劉 巖

(新疆工程學(xué)院 控制工程學(xué)院，烏魯木齊 830023)

0 引言

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高效高產(chǎn)目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，自動(dòng)化機(jī)械得到了迅速的發(fā)展，采用自動(dòng)化作業(yè)裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作勢(shì)在必行。目前，我國(guó)自動(dòng)化農(nóng)田作業(yè)裝置大部分還是采用機(jī)械式或者液壓式的，不僅裝置笨重，控制效率和準(zhǔn)確度也較低。近年來(lái)，隨著電控系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電控式農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)初步得到了推廣。自動(dòng)化播種機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的機(jī)械之一，采用自動(dòng)作業(yè)播種機(jī)不僅可以縮短播種周期，還可以提高播種質(zhì)量。為此，本文將模糊控制系統(tǒng)引入到了播種機(jī)的自動(dòng)調(diào)速和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，以期提高播種機(jī)自動(dòng)作業(yè)的控制速度和精度，進(jìn)而提高播種機(jī)作業(yè)的自動(dòng)化程度。

1 播種機(jī)速度檢測(cè)和方向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著播種機(jī)自動(dòng)化作業(yè)水平的不斷提高，無(wú)人駕駛播種機(jī)也逐漸在農(nóng)田實(shí)際作業(yè)過(guò)程中展開(kāi)試驗(yàn)研究。要實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的無(wú)人駕駛自動(dòng)化作業(yè)，必須解決播種機(jī)的方向控制問(wèn)題，特別是在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，需要對(duì)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。因此，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中采集車速，然后反饋給控制系統(tǒng)，將車速降低到轉(zhuǎn)向需要的轉(zhuǎn)速，從而提高轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。目前，轉(zhuǎn)速的測(cè)試主要有兩種傳感器，包括軸編碼器和模糊轉(zhuǎn)速計(jì)。

1.1 軸編碼器

軸編碼器主要是用來(lái)測(cè)試車輪旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和位置。絕對(duì)位置編碼器一般用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)軸的相對(duì)位置，而增量式編碼器一般被用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速，在檢測(cè)速度過(guò)程中可以直接產(chǎn)生脈沖序列。軸編碼器一般采用光學(xué)編碼器，可以利用電磁學(xué)原理制成霍爾效應(yīng)編碼器。

1.2 模擬轉(zhuǎn)速計(jì)

模擬轉(zhuǎn)速計(jì)安裝在電機(jī)軸上，其輸出的是電壓信號(hào)，該信號(hào)與轉(zhuǎn)速成正比。但是模擬轉(zhuǎn)速計(jì)輸出的不是直接的數(shù)字信號(hào)，要顯示數(shù)字量還需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并且對(duì)電機(jī)的輸出動(dòng)力也會(huì)有影響。因此，對(duì)比軸編碼器，本文設(shè)計(jì)采用增量式編碼器。增量式編碼器主要分為3種，包括光柵式編碼器、反射式光學(xué)編碼器和霍爾效應(yīng)編碼器。為了獲得高效和精度較高的編碼器，本次采用光柵式編碼器，如圖1所示。

圖1 增量式編碼器Fig.1 Incremental encoders

對(duì)于播種機(jī)方向的控制，本次采用PWM波對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制?？刂七^(guò)程采用固定的周期信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)向的方位角和脈沖的寬度呈現(xiàn)正比例的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 脈寬與轉(zhuǎn)角之間的線性關(guān)系Fig.2 The linear relationship between the pulse width and the diversio angle

在進(jìn)行實(shí)際控制時(shí)，首先在舵機(jī)內(nèi)部采用一個(gè)50Hz的脈沖基礎(chǔ)信號(hào)，然后將外部的PWM信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，確定轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確自動(dòng)轉(zhuǎn)向，可以采用PID反饋調(diào)節(jié)的方式，將播種機(jī)攝像機(jī)采集得到的圖像信號(hào)與導(dǎo)航標(biāo)致線進(jìn)行對(duì)比，得到較為準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)角；然后將轉(zhuǎn)角信息傳送給控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛播種機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)。

2 基于模糊控制和反饋調(diào)劑的播種機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高播種機(jī)的自動(dòng)化轉(zhuǎn)向精度，可以采用反饋調(diào)節(jié)的方式，但這個(gè)過(guò)程計(jì)算量比較大。為了提高播種機(jī)的控制效率，根據(jù)播種機(jī)運(yùn)動(dòng)反饋信號(hào)和采集圖像信號(hào)，利用模糊控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的快速自動(dòng)控制，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 播種機(jī)模糊控制反饋系統(tǒng)模型框圖Fig.3 The model block diagram of fuzzy control feedback system for sowing machine

