馮建富

(內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000)

0 引言

隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代跑步機越來越智能化，如可以追蹤人體的位置和步調(diào)特征，通過控制跑步機的馬達(dá)轉(zhuǎn)速，調(diào)整跑步機運動參數(shù)和狀態(tài)，抵消人體的任意運動，從而達(dá)到跑步機和人體保持步伐一致的狀態(tài)。聯(lián)合收割機是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)作業(yè)過程中最常用的農(nóng)機器具之一，其作業(yè)效率和質(zhì)量主要與收割機前進速度和喂入速度有關(guān)。在喂入量比較大時，收割機行進速度過快很容易產(chǎn)生阻塞；在喂入量較小時，收割機速度過慢會大大降低收割機效率。如果設(shè)計一種反饋調(diào)節(jié)裝置，可以有效地平衡喂入量和收割機行進速度，從而大大提高收割機的作業(yè)效率和質(zhì)量，而跑步機速度追蹤控制算法的引入有效地解決了這個問題。

1 跑步機速度跟蹤及其在收割機速度控制中的應(yīng)用

當(dāng)前，國內(nèi)外的專家和學(xué)者們對跑步機的速度自動控制進行了一些研究，也取得了一些成果。速度控制方法集中在對人體上使用檢測裝置，實時對人體的狀態(tài)進行檢測，將狀態(tài)信息反饋給控制器，通過調(diào)整馬達(dá)的轉(zhuǎn)速將人體向著預(yù)定目標(biāo)帶動。但這些控制方法具有一定的弊端，如跑步機得腳板可以在任意時刻變化速度，從而產(chǎn)生振蕩，使人體較難控制，最后影響人體的正常運動。

圖1表示一款具有速度追蹤和控制的智能跑步機。該平臺通過球陣列地毯覆蓋，是安裝有轉(zhuǎn)盤的線性跑步機，配備了用于線性和角運動兩個致動裝置，使其和人體的步態(tài)一致，達(dá)到反饋調(diào)節(jié)的目的。將這一原理也可以直接嫁接到收割機得速度控制過程中，影響收割機效率和質(zhì)量的主要因素是喂入量、速度及運行軌跡的控制，可以參考跑步機得隨動控制方法，其流程如圖2所示。

收割機動作主要通過行進速度和喂入量的反饋信息來進行調(diào)節(jié)：當(dāng)喂入量過大時，喂入量反饋信息被傳送到控制器，控制器發(fā)出指令控制發(fā)動機降低轉(zhuǎn)速，從而降低收割機的行進速度，使收割狀態(tài)達(dá)到最佳；當(dāng)喂入量較小時，控制器發(fā)出指令降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，適當(dāng)提高發(fā)動機的行進速度，以提高收割機效率。

圖1 跑步機速度跟蹤示意圖Fig.1 Sketch diagram of speed tracking of running machine

圖2 基于喂入量的收割機速度跟蹤控制Fig.2 The speed tracking control of harvester based on feed quantity

2 收割機運動反饋控制算法

(1)

其中，v和w分別表示跑步機得線速度和角速度。

在通常情況下R≠0，則笛卡爾坐標(biāo)系可以用極坐標(biāo)系(R,α)來代替，則

(2)

在初始狀態(tài)時，存在如下關(guān)系，即

θ+θw=θ(0)+θw(0)

(3)

在三維坐標(biāo)空間里可以表示為

(4)

當(dāng)人體在跑步機上移動時，則

(5)

其中，VW=(VW,X,VW,Y)、w分別表示人體行走絕對線速度和角速度；Ωw表示外界因素信號。假設(shè)沒有外界干擾，即VW=Ωw=0，則跑步機的控制輸出可表示為

(6)

當(dāng)A=xcosθ+ysinθ≠0時，則

(7)

其中，v1=-k1x,v2=k2y，系數(shù)為ki(i=1,2)。假設(shè)人體站立的初始位置為(x1,y1)，控制函數(shù)為x(t)=e-k1tx1和y(t)=e-k2ty1，同時假設(shè)k1=k2，則

(8)

