宋龍志

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

為了提升農(nóng)機(jī)導(dǎo)航管控精度與可靠性，很多專家對(duì)導(dǎo)航管控模式實(shí)施了大規(guī)模的研究。管控模式的研討不但在以往的PID管控模式層面，模型管控模式與模糊管控模式也轉(zhuǎn)變?yōu)橹T多專家完成導(dǎo)航管控模式的核心趨勢(shì)。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)設(shè)備的作業(yè)環(huán)境不佳，輪轂與地表作用流程繁雜，構(gòu)建精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型難度不小，已有的多類模型管控模式所使用的模型通?；谠诩榷愃萍俣l件構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。模型管控模式的優(yōu)勢(shì)為在可取得精確模型的管控層面，管控特性較為優(yōu)良；缺陷是對(duì)模型的精準(zhǔn)度要求很高，不精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型會(huì)給管控模型的管控質(zhì)量造成負(fù)面效應(yīng)，所以如何解決這類問(wèn)題成為智能操作行業(yè)中的一大課題。

1 當(dāng)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)

農(nóng)機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航管控通常是對(duì)農(nóng)機(jī)實(shí)施橫向方位的管控，即管控農(nóng)機(jī)最終預(yù)先確定好的工作路徑，讓其與路徑間的橫向方位誤差維持在允許的精度范疇以內(nèi)，進(jìn)而滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。當(dāng)代農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)通常由管控單元、測(cè)試單元、執(zhí)行單元與監(jiān)督單元四大單元組成。

測(cè)試單元功能是對(duì)目前方位與工況的測(cè)試，當(dāng)中的傳感設(shè)備一般包含方位傳感設(shè)備、姿態(tài)傳感設(shè)備、速率傳感設(shè)備等，用來(lái)測(cè)試農(nóng)機(jī)目前的方位、姿態(tài)角訊息與方位、姿態(tài)角的改變速率，也就是說(shuō)農(nóng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速率與運(yùn)轉(zhuǎn)角速率等；輪轂轉(zhuǎn)角傳感設(shè)備用來(lái)檢測(cè)農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向輪目前轉(zhuǎn)向視角訊息，用以轉(zhuǎn)向管控回路的回饋傳感設(shè)備。

管控單元是導(dǎo)航體系的中心，要完成導(dǎo)航途徑設(shè)計(jì)與路徑追蹤管控。當(dāng)中，導(dǎo)航管控設(shè)備依照農(nóng)機(jī)的當(dāng)前方位訊息與目標(biāo)路徑訊息，依照某類導(dǎo)航管控方略，運(yùn)算出轉(zhuǎn)向視角的期待值，也就是轉(zhuǎn)向角命令；轉(zhuǎn)向管控設(shè)備依照農(nóng)機(jī)目前的轉(zhuǎn)向角與來(lái)源于導(dǎo)航管控器的轉(zhuǎn)向角命令，根據(jù)某類轉(zhuǎn)向管控方略，運(yùn)算出對(duì)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的管控量，例如頻次、電壓等，進(jìn)而管控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，把農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向輪運(yùn)轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)向角命令需要的視角。

執(zhí)行單元是農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向的執(zhí)行單元，其功能是把轉(zhuǎn)向管控設(shè)備的管控訊號(hào)轉(zhuǎn)變成對(duì)農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向力矩，讓轉(zhuǎn)向輪開(kāi)始工作。監(jiān)督單元是導(dǎo)航體系的人機(jī)互動(dòng)界面，通常由一部田間電腦完成。田間電腦的核心功能包含體系數(shù)據(jù)設(shè)置、導(dǎo)航任務(wù)管控、導(dǎo)航工況監(jiān)督等。

2 農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型管控簡(jiǎn)述

農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型管控設(shè)備由模型管控設(shè)備與自校正管控設(shè)備兩大版塊構(gòu)成(圖1)。

圖1 管控框圖

模型管控器是主管控設(shè)備，鑒于非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)模型創(chuàng)設(shè)了可靠的控制律，鑒于目前的方位訊息運(yùn)算管控量轉(zhuǎn)向輪期待轉(zhuǎn)角δ，并將其輸出到執(zhí)行部門(mén)，管控農(nóng)機(jī)讓其根據(jù)預(yù)設(shè)路徑運(yùn)動(dòng)。自校正管控設(shè)備作為輔助管控設(shè)備，使用模糊管控模式，基于駕駛員經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)模糊管控準(zhǔn)則，校正模型管控其管控量是δ。因?yàn)槟Ｐ凸芸卦O(shè)備創(chuàng)設(shè)所依靠的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型僅是農(nóng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的類似反應(yīng)，模型管控設(shè)備的管控成效與預(yù)計(jì)有所出入，自校正管控設(shè)備引進(jìn)一段時(shí)期后橫向誤差的改變態(tài)勢(shì)sdy可以監(jiān)督模型管控設(shè)備的管控成效，并實(shí)時(shí)運(yùn)算轉(zhuǎn)向輪期待補(bǔ)償角δ，修正模型管控器管控量δ。自校正模型管控既預(yù)留了模型管控模式在導(dǎo)航管控中的功能，又縮減了不精確模型給導(dǎo)航管控質(zhì)量帶去的負(fù)面效應(yīng)，提升了導(dǎo)航管控精度。

