播種機自動控制系統的設計—基于模糊自動控制和反饋調節

劉 巖

(新疆工程學院 控制工程學院，烏魯木齊 830023)

0 引言

在現代化農業高效高產目標的驅動下，自動化機械得到了迅速的發展，采用自動化作業裝置代替傳統的手工操作勢在必行。目前，我國自動化農田作業裝置大部分還是采用機械式或者液壓式的，不僅裝置笨重，控制效率和準確度也較低。近年來，隨著電控系統的不斷發展，電控式農業機械已經初步得到了推廣。自動化播種機是農業生產過程中最常用的機械之一，采用自動作業播種機不僅可以縮短播種周期，還可以提高播種質量。為此，本文將模糊控制系統引入到了播種機的自動調速和轉向系統中，以期提高播種機自動作業的控制速度和精度，進而提高播種機作業的自動化程度。

1 播種機速度檢測和方向控制系統設計

隨著播種機自動化作業水平的不斷提高，無人駕駛播種機也逐漸在農田實際作業過程中展開試驗研究。要實現播種機的無人駕駛自動化作業，必須解決播種機的方向控制問題，特別是在轉向過程中，需要對速度進行實時的監測。因此，在轉向過程中采集車速，然后反饋給控制系統，將車速降低到轉向需要的轉速，從而提高轉向的穩定性。目前，轉速的測試主要有兩種傳感器，包括軸編碼器和模糊轉速計。

1.1 軸編碼器

軸編碼器主要是用來測試車輪旋轉軸的轉速和位置。絕對位置編碼器一般用來檢測轉軸的相對位置，而增量式編碼器一般被用來檢測轉速，在檢測速度過程中可以直接產生脈沖序列。軸編碼器一般采用光學編碼器，可以利用電磁學原理制成霍爾效應編碼器。

1.2 模擬轉速計

模擬轉速計安裝在電機軸上，其輸出的是電壓信號，該信號與轉速成正比。但是模擬轉速計輸出的不是直接的數字信號，要顯示數字量還需要進行AD轉換，并且對電機的輸出動力也會有影響。因此，對比軸編碼器，本文設計采用增量式編碼器。增量式編碼器主要分為3種，包括光柵式編碼器、反射式光學編碼器和霍爾效應編碼器。為了獲得高效和精度較高的編碼器，本次采用光柵式編碼器，如圖1所示。

圖1 增量式編碼器Fig.1 Incremental encoders

對于播種機方向的控制，本次采用PWM波對舵機進行控制?？刂七^程采用固定的周期信號來實現，轉向的方位角和脈沖的寬度呈現正比例的關系，如圖2所示。

圖2 脈寬與轉角之間的線性關系Fig.2 The linear relationship between the pulse width and the diversio angle

在進行實際控制時，首先在舵機內部采用一個50Hz的脈沖基礎信號，然后將外部的PWM信號和基準信號進行對比，確定轉向和轉角。為了實現準確自動轉向，可以采用PID反饋調節的方式，將播種機攝像機采集得到的圖像信號與導航標致線進行對比，得到較為準確的轉角；然后將轉角信息傳送給控制電機，實現無人駕駛播種機的自動化作業。

2 基于模糊控制和反饋調劑的播種機自動控制系統設計

為了提高播種機的自動化轉向精度，可以采用反饋調節的方式，但這個過程計算量比較大。為了提高播種機的控制效率，根據播種機運動反饋信號和采集圖像信號，利用模糊控制規則實現播種機的快速自動控制，其系統結構框架如圖3所示。

圖3 播種機模糊控制反饋系統模型框圖Fig.3 The model block diagram of fuzzy control feedback system for sowing machine

在實際自動反饋調節過程中，由于計算機采用的是采樣控制方法，只能根據采樣間的偏差進行自動化控制，這需要對控制方程進行離散化處理。假設采樣周期為T，連續時間可以看成是一系列的采樣時刻點KT，將積分近似替換為累加求和，將微分近似替換為一階向后差分，其控制過程為

t=KT

(1)

(2)

(3)

其中，e(k)表示采樣系統的k時刻偏差；e(k-1)表示采樣系統的k-1時刻偏差；k表示采樣序列號，其值為k=0,1,2，...。于是，可以得到離散化的PID表達式為

(4)

(5)

由反饋調節的表達式可以看出：輸出與過去的狀態有關，需要對歷次的偏差進行累計。利用遞推算法，考慮第k-1次采樣時，則

(6)

將公式(5)和公式(6)相減可得

(7)

整理后得

u(k)=u(k-1)+a0e(k)-a1e(k-1)+

a2e(k-2)

(8)

圖4 播種機反饋調節控制流程Fig.4 The feedback regulation control flow of sowing machine

在進行反饋調節控制時，可以利用攝像機和傳感器裝置對環境信息和播種機轉速信息進行采集，然后對特征數據進行提取，將數據和設定的閾值進行對比，最后進行速度和轉向的調控。模糊控制系統硬件框架如圖5所示。

圖5 模糊控制系統硬件框架Fig.5 The hardware framework of fuzzy control system

模糊控制器系統主要是對速度的采集和對電機進行驅動，通過對電機的驅動實現速度的調控，并利用PWM脈沖信號實現左右輪的差速轉向功能。

3 播種機模糊自動控制反饋調節系統測試

播種機模糊控制反饋調節系統的功能測試可以通過無人駕駛拖拉機的測試過程實現，將模糊控制器安裝在播種機上后，通過速度信號檢測和自動轉向準確性測試，驗證模糊控制系統的可靠性，如圖6所示。

在播種機速度反饋調節和自動轉向的過程中，速度量和轉向角度量的檢測非常重要，這也是模糊控制的基礎，本次通過光柵碼盤對速度和角度量進行反饋調節。模糊控制系統結構如圖7所示。

圖6 播種機模糊控制系統測試Fig.6 The planter test of the fuzzy control system

圖7 速度模糊控制器系統結構Fig.7 The system structure of speed fuzzy controller

小車轉角的大小和PWM值是對應的。根據播種機的作業經驗，當播種機直行時，可以讓播種機以加高的速度進行形式；當播種機進入轉彎過程中，需要降低速度，并控制輪子的差速比例。如果播種機以較高的速度進入到轉彎過程，則需要播種機降速。根據以上控制規則，總結的模糊規則表如表1所示。

表1 模糊控制規則表Table 1 The rule table of fuzzy control

將模糊控制規則表利用編程的方式嵌入到硬件控制系統中，利用模糊控制可以提高控制的效率。為了測試模糊控制器的有效性，對響應時間進行了測試，結果如表2所示。

表2 模糊反饋調節播種機自動控制相應時間測試Table 2 The corresponding time test of automatic control of the fuzzy feedback control seeder ms

測試結果表明：采用模糊控制系統后，播種機的響應速度明顯變快，從而驗證了模糊反饋系統的有效性。為了進一步驗證系統的可靠性，對自動控制轉向的準確度進行了測試，得到了如表3所示的結果。

測試結果表明：該控制系統的控制精確度較高，可以滿足播種機作業需求，但要實現真正的無人駕駛，還需要對控制系統進一步改善，以提高控制精度。

4 結論

為了實現播種機的無人化作業，對播種機的速度和轉向自動調節過程進行了深入的研究，并將模糊控制和反饋調節系統引入到了播種機的控制系統中，從而實現了播種機速度和轉向的自動化調節。對模糊控制和反饋調節系統進行了測試，結果表明：采用模糊和PID反饋調節后，播種機速度和轉向控制系統的響應速度有了明顯的提高，控制準確性較高。