所以，跑步機會通過參數(shù)調(diào)整將人體帶回到原始位置，控制過程需要結(jié)合PID調(diào)節(jié)，其流程如圖3所示。

圖3 主控制流程圖Fig.3 The main control flow chart

其主程序主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)定、開外部中斷1和PID調(diào)速程序。跑步機的速度追蹤和控制主要依據(jù)人體狀態(tài)信息的反饋，反饋調(diào)節(jié)可以采用PID控制器，其基本模型公式為

其中，Kp表示比例系數(shù)；Ti表示積分常數(shù)；TD表示微分常數(shù)；u0表示系統(tǒng)初值；ut表示系統(tǒng)輸出值。將其進行離散化可得

其中，ek表示第k次采樣時刻偏差值。

PID控制流程如圖4所示。為了控制收割機的速度Uk，可以根據(jù)喂入量誤差的大小e，將信息反饋給速度控制中心，通過不斷地調(diào)整收割機得前進速度，使收割狀態(tài)達(dá)到最佳。

圖4 PID控制流程圖Fig.4 The PID control flow chart

3 收割機運動控制測試

為了驗證跑步機運動追蹤控制算法在收割機運動控制系統(tǒng)中使用的可行性，以收割機喂入量反饋信息控制速度為例進行了試驗驗證，采用軟件和硬件編程的方式，在收割機上應(yīng)用了運動追蹤控制算法。試驗場景如圖5所示。

圖5 收割機運動控制系統(tǒng)實驗Fig. 5 The experiment of harvester motion control system

為了驗證運動追蹤控制算法的可行性，主要以收割機喂入量和行進速度的反饋調(diào)節(jié)為例，重點對收割機的速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)和收割機運動軌跡控制進行了試驗研究。通過試驗測試，得到收割機運動速度控制圖，如圖6所示。

圖6 收割機運動速度控制示意圖Fig.6 The sketch diagram of speed control of harvester movement

在運動過程中，收割機可以根據(jù)喂入量自行調(diào)整行進速度，然后再將速度信息反饋給攪龍，以調(diào)整其旋轉(zhuǎn)的角速度，使收割狀態(tài)達(dá)到最佳。速度測試結(jié)果表明：速度超調(diào)時間較短，速度調(diào)節(jié)較快，且調(diào)整后的速度平穩(wěn)，從而驗證了算法的可靠性。

收割機運動軌跡控制示意圖如圖7所示。以相同的原理可以實現(xiàn)收割機軌跡的控制，在試驗過程中將距離信息反饋給控制中心，從而可以使收割機自動的調(diào)整姿態(tài)，實現(xiàn)自主導(dǎo)航的功能，從而進一步提高收割機的自動化水平。

圖7 收割機運動軌跡控制示意圖Fig.7 The diagrammatic sketch of trajectory control of reaping machine

表1為速度調(diào)節(jié)的試驗結(jié)果。測試結(jié)果表明：采用基于跑步機速度跟蹤控制算法設(shè)計的收割機速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)時間較短，誤差較小，可以滿足較高精度收割的作業(yè)需求，從而驗證了該方案的可行性。

表1 速度調(diào)節(jié)控制結(jié)果統(tǒng)計Table 1 The statistics result of speed regulation control

4 結(jié)論

為了進一步提高聯(lián)合收割機的機動性和智能化水平，將跑步機跟蹤控制算法引入到了收割機運動控制系統(tǒng)中，通過喂入量的反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了聯(lián)合收割機行進速度得自動調(diào)節(jié)，使收割機可以自行調(diào)節(jié)到最佳收割狀態(tài)。為了驗證該方法的可行性，對收割機運動控制系統(tǒng)進行了試驗，結(jié)果表明：采用該套方案可以實現(xiàn)收割機行進速度的自動調(diào)節(jié)，并且調(diào)節(jié)時間短、反應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)誤差低。要實現(xiàn)速度跟蹤控制算法在收割機運動控制系統(tǒng)中切實可靠的運行，還需要進一步結(jié)合收割機作業(yè)環(huán)境及收割機的機械結(jié)構(gòu)，對收割機進一步的優(yōu)化，從而使該方案可以在實際生產(chǎn)中運用，提高收割機的作業(yè)水平。