基于ISO11783的拖拉机导航控制系统设计与试验

２０１０年４月农业机械学报第４１卷第４期ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１０．０４．０３７基于ＩＳＯ１１７８３的拖拉机导航控制系统设计与试验周建军１　郑文刚１　李　素２　张　漫３　纪朝凤３　孟志军１（１．国家农业信息化工程技术研究中心，北京１０００９７；２．北京工商大学计算机与信息学院，北京１０００３７；３．中国农业大学现代精细农业系统集成研究教育部重点实验室，北京１０００８３）　　【摘要】　基于ＩＳＯ１１７８３标准构建了拖拉机自动导航控制系统，系统包括５个电子控制单元（ＥＣＵ），其中转向ＥＣＵ节点可以根据从总线上接收到的转向指令来控制前轮转向。对自动导航控制系统的网络服务性能进行了分析，并进行了使用该系统的拖拉机直线路径跟踪试验。试验表明，基于ＩＳＯ１１７８３的拖拉机自动导航控制系统能满足实时性要求，并能较好地实现路线跟踪，直线跟踪最大横向偏差为１１ｃｍ。关键词：拖拉机　自动导航　控制系统　设计　试验中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ文章编号：１０００１２９８（２０１０）０４０１８４０５ＡｕｔｏｍａｔｉｃＮａｖｉｇａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＴｒａｃｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＩＳＯ１１７８３ＺｈｏｕＪｉａｎｊｕｎ１　ＺｈｅｎｇＷｅｎｇａｎｇ１　ＬｉＳｕ２　ＺｈａｎｇＭａｎ３　ＪｉＣｈａｏｆｅｎｇ３　ＭｅｎｇＺｈｉｊｕｎ１（１．ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｆｏｒＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９７，Ｃｈｉｎａ２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００３７，Ｃｈｉｎａ３．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｏｄｅｒｎＰｒｅｃｉｓｉｏｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅＳｙｓｔｅｍＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈ，ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＩＳＯ１１７８３ｓｔａｎｄａｒｄ，ａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｂｕｉｌｔ．Ｉｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｗｅｒｅｆｉｖｅＥＣＵｓ，ａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｔｅｅｒｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌＥＣＵｗｅｒｅｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｔｌａｓｔｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｓｅｒｖｉｃｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｎａｖｉｇａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｌｉｎｅｐａｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｗｅｒｅｆｉｎｉｓｈｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｔｒａｃｔｏｒｎａｖｉｇａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｎｅｅｄｏｆｒｅａｌｔｉｍｅａｎｄｃｏｕｌｄｒｅａｌｉｚｅｌｉｎｅｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｔｈｅｌａｔｅｒａｌｅｒｒｏｒｉｓｌｅｓｓｔｈａｎ１１ｃｍｔｒａｃｔｏｒｔｒａｃｋｉｎｇｌｉｎｅｐａｔｈａｔａｓｐｅｅｄｏｆ１ｍ／ｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｔｒａｃｔｏｒ，Ａｕｔｏｍａｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，Ｄｅｓｉｇｎ，Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ收稿日期：２００９０８０４　