在實(shí)際自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程中，由于計(jì)算機(jī)采用的是采樣控制方法，只能根據(jù)采樣間的偏差進(jìn)行自動(dòng)化控制，這需要對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理。假設(shè)采樣周期為T，連續(xù)時(shí)間可以看成是一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn)KT，將積分近似替換為累加求和，將微分近似替換為一階向后差分，其控制過(guò)程為

t=KT

(1)

(2)

(3)

其中，e(k)表示采樣系統(tǒng)的k時(shí)刻偏差；e(k-1)表示采樣系統(tǒng)的k-1時(shí)刻偏差；k表示采樣序列號(hào)，其值為k=0,1,2，...。于是，可以得到離散化的PID表達(dá)式為

(4)

(5)

由反饋調(diào)節(jié)的表達(dá)式可以看出：輸出與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，需要對(duì)歷次的偏差進(jìn)行累計(jì)。利用遞推算法，考慮第k-1次采樣時(shí)，則

(6)

將公式(5)和公式(6)相減可得

(7)

整理后得

u(k)=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+

a2e(k-2)

(8)

圖4 播種機(jī)反饋調(diào)節(jié)控制流程Fig.4 The feedback regulation control flow of sowing machine

在進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)控制時(shí)，可以利用攝像機(jī)和傳感器裝置對(duì)環(huán)境信息和播種機(jī)轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行采集，然后對(duì)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，將數(shù)據(jù)和設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，最后進(jìn)行速度和轉(zhuǎn)向的調(diào)控。模糊控制系統(tǒng)硬件框架如圖5所示。

圖5 模糊控制系統(tǒng)硬件框架Fig.5 The hardware framework of fuzzy control system

模糊控制器系統(tǒng)主要是對(duì)速度的采集和對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)控，并利用PWM脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)左右輪的差速轉(zhuǎn)向功能。

3 播種機(jī)模糊自動(dòng)控制反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)測(cè)試

播種機(jī)模糊控制反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的功能測(cè)試可以通過(guò)無(wú)人駕駛拖拉機(jī)的測(cè)試過(guò)程實(shí)現(xiàn)，將模糊控制器安裝在播種機(jī)上后，通過(guò)速度信號(hào)檢測(cè)和自動(dòng)轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確性測(cè)試，驗(yàn)證模糊控制系統(tǒng)的可靠性，如圖6所示。

在播種機(jī)速度反饋調(diào)節(jié)和自動(dòng)轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，速度量和轉(zhuǎn)向角度量的檢測(cè)非常重要，這也是模糊控制的基礎(chǔ)，本次通過(guò)光柵碼盤對(duì)速度和角度量進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 播種機(jī)模糊控制系統(tǒng)測(cè)試Fig.6 The planter test of the fuzzy control system

圖7 速度模糊控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 The system structure of speed fuzzy controller

小車轉(zhuǎn)角的大小和PWM值是對(duì)應(yīng)的。根據(jù)播種機(jī)的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)播種機(jī)直行時(shí)，可以讓播種機(jī)以加高的速度進(jìn)行形式；當(dāng)播種機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，需要降低速度，并控制輪子的差速比例。如果播種機(jī)以較高的速度進(jìn)入到轉(zhuǎn)彎過(guò)程，則需要播種機(jī)降速。根據(jù)以上控制規(guī)則，總結(jié)的模糊規(guī)則表如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 The rule table of fuzzy control

將模糊控制規(guī)則表利用編程的方式嵌入到硬件控制系統(tǒng)中，利用模糊控制可以提高控制的效率。為了測(cè)試模糊控制器的有效性，對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 模糊反饋調(diào)節(jié)播種機(jī)自動(dòng)控制相應(yīng)時(shí)間測(cè)試Table 2 The corresponding time test of automatic control of the fuzzy feedback control seeder ms

測(cè)試結(jié)果表明：采用模糊控制系統(tǒng)后，播種機(jī)的響應(yīng)速度明顯變快，從而驗(yàn)證了模糊反饋系統(tǒng)的有效性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，對(duì)自動(dòng)控制轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確度進(jìn)行了測(cè)試，得到了如表3所示的結(jié)果。

測(cè)試結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)的控制精確度較高，可以滿足播種機(jī)作業(yè)需求，但要實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人駕駛，還需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)一步改善，以提高控制精度。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的無(wú)人化作業(yè)，對(duì)播種機(jī)的速度和轉(zhuǎn)向自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行了深入的研究，并將模糊控制和反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)引入到了播種機(jī)的控制系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)速度和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。對(duì)模糊控制和反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：采用模糊和PID反饋調(diào)節(jié)后，播種機(jī)速度和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度有了明顯的提高，控制準(zhǔn)確性較高。