基于GNSS的平地控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 由，張 吉，李曉宇，董方園，秦振豐

(上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702)

0 引言

農(nóng)田土地平整度是影響土地灌溉效率和土壤礦物質(zhì)均勻度的關(guān)鍵因素[1]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)向精準(zhǔn)化發(fā)展，對(duì)農(nóng)田平整度有更高要求，提高農(nóng)田精細(xì)平整技術(shù)可有效增加土地利用率、改善土壤質(zhì)量和滿足精細(xì)灌溉需求，以達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)目的[2-3]。

目前，土地平整技術(shù)主要有激光平地技術(shù)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)平地技術(shù)，激光平地技術(shù)利用激光和液壓控制系統(tǒng)作為非視覺(jué)手段，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土地的精細(xì)平整，但激光平地技術(shù)作業(yè)半徑小，易受外界環(huán)境影響，不適合平整高程差較大的土地[4-5]。GNSS平地技術(shù)通過(guò)GNSS差分定位獲取農(nóng)田高程數(shù)據(jù)，通過(guò)實(shí)際高程與設(shè)定的基準(zhǔn)高程差來(lái)控制鏟體的升降實(shí)現(xiàn)土地精細(xì)平整，具有集成度高、可視化強(qiáng)和效率高等優(yōu)點(diǎn)，相較于激光平地技術(shù)應(yīng)用前景更好[6-7]。

由于GNSS定位數(shù)據(jù)具有隨機(jī)誤差和離散性，使用GNSS定位高程數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)控制鏟體，容易導(dǎo)致平地鏟在田地振蕩形成肉眼可見(jiàn)的高低起伏——“波浪地”。因此，國(guó)內(nèi)GNSS平地設(shè)備普遍在高速作業(yè)狀態(tài)下平地效果不好，而增大控制滯環(huán)有助于改善此現(xiàn)象，但會(huì)使平地鏟的控制精度降低[8-9]?；诖?，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)劉剛團(tuán)隊(duì)提出了一種濾波算法，可減少多徑效應(yīng)和隨機(jī)誤差對(duì)高程測(cè)量的影響，但該算法運(yùn)行成本高，需要對(duì)不同平地鏟做校準(zhǔn)，難以商業(yè)推廣[10-11]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種農(nóng)田土地精細(xì)平地控制系統(tǒng)，提出一種可控制時(shí)長(zhǎng)的滯環(huán)控制算法，根據(jù)平地鏟的運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)平地鏟控制動(dòng)作在時(shí)間上進(jìn)行精細(xì)劃分，以減少平地鏟超調(diào)，提高平地鏟的作業(yè)精度。

1 系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計(jì)

1.1 GNSS平地控制系統(tǒng)工作原理

GNSS平地控制系統(tǒng)主要由GNSS基站、GNSS天線、RTK-GNSS接收機(jī)、控制器、液壓系統(tǒng)、車載終端計(jì)算機(jī)和平地鏟設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示。

1.GNSS基站 2.液壓系統(tǒng) 3.GNSS天線 4.RTK-GNSS接收機(jī) 5.控制器 6.車載終端計(jì)算機(jī)圖1 GNSS平地系統(tǒng)組成Fig.1 GNSS flat level system composition

農(nóng)田土地精細(xì)平地控制系統(tǒng)工作原理是利用RTK-GNSS接收機(jī)接收GNSS基站發(fā)送的差分信號(hào)獲取農(nóng)田三維數(shù)據(jù)[12-17]。控制器實(shí)時(shí)接收RTK-GNSS接收機(jī)測(cè)量到的平地鏟絕對(duì)高程數(shù)據(jù)，通過(guò)車載終端計(jì)算機(jī)給控制器輸入基準(zhǔn)高程作為平地機(jī)作業(yè)的基準(zhǔn)面，在平整作業(yè)過(guò)程，控制器通過(guò)實(shí)時(shí)對(duì)比測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際高程值與基準(zhǔn)高程，根據(jù)當(dāng)前地勢(shì)差值情況驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)控制平地鏟完成土地平整。

1.2 GNSS平地控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)GNSS平地控制系統(tǒng)工作原理，結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)GNSS平地控制的研究成果，提出了基于GNSS土地精平機(jī)電控制系統(tǒng)的優(yōu)化方法，其中GNSS土地精平機(jī)電控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)Fig.2 System overall design

