農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型控制方法探討

陳志學(xué)

（杜集區(qū)農(nóng)林水利局，安徽杜集235000）

農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型控制方法探討

陳志學(xué)

（杜集區(qū)農(nóng)林水利局，安徽杜集235000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學(xué)技術(shù)應(yīng)用水平越來越高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐漸的朝著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)體系發(fā)展中的重要構(gòu)成，對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整個(gè)過程都有著積極地推動(dòng)作用，文章從運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的角度對(duì)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型控制進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

農(nóng)機(jī)導(dǎo)航；自校正模型；模型控制

1 農(nóng)業(yè)導(dǎo)航自校正模型控制構(gòu)成

農(nóng)業(yè)導(dǎo)航自校正模型屬于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制技術(shù)的一種特殊形式，目前來說對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)導(dǎo)航控制技術(shù)的要求不僅僅局限在控制方法的研究方面，有很多都已經(jīng)滲入到了對(duì)技術(shù)模型控制方法的方向。文章提出的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型首先從控制器的角度來看主要分為兩個(gè)環(huán)節(jié)，分別是技術(shù)模型控制器以及自校正控制器，其中自校正控制器主要是用來設(shè)定農(nóng)機(jī)設(shè)備的位置，模型控制器主要設(shè)定農(nóng)機(jī)設(shè)備的航向，模型控制器是整個(gè)自校正模型的核心控制器，自校正控制器是自校正模型中的輔助設(shè)備，其控制思想一方面具備模型控制的先天優(yōu)勢(shì)，另一方面可以降低不精確模型對(duì)控制質(zhì)量的影響，可以最大限度地提升農(nóng)機(jī)導(dǎo)航的精確性。

2 模型控制器設(shè)計(jì)

（1）農(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的設(shè)計(jì)首先需要拋開農(nóng)機(jī)設(shè)備車輪和地面的摩擦作用、無側(cè)滑側(cè)傾作用，其次這種條件下就可以將相應(yīng)的農(nóng)機(jī)設(shè)備例如農(nóng)用拖拉機(jī)等四輪設(shè)備當(dāng)做是二輪模型來考慮，具體的模型如圖1所示,圖1中O是運(yùn)動(dòng)學(xué)模型控制點(diǎn)，M是距離這個(gè)點(diǎn)最近的位置，以此為基礎(chǔ)，同時(shí)結(jié)合幾何物力規(guī)律得出以下公式（1）模型微分方程：

圖1 農(nóng)機(jī)設(shè)備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

式（1）中，θ為農(nóng)機(jī)設(shè)備的航向偏差角度；X為M沿著曲線的橫坐標(biāo)；l為農(nóng)機(jī)設(shè)備軸距；y為設(shè)備橫向偏差；V為設(shè)備縱向行駛的實(shí)際距離；c(x)為曲率。

（2）模型控制器控制律。根據(jù)這個(gè)模型再借助虛擬控制選擇具體的設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變量可以得出控制器的二維空間狀態(tài)模型，如下所示：

再結(jié)合線性理論選擇具體的參數(shù)K=[k1k2]，然后按照極點(diǎn)配置原則對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行反饋，最終來計(jì)算控制器零點(diǎn)逐漸穩(wěn)定的控制律，這個(gè)過程中可以對(duì)模型控制器系統(tǒng)穩(wěn)定性以及速度產(chǎn)生影響的是k1和k2比值，雙方成反比關(guān)系，k1和k2比值越大其控制器穩(wěn)定性越差，但是速度越快。

3 農(nóng)機(jī)設(shè)備自校正控制器設(shè)計(jì)

上面得出的結(jié)論可以看出在直線路徑以及小曲率的跟蹤過程中，模型控制器實(shí)際的跟蹤效果非常好，但是相反的對(duì)于大曲率情況來說，實(shí)際的跟蹤效果卻并不理想，所以對(duì)于模型控制器實(shí)際的控制效果評(píng)價(jià)還需要依靠效果監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)吻合度來進(jìn)行，吻合度參數(shù)為sdy（控制器偏差變化趨勢(shì)變量），這個(gè)過程中需要獲取監(jiān)測(cè)時(shí)刻的橫向偏差數(shù)值以及一定監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)的橫向偏差數(shù)值，對(duì)于時(shí)間段內(nèi)的偏差數(shù)值需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來獲取，橫向偏差數(shù)值取值較小的情況下，設(shè)備自校正控制器會(huì)表現(xiàn)出較快的反應(yīng)速度，與此同時(shí)模型控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性會(huì)下降，相反橫向偏差數(shù)值較大的情況下，反應(yīng)速度會(huì)下降，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性會(huì)大幅度的提升，通過反復(fù)的偏差變化趨勢(shì)實(shí)驗(yàn)，最終得出時(shí)間控制在1.2s的時(shí)候系統(tǒng)穩(wěn)定性和反應(yīng)速度的整體效果最佳。

