面向?qū)ο蠹夹g(shù)的智能插秧機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計研究

史麗麗

(鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院 信息工程學(xué)院,鄭州 451191)

0 引言

插秧機(jī)作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)動力不足現(xiàn)象,影響插秧作業(yè)效率;同時,由于插秧作業(yè)人員水平差異,無法保證插秧質(zhì)量穩(wěn)定性。在實際插秧過程中,水田土壤具有較大的差異性,往往導(dǎo)致秧苗行距和株距均存在較大的波動,影響后期植保作業(yè)效率[1-3]。精準(zhǔn)化無人駕駛插秧智能控制系統(tǒng),能夠有效提高插秧作業(yè)的直線度和插秧作業(yè)效率[4]。為此,以插秧作業(yè)過程中插秧機(jī)橫向偏差和航向偏差為控制對象,基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計了一種智能插秧機(jī)控制系統(tǒng)。

1 插秧機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計

插秧機(jī)智能控制系統(tǒng)的本體是插秧機(jī),其作業(yè)精度和穩(wěn)定性會受到環(huán)境因素的影響。因此,在智能控制系統(tǒng)設(shè)計過程中,要考慮作業(yè)過程安全性和穩(wěn)定性,保留插秧機(jī)本體原有結(jié)構(gòu),避免插秧機(jī)功能受到干擾。插秧機(jī)智能控制系統(tǒng)在設(shè)計過程中所選擇的傳感器行程和精度要求能夠滿足作業(yè)需求,保證插秧作業(yè)過程的直線度和精度;智能控制系統(tǒng)要求具有人工操作和自動操作兩種不同的工作模式[5-6]。表1所示為插秧機(jī)本體主要性能參數(shù)。

表1 插秧機(jī)本體主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of transplanter body

插秧機(jī)智能控制系統(tǒng)硬件要求能夠在作業(yè)過程中對相關(guān)環(huán)境信息進(jìn)行實時采集,保證插秧作業(yè)過程順利進(jìn)行,其硬件主要包括信息獲取、控制策略及執(zhí)行子系統(tǒng)[7-8],如圖1所示。

插秧機(jī)智能控制系統(tǒng)主要包含插秧導(dǎo)航功能模塊和插秧機(jī)行進(jìn)作業(yè)控制功能模塊[9]。其中,插秧機(jī)行進(jìn)作業(yè)控制模塊包含行進(jìn)控制、轉(zhuǎn)向控制及插秧作業(yè)控制;插秧導(dǎo)航模塊以插秧機(jī)為控制對象,建立插秧機(jī)運(yùn)動學(xué)模型,制定導(dǎo)航作業(yè)過程中的跟蹤控制策略,同時對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性進(jìn)行分析,對控制參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,以滿足插秧機(jī)行進(jìn)過程中的誤差要求[10]。

圖1 插秧機(jī)智能控制系統(tǒng)總體框架示意圖Fig.1 Overall framework diagram of intelligent control system of transplanter

2 插秧機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

插秧機(jī)智能控制決策系統(tǒng)是系統(tǒng)硬件平臺核心,利用算法將獲取到的相關(guān)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行計算分析和傳遞,由主控制器、繼電器及其他控制裝置組成[11]。在控制作業(yè)過程中,主控制器將實時獲取到的相關(guān)環(huán)境參數(shù)信息、插秧機(jī)行進(jìn)姿態(tài)信息及轉(zhuǎn)角信息傳輸至繼電器,驅(qū)動插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu),從而實現(xiàn)插秧機(jī)作業(yè)過程路徑實時調(diào)整。

插秧機(jī)實際作業(yè)過程中,要求具有較好的實時性,能夠快速對相關(guān)信息進(jìn)行分析處理,同時要求設(shè)備具有較低的成本。綜上所述,智能控制系統(tǒng)選用STM32型數(shù)據(jù)處理電路板[12]。在作業(yè)過程中,數(shù)據(jù)處理電路板實時獲取插秧機(jī)的相關(guān)位置信息、航向姿態(tài)信息、轉(zhuǎn)角及行進(jìn)速度信息,對各種參數(shù)信息進(jìn)行分析處理后,實現(xiàn)插秧機(jī)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動化智能控制,同時能夠根據(jù)相關(guān)插秧需求,對插秧株距進(jìn)行調(diào)整,完成智能插秧作業(yè)過程[13]。

插秧機(jī)作業(yè)控制過程中,主控制器電路板將輸出信號傳輸至繼電器,驅(qū)動相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作,因此繼電器在控制過程中用來進(jìn)行信號隔離、信號切斷及大功率負(fù)載[14]。表2所示為繼電器相關(guān)性能參數(shù)。