修回日期：２００９１０１３“十一五”国家科技支撑计划资助项目（２００６ＢＡＤ１１Ａ１０）和国家“８６３”高技术研究发展计划资助项目（２００６ＡＡ１０Ａ３０４）作者简介：周建军，助理研究员，博士，主要从事农业自动化、自动导航研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]通讯作者：郑文刚，副研究员，主要从事农业自动化研究，Ｅｍａｉｌ：[e-mail]　　引言拖拉机是农业生产中具有多方面作业功能的主要动力机械［１］。传感器技术、计算机技术和车辆系统的不断改进和完善，为智能化技术在拖拉机上的应用和发展开辟了道路，促使拖拉机作业机组向智能化方向发展。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络［２］。现场总线技术应用于农业机械，已经成为农业装备技术组成的重要方面。近些年，国内外开始了拖拉机自动导航技术的研究，拖拉机自动导航可以保证较准确的作业行距和作业间距，可减少重复作业，从而降低成本，减轻驾驶人员工作负荷［３］。２０世纪９０年代中期，国际标准化组织（ＩＳＯ）以ＤＩＮ９６８４为基础，制定了基于ＣＡＮ２．ＯＢ版本基础上的国际标准总线协议ＩＳＯ１１７８３，即农林业机械串行数据通信与控制网络国际标准［４～５］。国外，ＣＡＳＥ、Ｆｅｎｄｔ等公司已开发出一些符合ＩＳＯ１１７８３标准的产品，而国内还没有出现基于ＩＳＯ１１７８３标准的产品，且关于ＩＳＯ１１７８３标准也鲜见文献报道。在自动导航方面，已有使用数据采集卡设计的基于ＰＣ机的集中式导航系统，并在Ｃａｓｅ－ＩＨＭａｇｎｕｍ７２２０型拖拉机导航平台上进行导航控制试验的报道［６］。但使用数据采集卡，成本较高，安装不太方便。本文在分析ＩＳＯ１１７８３标准和ＣＡＮ总线关系基础上，依据ＩＳＯ１１７８３标准建立拖拉机自动导航控制系统，对控制系统的网络性能进行评价，并进行该系统的自动导航实车试验。１　ＩＳＯ１１７８３标准１．１　ＣＡＮ控制器局域网（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ，简称ＣＡＮ）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持实时分布式控制的串行通信网络。在２０世纪９０年代初，ＢｏｓｃｈＣＡＮ规范被提交作为国际标准［６～７］。１９９３年国际标准化组织颁布了ＣＡＮ的国际标准ＩＳＯ１１８９８，并先后对该标准做了补充和修改。目前ＣＡＮ总线已在汽车、制造业、建筑管理、医疗设备、航空等领域得到了广泛的应用。ＣＡＮ总线有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同：标准帧含有１１位标识符，扩展帧含有２９位标识符。ＣＡＮ总线报文传输有４个不同类型的帧：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧由７个不同的位域组成：帧开始、仲裁域、数据域、ＣＲＣ域、应答域、帧结尾［８］。数据域的长度可以为零。ＣＡＮ为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。在报文标识符上，ＣＡＮ上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。１．２　ＩＳＯ１１７８３ＩＳＯ１１７８３是一种农林业机械专用的总线标准。ＩＳＯ１１７８３标准参照ＳＡＥＪ１９３９和ＤＩＮ９６８４标准，以控制局域网总线协议即ＣＡＮ２．０Ｂ作为网络协议，规定了ＣＡＮ总线在农机上应用的高层协议。通过ＩＳＯ１１７８３协议，可以使拖拉机和农机具上的电子控制单元，诸如传感器、控制单元、存储单元、显示终端等，实现传输数据和传输方法的标准化。这不仅使农业信息数据交换与共享成为可能，还给农业机械电子设备的集成组装与维护带来极大便利。ＩＳＯ１１７８３标准共由１４个部分构成，分别是：概论、物理层、数据链路层、网络层、网络管理、虚拟终端、机组信息应用层、电源信息、拖拉机ＥＣＵ、任务控制、数据词典、诊断、文件服务和自动化。下面就其中的部分规范进行介绍。ＣＡＮ２．０Ｂ描述了两种信息帧格式，标准帧和扩展帧，而ＩＳＯ１１７８３只按扩展帧定义了标准化信息帧。ＩＳＯ１１７８３采用协议数据单元ＰＤＵ来定义信息帧格式。