GNSS系統(tǒng)選用上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)有限公司自主研發(fā)的R61接收機(jī)、GNSS天線和R25基站，R25基站內(nèi)置GNSS高精度板卡、雙4G全網(wǎng)通訊模塊、藍(lán)牙模塊和無(wú)線電通訊模塊于一體。車載終端計(jì)算機(jī)使用上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的T100車載平板，搭載Andriod系統(tǒng)，配合自主開(kāi)發(fā)的GNSS平地上位機(jī)軟件來(lái)輔助平地作業(yè)?？刂破鞑捎肅ortex-M3為核心處理芯片，集成RS232和CAN通訊電路，為滿足農(nóng)業(yè)使用環(huán)境的需求，使用防水防塵的塑料外殼將平地控制器封裝在內(nèi)，并將殼體固定在拖拉機(jī)駕駛艙內(nèi)。液壓系統(tǒng)和鏟運(yùn)裝置是農(nóng)田平整的機(jī)械設(shè)備，液壓系統(tǒng)根據(jù)控制器的控制指令來(lái)開(kāi)關(guān)電磁閥，改變液壓油的流向，使得液壓油缸柱塞產(chǎn)生位移來(lái)控制平地鏟體的升降。

2 控制方法

2.1 一般滯環(huán)控制算法

我國(guó)市場(chǎng)現(xiàn)有的平地機(jī)大都使用開(kāi)關(guān)換向閥作為控制部件，開(kāi)關(guān)換向閥只能控制液壓流向不能控制液壓流量，因此在換向閥流量相同的情況下，無(wú)論高程差大小，控制器只能通過(guò)判斷誤差方向及是否大于閾值來(lái)控制平地鏟升降。在自動(dòng)控制模式下，控制器控制換向閥的周期一般與RTK-GNSS接收機(jī)輸出的定位數(shù)據(jù)更新周期相同，每當(dāng)定位數(shù)據(jù)更新一次，控制器計(jì)算當(dāng)前誤差，如果大于閾值則驅(qū)動(dòng)電磁閥，執(zhí)行相應(yīng)的抬升下降動(dòng)作。其控制流程如圖3所示。

圖3 一般滯環(huán)控制算法流程Fig.3 Flow chart of general hysteresis control algorithm

由控制流程圖可知，一般滯環(huán)控制算法是根據(jù)平地鏟當(dāng)前高程H1和基準(zhǔn)高程H2計(jì)算誤差δ，通過(guò)閾值η與誤差δ的差值大小來(lái)控制平地鏟的升降，則有

δ=|H1-H2|

(1)

當(dāng)δ<η時(shí)，平地鏟不進(jìn)行高程調(diào)整，當(dāng)δ>η時(shí)，控制器發(fā)送控制指令控制平地鏟升降，由于平地鏟在每個(gè)控制周期升降距離L是相同的，則有

ε=L-δ

(2)

當(dāng)誤差ε>η時(shí)，表示調(diào)整鏟體高程時(shí)發(fā)生超調(diào)，超調(diào)導(dǎo)致平地鏟在滯環(huán)邊抖動(dòng)，平整過(guò)的地面會(huì)有較多波浪形。

2.2 可變控制時(shí)長(zhǎng)的滯環(huán)控制算法

針對(duì)GNSS定位數(shù)據(jù)有隨機(jī)誤差，使用一般滯環(huán)控制算法容易導(dǎo)致超調(diào)，本文提出一種可控制時(shí)長(zhǎng)的滯環(huán)控制算法，通過(guò)控制電磁閥的通電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高精度的平地鏟升降控制。

平地鏟開(kāi)關(guān)換向閥的閥芯開(kāi)口大小恒定，電磁閥開(kāi)啟后通過(guò)閥芯的液壓流量相對(duì)恒定，即液壓缸運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)一致，因此在電磁閥工作時(shí)，平地鏟的上升速度和下降速度也相對(duì)一致?？梢酝ㄟ^(guò)控制電磁閥的通電時(shí)間，來(lái)控制平地鏟的相對(duì)高度變化?？紤]到平地鏟的抬升和下降時(shí)液壓系統(tǒng)負(fù)載不同，需要對(duì)平地鏟的抬升和下降速度做標(biāo)定。為了取得相對(duì)準(zhǔn)確的平地鏟上升速度Vu和下降速度Vd，先測(cè)得平地鏟極限高程變化量H，再多次測(cè)量上升行程總時(shí)間Tu和下降行程總時(shí)間Td，則Vu和Vd的計(jì)算公式為

(3)

每當(dāng)定位數(shù)據(jù)更新后，將平地鏟和基準(zhǔn)面的誤差δ與閾值η比較，如果|δ|>η，選擇對(duì)應(yīng)得速度計(jì)算電磁閥通電時(shí)間t，則有

(4)