表2 繼電器性能參數(shù)Table 2 Relay performance parameters

插秧機(jī)智能控制系統(tǒng)要求能夠進(jìn)行自主導(dǎo)航和自動駕駛,插秧作業(yè)過程中完全實現(xiàn)自動化,同時要求能夠?qū)Σ逖磉^程中的行進(jìn)速度、行駛誤差及行駛狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測,并反饋至控制系統(tǒng)主電路,達(dá)到穩(wěn)定控制的目的[15]。圖2所示為智能插秧機(jī)整機(jī)框架圖。

圖2 智能插秧機(jī)整機(jī)框架Fig.2 Frame of intelligent transplanter

3 智能控制策略分析

插秧機(jī)本體是一種四輪驅(qū)動的作業(yè)車輛,依靠前輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向,建立以作業(yè)車輛后軸中心為控制點的運(yùn)動學(xué)模型,即

其中,l表示作業(yè)車輛后軸中心運(yùn)動路徑弧長;v表示作業(yè)車輛行進(jìn)速度;d表示運(yùn)動路徑橫向偏差;ρ表示車輛行進(jìn)航向偏差;c(l)表示運(yùn)動路徑曲率半徑;θ表示作業(yè)車輛前輪轉(zhuǎn)角;H表示插秧機(jī)作業(yè)車輛后軸軸長;γ表示外界干擾。

假設(shè)存在z=[z1,z2]T=[d,ρ]T,則有

作業(yè)車輛后軸中心為控制點的運(yùn)動學(xué)模型變換為

綜上所述,插秧機(jī)智能控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)控制模型可表示為

4 性能試驗分析

為驗證智能插秧機(jī)控制系統(tǒng)的有效性,對插秧機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行性能試驗驗證。插秧機(jī)實際作業(yè)過程中,環(huán)境因素存在較大的不確定性,因此在進(jìn)行性能試驗驗證時在水泥路面和水田內(nèi)進(jìn)行試驗,對控制系統(tǒng)的實用性和可靠性進(jìn)行分析。

在水泥路面進(jìn)行試驗時,插秧機(jī)從開始位置進(jìn)行作業(yè)時,控制系統(tǒng)導(dǎo)航模塊實時記錄行進(jìn)過程中產(chǎn)生的橫向偏差和航向偏差。圖3所示為水泥路面進(jìn)行試驗時插秧機(jī)行進(jìn)路徑橫向偏差;圖4所示為水泥路面進(jìn)行試驗時插秧機(jī)行進(jìn)路徑航向偏差。

圖3 插秧機(jī)行進(jìn)路徑橫向偏差(水泥路面)Fig.3 Lateral deviation of rice transplanter travel path (cement pavement)

圖4 插秧機(jī)行進(jìn)路徑航向偏差(水泥路面)Fig.4 Heading deviation of rice transplanter travel path (cement pavement)

進(jìn)行水田試驗時,利用插秧機(jī)控制系統(tǒng)導(dǎo)航模塊對水田邊界點坐標(biāo)值和航向角度進(jìn)行采集,試驗過程中自主形成行進(jìn)作業(yè)路徑。圖5所示為水田進(jìn)行試驗時插秧機(jī)行進(jìn)路徑橫向偏差;圖6所示為水田進(jìn)行試驗時插秧機(jī)行進(jìn)路徑航向偏差。

圖5 插秧機(jī)行進(jìn)路徑橫向偏差(水田)Fig.5 Lateral deviation of transplanter travel path (paddy field)

圖6 插秧機(jī)行進(jìn)路徑航向偏差(水田)Fig.6 Heading deviation of rice transplanter travel path (paddy field)

由圖3～圖6可以看出:插秧機(jī)在水泥路面的行進(jìn)速度約為0.8m/s,轉(zhuǎn)彎過程中速度約為0.4m/s,在行進(jìn)至100m處位置時,插秧機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎。曲線數(shù)據(jù)表明:插秧機(jī)在水泥路面行進(jìn)過程中,橫向偏差小于50mm,航向偏差小于2°;插秧機(jī)在水田進(jìn)行作業(yè)試驗時,受到環(huán)境中滑移。暗坑及泥土深度等因素的干擾,插秧機(jī)在水田行進(jìn)過程中,橫向偏差小于60mm,航向偏差小于3°。

5 結(jié)論

基于面向?qū)ο蠹夹g(shù),利用自動導(dǎo)航和智能控制的方式設(shè)計一種智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)了插秧機(jī)作業(yè)過程的自主導(dǎo)航和自動駕駛等智能控制,有效改善插秧作業(yè)的直線度和作業(yè)效率。