二者均体现了转向轮偏摆角随距离偏差呈变比例正 相关的变化规律 验证了变比例增益 控制模型 的有效性及理论预期 整机实测效果 整机实测旨在全面验证系统的纠偏导向综合性 能 考核指标涵盖边界识别 方向控制 定位精度 动 态响应及控制效能 个维度 测试条件设定为 喷 淋车行进速度 纠偏边界上 下限设定为 实测结果表明 系统能够准确识别纠偏边界 在 从纠偏区域向非纠偏区域切换的过程中 边界识别 的最大正 负偏差分别为 纠偏方向控制 逻辑与模型仿真一致 执行机构运动平滑稳定 无明 显突变或抖动现象 此外 导向纠偏全过程运行安 全平稳 未发生与苗架的干涉或碰撞 现场调试如 图 所示 传感器与模拟边板之间始终保持在安全 距离 图 整机调试现场情况 后置传感器 模拟边板 前置传感器 结束语 针对温室苗架喷淋车地面行走导向难题 设计 四轮独立驱动 前后端双轮同步转向的牵引导向系 统 构建以超声波测距为感知核心 为控制单 元 变比例增益 为纠偏算法的自动循迹控制系 统 实现沿苗架边板稳定行走与动态纠偏 试验结 果表明 系统在行走速度 工况下 纠偏精度 达 导向运动平稳无碰撞 无干涉 运行安全性 与可靠性满足设计要求 该系统以现有苗架边板为循迹基准 无需对温 室进行结构改造 具有结构简洁 成本低廉 适配性 强等特点 与传统人工喷淋相比 可显著降低劳动 强度 提升作业效率 与顶部固定式灌溉装置相比 设备投资降低约 利用率提升数十倍 研究成 果解决了温室喷淋装备自动行走导向关键技术问 题 在温室育苗自动化作业中具备良好的工程应用 与推广价值 参考文献 赵向鹏 王荣先 姬江涛 温室双孢菇栽培智能喷淋装置的设计与试验 农机化研究 农 业 机 械 学 报 年 赵擎 王新坤 颜海兰 等 基于射流脉冲三通的桁架喷灌机水力性能试验 节水灌溉 苗中华 朱子煜 张伟 等 具身智能农业机器人关键技术与发展趋势 农业机械学报 孟志军 王昊 付卫强 等 农业装备自动驾驶技术研究现状与展望 农业机械学报 肖茂华 丁甲辰 朱烨均 等 丘陵山地轨道农机具转运平台防失稳系统设计与试验 农业机械学报 林熙淼 叶云翔 王梦想 等 基于侧偏力矩检测的旋耕起垄拖拉机自主导航控制方法 农业机械学报 增刊 马丽娜 徐扬杰 罗承铭 等 茶园自走式修剪机接触式循垄导航系统设计与试验 农业工程学报 邵明玺 张秀梅 基于视觉导航的电动运输车自动行驶系统设计及验证 中国农机化学报 应仇凯 程泓超 马锃宏 等 基于 的地栽草莓采摘机器人垄面视觉导航控制方法 农业机械学报 增刊 尹春杰 安子孟 肖发达 基于超声波定位的无轨运输机随动控制系统设计 农业装备与车辆工程 周建军 刘泉乐 曹磊 等 基于 与时序 融合的梨园导航线提取方法 农业机械学报 王家博 魏文波 王广阔 等 履带式电动微耕机自动导航系统设计与试验 农业工程学报 张智刚 王明昌 毛振强 等 基于星基增强精密单点定位的农机自动导航系统开发与测试 华南农业大学学报 范珍珍 樊富起 超声波雷达测距下的车辆线控转向稳定性模糊控制 现代雷达 第 期 李和明等 超声波测距温室苗架喷淋车牵引导向系统研究 冯添 黄玉祥 赵鹏飞 等 基于多传感器融合的玉米播种机播深控制系统设计与试验 干旱地区农业研究 王鹏 张涛 龚克 等 超精密超声波测距装置设计 信阳师范学院学报 自然科学版 姚杰 基于深度强化学习的自适应增益控制算法研究 杭州 浙江理工大学 寇发荣 方博 张新乾 等 汽车线控转向系统自适应变增益传动比设计 郑州大学学报 工学版 阎春利 吴占煊 基于模糊 的线控转向汽车转向控制研究 武汉理工大学学报 上接第 页 李振波 刘欣 竺明昊 等 面向种植农业复杂场景的 算法应用综述 农业机械学报 张震 周俊 江自真 等 基于改进 轻量化模型的自然果园环境下苹果识别方法 农业机械学报 苗荣慧 李志伟 武锦龙 基于改进 的轻量化樱桃番茄成熟度检测方法 农业机械学报 农 业 机 械 学 报 年