3 自校正模型管控設(shè)備設(shè)計(jì)

此處，本文探討的是農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在不權(quán)衡輪轂與地表的互為影響，且沒(méi)有側(cè)偏俯仰、滑移等現(xiàn)象的狀況下，要把農(nóng)用拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)、插秧設(shè)備等多類四輪農(nóng)機(jī)當(dāng)成二輪車(chē)模型完成運(yùn)動(dòng)學(xué)解析。

模型管控設(shè)備在直線路徑與小曲率途徑追蹤階段的最終成效最佳，但是在大曲率途徑追蹤階段最終成效與預(yù)計(jì)的追蹤效果有所差別。所以，能夠通過(guò)監(jiān)督檢測(cè)模型管控設(shè)備管控成效與預(yù)計(jì)成效的契合度來(lái)考評(píng)模型管控設(shè)備的管控成效。因此，引進(jìn)近期Δt內(nèi)誤差改變態(tài)勢(shì)變量sdy當(dāng)成契合度數(shù)據(jù)

Δt必須通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇，假如Δt的數(shù)據(jù)極小，自校正管控設(shè)備的反映速率極快，然而系統(tǒng)的可靠性不佳；假如Δt的數(shù)據(jù)很大，自校正管控設(shè)備的反映速率會(huì)相對(duì)慢一點(diǎn)，然而系統(tǒng)的可靠性有所保障。通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)Δt是1.2 s。

3.1 輸入輸出變量的模糊化

自校正管控設(shè)備包含兩大輸入變量，橫向誤差變量y與改變態(tài)勢(shì)變量sdy。輸出變量是轉(zhuǎn)向輪期待補(bǔ)償角δ。模糊化階段通常要完成用數(shù)字表示的輸入量轉(zhuǎn)變?yōu)橐话阌谜Z(yǔ)言數(shù)據(jù)表示的某個(gè)模糊化級(jí)別的序數(shù)。

3.2 管控準(zhǔn)則庫(kù)設(shè)計(jì)

依照駕駛者的具體駕車(chē)經(jīng)驗(yàn)，自校正管控設(shè)備的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是：誤差絕對(duì)值很大時(shí)，管控量盡可能縮減誤差；誤差絕對(duì)值很小時(shí)，除要權(quán)衡到縮減誤差外，還應(yīng)兼顧系統(tǒng)可靠性的情況。假如偏差絕對(duì)數(shù)據(jù)的改變態(tài)勢(shì)變大，自校正管控設(shè)備要輸出轉(zhuǎn)向輪期待補(bǔ)償角校正模型管控設(shè)備輸出，讓農(nóng)機(jī)向誤差縮小的方位移動(dòng)；假如偏差絕對(duì)數(shù)據(jù)的改變態(tài)勢(shì)變小，表示此時(shí)的管控成效與起到管控成效基本契合，自校正管控設(shè)備輸出的管控量要小視角調(diào)試或不調(diào)試模型管控設(shè)備的輸出(圖2)。

圖2 車(chē)體與導(dǎo)航線方位關(guān)系圖

圖2說(shuō)明，車(chē)身在導(dǎo)航線的右端，橫向誤差是最大負(fù)值，并且有持續(xù)負(fù)增加的態(tài)勢(shì)。這和期待的模型管控設(shè)備管控成效不吻合，自校正管控設(shè)備要輸出正的轉(zhuǎn)向輪期待補(bǔ)償角的峰值以校正轉(zhuǎn)向輪期待轉(zhuǎn)角，讓車(chē)體往導(dǎo)航線方位移動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文給出了自校正模型管控模式，以模型管控設(shè)備為主管控設(shè)備，自校正管控設(shè)備為輔助管控設(shè)備。主管控設(shè)備使用漸進(jìn)可靠的管控律運(yùn)算管控量，管控農(nóng)機(jī)根據(jù)設(shè)計(jì)路線運(yùn)動(dòng)，自校正管控設(shè)備實(shí)施監(jiān)督管控模式的管控成效，依照駕駛者經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)調(diào)試模型管控模式，提升了農(nóng)機(jī)導(dǎo)航管控系統(tǒng)的管控精度與可靠性。