（1）輸入變量和輸出變量的模糊化。這里設(shè)計(jì)的農(nóng)機(jī)設(shè)備自校正控制器一共有兩個(gè)輸入變量和一個(gè)輸出變量，輸入變量一個(gè)是上面提到的sdy（控制器偏差變化趨勢(shì)變量），另一個(gè)是y（橫向的偏差變量）；輸出變量主要是農(nóng)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)向輪期望的補(bǔ)償角度，兩個(gè)變量的模糊化過程就是利用數(shù)字來體現(xiàn)輸入變量模糊化序數(shù)，根據(jù)橫向偏差、控制器偏差變化趨勢(shì)變量以及農(nóng)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)向輪期望的補(bǔ)償角度量化等級(jí)以及量化因子取值將這三個(gè)變量的模糊化等級(jí)以及隸屬度函數(shù)用圖2來表示：

其中圖2中曲線分別表示三個(gè)變量的模糊等級(jí)，分別為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中和正大。

圖2 橫線偏差隸屬度函數(shù)

（2）自校正控制器控制規(guī)則。對(duì)于農(nóng)機(jī)設(shè)備自校正控制器的設(shè)計(jì)需要考慮到設(shè)備駕駛?cè)藛T的駕駛經(jīng)驗(yàn)，具體的原則：根據(jù)偏差隸屬度函數(shù)，當(dāng)實(shí)際的偏差絕對(duì)值比較大的情況下，控制量盡量減小偏差，當(dāng)實(shí)際的偏差絕對(duì)值較小的情況下，一方面要減小實(shí)際偏差，另一方面還要顧及到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)橫向偏差絕對(duì)值變化情況不斷增加的時(shí)候，設(shè)備導(dǎo)航自校正控制器需要用設(shè)備轉(zhuǎn)向輪期望的補(bǔ)償角度來對(duì)模型控制實(shí)際輸出進(jìn)行控制校正，通過偏差校正讓農(nóng)機(jī)設(shè)備朝著橫向偏差較小的趨勢(shì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)橫向偏差絕對(duì)值變化趨勢(shì)不斷減小的時(shí)候，這種情況下實(shí)際的控制效果和預(yù)期的控制效果基本上可以保持一致，所以設(shè)備自校正模型控制器輸出的量要相應(yīng)的使用小角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)然這種情況下也可以不調(diào)節(jié)控制器輸出。

根據(jù)圖2，當(dāng)農(nóng)機(jī)設(shè)備位于導(dǎo)航控制線右側(cè)的時(shí)候，橫向的偏差表示為NB，并且這種趨勢(shì)還會(huì)不斷增加，這種情況下顯示的控制效果和預(yù)期的效果偏差較大，所以設(shè)備打破校正控制器需要輸出PB（正大）最大的轉(zhuǎn)向期望補(bǔ)償角來對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)向輪期望轉(zhuǎn)角進(jìn)行校正，讓農(nóng)機(jī)設(shè)備開始朝著正確的導(dǎo)航方向移動(dòng)，結(jié)合圖2將自校正控制器控制規(guī)格描述為：如果橫向偏差變量為負(fù)大，并且控制器偏差變化趨勢(shì)變量也為負(fù)大，那么農(nóng)機(jī)設(shè)備轉(zhuǎn)向輪期望的補(bǔ)償角度需要取正大。

總的來說，文章提出的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模式控制方法是從曲線路徑跟蹤方面存在的諸多問題進(jìn)行入手，對(duì)模型控制器以及自校正控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，不僅可以提升導(dǎo)航的精確度和穩(wěn)定性，同時(shí)還可以減小不精確模型產(chǎn)生的不良影響。

［1］張聞?dòng)?基于雙切圓尋線模型的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制方法［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47（10）：1-10.

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［3］白曉平,劉曉光.農(nóng)機(jī)導(dǎo)航自校正模型控制方法研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46（2）：1-7.

陳志學(xué)（1973-），男，安徽淮北人，大學(xué)專科，工程師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化。