使用該方法后相當(dāng)于將一個(gè)控制周期內(nèi)的時(shí)間進(jìn)行了細(xì)分，原來(lái)一個(gè)控制周期內(nèi)平地鏟升降的距離是一個(gè)定值，該方法根據(jù)誤差計(jì)算通電時(shí)長(zhǎng)，使得平地鏟剛好運(yùn)動(dòng)到閾值范圍，減少平地鏟超調(diào)引起的震蕩。

3 GNSS平地試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)材料與方法

為了驗(yàn)證本文提出的控制方法可行性，選取黑龍江省建三江管局七星農(nóng)場(chǎng)的一塊500 m×500 m地塊，使用拖拉機(jī)作為牽引車，牽引2.5 m幅寬的GNSS土地精平設(shè)備，試驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)地Fig.4 Test site

田間試驗(yàn)及數(shù)據(jù)采集：首先使用GNSS平地系統(tǒng)將試驗(yàn)地塊平整一遍，使地塊相對(duì)高差不超過(guò)5 cm，然后抬高基準(zhǔn)面使得鏟刀離地5 cm左右，記錄基準(zhǔn)高程。分別使用上述一般滯環(huán)控制算法和可變控制時(shí)長(zhǎng)的滯環(huán)控制算法，設(shè)置閾值1.5 cm，分別在地塊中用4和9 km/h的速度自動(dòng)作業(yè)，沿固定的路徑繞圈行駛，并通過(guò)CAN各采集1 h試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用Excel篩選統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本試驗(yàn)用于驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的GNSS土地機(jī)電精平控制系統(tǒng)完成作業(yè)后所能達(dá)到的效果，需要在已經(jīng)基本平整完成的地塊中進(jìn)行，將平地鏟抬離地面是為了防止平地鏟破壞地形導(dǎo)致無(wú)法對(duì)比數(shù)據(jù)。本文主要對(duì)比基準(zhǔn)面±1.5 cm范圍內(nèi)點(diǎn)的占比，±2 cm范圍內(nèi)點(diǎn)的占比，執(zhí)行控制動(dòng)作的控制周期占比(動(dòng)作占比)，高程值穿越閾值范圍的次數(shù)(翻轉(zhuǎn)率),以及高程值在2 s內(nèi)變化超過(guò)4 cm的點(diǎn)(突變率)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Test data statistics 單位：%

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在低速作業(yè)狀態(tài)下，使用可變時(shí)長(zhǎng)滯環(huán)控制算法時(shí)平地鏟動(dòng)作占比由一般滯環(huán)控制算法的5.63%減小到4.26%，同時(shí)平地鏟的翻轉(zhuǎn)率由1.56%減小到1.40%，定位高程值的突變率由1.50%減小到1.04%；在高速作業(yè)狀態(tài)下，使用可變時(shí)長(zhǎng)滯環(huán)控制算法時(shí)平地鏟動(dòng)作占比由一般滯環(huán)控制算法的11.23%減小到9.32%，同時(shí)平地鏟的翻轉(zhuǎn)率由3.70%減小到2.82%，定位高程值的突變率由5.28%減小到4.85%。采用改進(jìn)后的可變時(shí)長(zhǎng)滯環(huán)控制算法，明顯減少了液壓缸的動(dòng)作，并且減少了平地鏟在基準(zhǔn)面附近震蕩的情況，更低的突變率也會(huì)使得平整過(guò)的地面看起來(lái)更平緩，特別是高速情況下的數(shù)據(jù)，說(shuō)明可變時(shí)長(zhǎng)的控制方法可以明顯改善高速作業(yè)下“波浪地”的問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)完善了基于GNSS的精準(zhǔn)平地控制系統(tǒng)，提出一種可變時(shí)長(zhǎng)滯環(huán)控制算法，該方法根據(jù)誤差計(jì)算電磁閥的通電時(shí)長(zhǎng)，相當(dāng)于將一個(gè)控制周期內(nèi)的時(shí)間進(jìn)行了細(xì)分，可有效減少平地鏟因超調(diào)而在基準(zhǔn)面附近震蕩。經(jīng)室外測(cè)試驗(yàn)證，平地系統(tǒng)在低速作業(yè)下可減少15%的震蕩，在高速作業(yè)時(shí)可減少23%的震蕩，同時(shí)也有效降低了平地鏟的高程突變，在低速作業(yè)時(shí)減少30%，在高速作業(yè)時(shí)減少8%的突變。無(wú)論高速還是低速作業(yè)，都能保證90%以上的點(diǎn)在±2 cm以內(nèi)，滿足土地平整的精度要求，符合推廣應(yīng)用。