農(nóng)機導航自校正模型控制方法探討

宋龍志

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

為了提升農(nóng)機導航管控精度與可靠性，很多專家對導航管控模式實施了大規(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多專家完成導航管控模式的核心趨勢。因為農(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)建精準的數(shù)學模型難度不小，已有的多類模型管控模式所使用的模型通常基于在既定類似假定條件構(gòu)建的運動學模型。模型管控模式的優(yōu)勢為在可取得精確模型的管控層面，管控特性較為優(yōu)良；缺陷是對模型的精準度要求很高，不精準的數(shù)學模型會給管控模型的管控質(zhì)量造成負面效應(yīng)，所以如何解決這類問題成為智能操作行業(yè)中的一大課題。

1 當代農(nóng)機自動導航系統(tǒng)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)

農(nóng)機的自動導航管控通常是對農(nóng)機實施橫向方位的管控，即管控農(nóng)機最終預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)，進而滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。當代農(nóng)機自動導航系統(tǒng)通常由管控單元、測試單元、執(zhí)行單元與監(jiān)督單元四大單元組成。

測試單元功能是對目前方位與工況的測試，當中的傳感設(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，用來測試農(nóng)機目前的方位、姿態(tài)角訊息與方位、姿態(tài)角的改變速率，也就是說農(nóng)機運轉(zhuǎn)速率與運轉(zhuǎn)角速率等；輪轂轉(zhuǎn)角傳感設(shè)備用來檢測農(nóng)機轉(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。

管控單元是導航體系的中心，要完成導航途徑設(shè)計與路徑追蹤管控。當中，導航管控設(shè)備依照農(nóng)機的當前方位訊息與目標路徑訊息，依照某類導航管控方略，運算出轉(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)機目前的轉(zhuǎn)向角與來源于導航管控器的轉(zhuǎn)向角命令，根據(jù)某類轉(zhuǎn)向管控方略，運算出對轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的管控量，例如頻次、電壓等，進而管控轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的轉(zhuǎn)動，把農(nóng)機轉(zhuǎn)向輪運轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)向角命令需要的視角。

執(zhí)行單元是農(nóng)機轉(zhuǎn)向的執(zhí)行單元，其功能是把轉(zhuǎn)向管控設(shè)備的管控訊號轉(zhuǎn)變成對農(nóng)機轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向力矩，讓轉(zhuǎn)向輪開始工作。監(jiān)督單元是導航體系的人機互動界面，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、導航任務(wù)管控、導航工況監(jiān)督等。

2 農(nóng)機導航自校正模型管控簡述

農(nóng)機導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，鑒于非線性運動學模型創(chuàng)設(shè)了可靠的控制律，鑒于目前的方位訊息運算管控量轉(zhuǎn)向輪期待轉(zhuǎn)角δ，并將其輸出到執(zhí)行部門，管控農(nóng)機讓其根據(jù)預設(shè)路徑運動。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)驗創(chuàng)設(shè)模糊管控準則，校正模型管控其管控量是δ。因為模型管控設(shè)備創(chuàng)設(shè)所依靠的運動學模型僅是農(nóng)機運轉(zhuǎn)狀況的類似反應(yīng)，模型管控設(shè)備的管控成效與預計有所出入，自校正管控設(shè)備引進一段時期后橫向誤差的改變態(tài)勢sdy可以監(jiān)督模型管控設(shè)備的管控成效，并實時運算轉(zhuǎn)向輪期待補償角δ，修正模型管控器管控量δ。自校正模型管控既預留了模型管控模式在導航管控中的功能，又縮減了不精確模型給導航管控質(zhì)量帶去的負面效應(yīng)，提升了導航管控精度。

3 自校正模型管控設(shè)備設(shè)計

此處，本文探討的是農(nóng)機運動學模型。在不權(quán)衡輪轂與地表的互為影響，且沒有側(cè)偏俯仰、滑移等現(xiàn)象的狀況下，要把農(nóng)用拖拉機、聯(lián)合收割機、插秧設(shè)備等多類四輪農(nóng)機當成二輪車模型完成運動學解析。

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計的追蹤效果有所差別。所以，能夠通過監(jiān)督檢測模型管控設(shè)備管控成效與預計成效的契合度來考評模型管控設(shè)備的管控成效。因此，引進近期Δt內(nèi)誤差改變態(tài)勢變量sdy當成契合度數(shù)據(jù)

Δt必須通過經(jīng)驗來選擇，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)備的反映速率會相對慢一點，然而系統(tǒng)的可靠性有所保障。通過反復驗證，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)勢變量sdy。輸出變量是轉(zhuǎn)向輪期待補償角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言數(shù)據(jù)表示的某個模糊化級別的序數(shù)。

3.2 管控準則庫設(shè)計

依照駕駛者的具體駕車經(jīng)驗，自校正管控設(shè)備的設(shè)計準則是：誤差絕對值很大時，管控量盡可能縮減誤差；誤差絕對值很小時，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。假如偏差絕對數(shù)據(jù)的改變態(tài)勢變大，自校正管控設(shè)備要輸出轉(zhuǎn)向輪期待補償角校正模型管控設(shè)備輸出，讓農(nóng)機向誤差縮小的方位移動；假如偏差絕對數(shù)據(jù)的改變態(tài)勢變小，表示此時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 車體與導航線方位關(guān)系圖

圖2說明，車身在導航線的右端，橫向誤差是最大負值，并且有持續(xù)負增加的態(tài)勢。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)向輪期待補償角的峰值以校正轉(zhuǎn)向輪期待轉(zhuǎn)角，讓車體往導航線方位移動。

4 結(jié)語

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)備使用漸進可靠的管控律運算管控量，管控農(nóng)機根據(jù)設(shè)計路線運動，自校正管控設(shè)備實施監(jiān)督管控模式的管控成效，依照駕駛者經(jīng)驗自動調(diào)試模型管控模式，提升了農(nóng)機導航管控系統(tǒng)的管控精度與可靠性。