自動(dòng)導(dǎo)航插秧機(jī)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙熙瑋

(青島工學(xué)院 山東膠州 266300)

1 緒論

作為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航控制的基礎(chǔ)，自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制也是導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行環(huán)節(jié)，能夠影響導(dǎo)航的工作效果。作為最常用的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法，電機(jī)控制法和電控液壓控制法有不同的特點(diǎn)。第一種方法系統(tǒng)不需要大的改動(dòng)，但在切換手動(dòng)自動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)繁雜，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝要求嚴(yán)格，對(duì)不同的插秧機(jī)適應(yīng)性較弱。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，采用電動(dòng)方向盤對(duì)機(jī)器進(jìn)行改造。針對(duì)插秧機(jī)水田作業(yè)控制阻力多變化，阻力大的特點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的模型，采用帶死區(qū)的嵌套控制算法，通過仿真和具體環(huán)境的實(shí)際效果，來驗(yàn)證電動(dòng)方向盤自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的適應(yīng)性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分主要包含：電動(dòng)方向盤的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、輪角傳感器的應(yīng)用和轉(zhuǎn)向控制器。軟件方面主要包含：轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向控制算法的設(shè)計(jì)和嵌套算法的仿真。

固定部分加上轉(zhuǎn)動(dòng)部分組成了電動(dòng)方向盤的結(jié)構(gòu)。固定部分主要包含圓柱形電氣的電子部分，使用固定支架安裝在轉(zhuǎn)向軸的固定筒上；轉(zhuǎn)動(dòng)部分上端固定在轉(zhuǎn)子上，下端連接到轉(zhuǎn)向柱上，主要組成為花鍵套、方向盤和轉(zhuǎn)子。輪角傳感器主要作用為控制轉(zhuǎn)向，影響精度，根據(jù)具體情況采用間接測(cè)量的方法，得到插秧機(jī)前輪轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)的角度。轉(zhuǎn)向控制器運(yùn)算和決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的通信功能，電動(dòng)方向盤控制對(duì)應(yīng)的角度與速度，形成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。

針對(duì)阻力大、粘附力大等具體的水田工作環(huán)境設(shè)計(jì)，采用MATLAB進(jìn)行仿真，選擇傳遞函數(shù)對(duì)模型進(jìn)行辨識(shí)，設(shè)計(jì)帶死區(qū)的嵌套控制算法，最終確定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的模型。對(duì)內(nèi)環(huán)速度的控制、外環(huán)角速度的控制，分別采用位置式的PID算法和增量式的PID前饋算法。結(jié)合各個(gè)環(huán)節(jié)的間隙問題、自由行程問題，實(shí)現(xiàn)控制的穩(wěn)定性，表面操作的頻繁性，輔以雙閥值的設(shè)置，通過仿真實(shí)驗(yàn)，觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性，實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，為實(shí)地作業(yè)提供充實(shí)的理論基礎(chǔ)。

3 實(shí)地實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)水田插秧的工作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為三種，包含正弦波轉(zhuǎn)向跟蹤實(shí)驗(yàn)、小角度控制性能實(shí)驗(yàn)、大角度控制性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的目的主要是驗(yàn)證電動(dòng)方向盤轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)在水田作業(yè)環(huán)境下的適用效果。實(shí)驗(yàn)條件下，由導(dǎo)航控制器提供對(duì)應(yīng)的目標(biāo)速度和目標(biāo)角度，數(shù)據(jù)采集的工作由轉(zhuǎn)向控制器來完成。正弦波轉(zhuǎn)向跟蹤實(shí)驗(yàn)主要是用在平坦的路面上進(jìn)行，觀察轉(zhuǎn)向特性的穩(wěn)定性。小角度控制性能實(shí)驗(yàn)主要在水田環(huán)境中，包含平坦及不平坦的泥底層。實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證直線行駛，小角度跟蹤，轉(zhuǎn)向控制等性能的效果。大角度控制性能實(shí)驗(yàn)主要是田地邊緣自動(dòng)調(diào)頭，觀察電動(dòng)方向盤在大角度情況下的轉(zhuǎn)向效果。在各種實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，插秧機(jī)都需要從起點(diǎn)開始進(jìn)行直線行駛或者有角度行駛，同步記錄轉(zhuǎn)向控制的目標(biāo)角度與反饋角度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考的參數(shù)還有信號(hào)頻率、角度幅值，用以判斷控制的穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

通過整個(gè)實(shí)驗(yàn)，表明在大角度工作情況下，電動(dòng)方向盤控制速度較快，超調(diào)及震蕩基本無影響。在小角度工作情況下，控制遲滯出現(xiàn)在底部淤泥阻力較大時(shí)，此時(shí)需要增大控制力矩，前輪開始轉(zhuǎn)向，來完成對(duì)應(yīng)的控制目標(biāo)。在工況良好的環(huán)境下，控制快速，驅(qū)動(dòng)良好?？傊妱?dòng)方向盤的控制系統(tǒng)能夠良好的完成各種工作。

4 結(jié)論

本文以一種型號(hào)的水稻插秧機(jī)作為工作平臺(tái)，參考自動(dòng)導(dǎo)航插秧機(jī)在水田作業(yè)環(huán)境下的轉(zhuǎn)向控制特征，設(shè)計(jì)出電動(dòng)方向盤的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的二階系統(tǒng)模型，輔助MATLAB軟件中的Identification工具箱，進(jìn)行系統(tǒng)模型參數(shù)的辨識(shí)，選擇轉(zhuǎn)向模型的最優(yōu)工作系數(shù)。算法上采用了帶死區(qū)的嵌套控制算法，構(gòu)建Simulink仿真模型，對(duì)方波及正弦波的信號(hào)，進(jìn)行了相關(guān)信號(hào)測(cè)試，驗(yàn)證了控制算法的可行性。插秧機(jī)在對(duì)應(yīng)的正弦波轉(zhuǎn)向角、延時(shí)情況下，不同的泥底層環(huán)境下，對(duì)相關(guān)的控制滯后進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)及調(diào)節(jié)時(shí)間符合調(diào)節(jié)要求。三種不同的插秧機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于電動(dòng)方向盤的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、控制效果等方面都滿足了自動(dòng)導(dǎo)航插秧機(jī)轉(zhuǎn)向控制的要求。