在传输过程中，先将ＰＤＵ分隔成一个或多个ＣＡＮ数据帧，然后通过物理介质传输到其他网络挂接设备上。ＩＳＯ１１７８３ＰＤＵ数据格式由７个部分构成：优先权Ｐｒｉｏｒｉｔｙ（Ｐ）、保留位Ｒｅｓｅａｒｄ（Ｒ）、数据页Ｄａｔａｐａｇｅ（ＤＰ）、ＰＤＵ格式（ＰＤＵｆｏｒｍａｔ，ＰＦ）、特定ＰＤＵ（目标地址、组扩展或专用）、源地址（ＤＡ）和数据域。这些域的信息由应用层提供。２　自动导航控制系统设计２．１　系统总体设计使用ＧＰＳ和电子罗盘作为拖拉机自动导航传感器，依据事先定义好的路径，从实时获取的ＧＰＳ数据中得到车辆的位置信息，从实时获取的电子罗盘和角度传感器数据计算得到拖拉机的车身航向及前轮角度，通过导航算法计算出当前车辆航向偏差和横向偏差，再通过控制算法计算车辆的转角，最后执行机构按要求完成前轮转向，就可以实现拖拉机自动导航。基于ＩＳＯ１１７８３标准设计了自动导航控制系统，该系统网络结构如图１所示。系统包括角度传感器ＥＣＵ、ＧＰＳＥＣＵ、转向控制ＥＣＵ、控制终端ＥＣＵ和电子罗盘ＥＣＵ５个部分。角度传感器ＥＣＵ可以连续采集前轮的转角，并把角度数据通过总线发送到控制终端。转向ＥＣＵ可以接收控制终端的转向命令，并控制前轮的转向。电子罗盘ＥＣＵ可以连续采集车身的航向信息并把数据发送到控制终端。ＧＰＳＥＣＵ可以连续采集ＧＰＳ位置信息并发送到控制终端。系统以１Ｈｚ的采样频率实时采集ＧＰＳ信号和５Ｈｚ的频率采集电子罗盘信号，确定拖拉机当前位置和运动方向，并与预定义的路线对比，根据控制算法控制拖拉机运动。图１　自动导航控制系统结构图Ｆｉｇ．１　Ｆｒａｍｗｏｒｋｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｎａｖｉｇａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ　２．２　转向控制节点设计转向控制节点主要实现拖拉机前轮的定量转动，通过步进电动机控制全液压转向器的转阀开度，定向、定量将油液输入转向油缸左或右腔，推动导向５８１第４期　　　　　　　　　　　周建军等：基于ＩＳＯ１１７８３的拖拉机导航控制系统设计与试验轮实行动力转向［９，１０］，这样就可通过控制步进电动机来控制拖拉机前轮的自动转向。图２是转向控制ＥＣＵ的硬件原理图，该ＥＣＵ主要由ＣＰＵ、收发器８２Ｃ２５０、程序存储器和电压转换电路组成。ＣＰＵ芯片选用Ｐ８７Ｃ５９１，由于Ｐ８７Ｃ５９１芯片只能烧写一次，故在板上扩展一片Ｗｉｎｂｏｎｄ公司的Ｗ２７Ｃ５１２的ＲＯＭ芯片，该芯片可用于存储程序，可以实现程序的多次烧写。高速光电耦合器采用６Ｎ１３７，这样很好地实现了总线上各节点的电气隔离。为了提高数据通信的抗干扰性，总线的两端接有２个１２０Ω的匹配电阻。８２Ｃ２５０为ＣＡＮ总线收发器，是ＣＡＮ控制器与ＣＡＮ总线的接口器件，对ＣＡＮ总线差分发送。Ｐ８７Ｃ５９１芯片Ｐ１口的Ｐ１．３连接步进电动机的方向端，Ｐ１．４连接步进电动机的脉冲端，从板卡上引一个５Ｖ电源连接步进电动机的公共端。　　图２　转向控制ＥＣＵ硬件原理图Ｆｉｇ．２　ＨａｒｄｗａｒｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｔｅｅｒｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌＥＣＵ　２．３　通信协议２．３．１　地址分配ＩＳＯ１１７８３标准的Ｐａｒｔ１的附录Ｂ对地址标识分配进行了规定，例如虚拟终端的源地址规定为２６（ＨＥＸ）。按照标准角度传感器ＥＣＵ、转向控制ＥＣＵ、电子罗盘ＥＣＵ、ＧＰＳＥＣＵ和控制终端ＥＣＵ的源地址分配如表１所示。表１　各个ＥＣＵ节点的ＩＤ定义Ｔａｂ．１　ＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆａｌｌＥＣＵｓＥＣＵＰＤＰＰＤＵ格式（８位）特定ＰＤＵ（８位）源地址（ＳＡ，８位）参数组ＰＧＮＰＤＵ标识ＧＰＳ６００ｘＥ６０ｘＤＢ０ｘＤ７００Ｅ６ＤＢ１８Ｅ６ＤＢＤ７电子罗盘６００ｘＥ９０ｘＤＢ０ｘＤ８００Ｅ９ＤＢ１８Ｅ７ＤＢＤ８角度传感器６００ｘＥＡ０ｘＤＢ０ｘＤ９００ＥＡＤＢ１８ＥＡＤＢＤ９转向控制６００ｘＥ８０ｘＤＢ０ｘＤＡ００Ｅ８ＤＢ１８Ｅ８ＤＢＤＡ控制终端３００ｘＥ７０ｘＤＡ０ｘＤＢ００Ｅ７ＤＡ０ＣＥ７ＤＡＤＢ２．３．２　应用层通信协议设计系统采用单帧格式，每一帧有８个字节，如表２所示。表２　应用层通信协议Ｔａｂ．２　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌ字节１２３４５６７８含义命令方向转角保留保留保留保留保留　　注：命令：０ｘ９０表示发送脉冲，控制步进电动机转动。０ｘ０５表示正转；Ｏｘ０２表示反转；转角即期望的转角。　　脉冲使用Ｉ／Ｏ口产生，Ｐ１．３输出方向信