基于PLC的農(nóng)機行駛路線控制研究與實現(xiàn)

劉廷敏,向模軍

(成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學院,成都 611130)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展,農(nóng)耕土地逐漸進行集中管理,土地面積大,但由于機械化水平較低,大部分地區(qū)的農(nóng)田播種、施肥、收割等勞動仍然采用人工,工作效率低,工作量大,不能按時完成農(nóng)田工作,降低了農(nóng)作物產(chǎn)量,急需提高農(nóng)田機械化和智能化水平[1-2]。在農(nóng)田內進行機械化和智能化生產(chǎn)時,對農(nóng)機的行駛路線進行控制是必不可少的要求。為此,本文對農(nóng)機的行駛路線的控制技術進行研究。

機械導航技術是結合了信息技術、定位系統(tǒng)等技術的自動化技術[3],可降低農(nóng)田耕種的人力成本,大幅度提高產(chǎn)能。目前,國內的農(nóng)機導航技術一般采用GPS導航[4],但定位誤差和路線導航誤差均較大,因此采用無線傳感網(wǎng)絡和GPS技術結合的方法進行農(nóng)機行駛路線的自動定位和導航,可提高行駛路線的精度,并采用電機和PID控制方法實現(xiàn)對農(nóng)機速度和轉向的控制。

可編程控制器(PLC)是結合了PLC技術和各終端設備的一種控制系統(tǒng),具有高可靠性、運行穩(wěn)定和定位準確的優(yōu)點,常用于機械控制系統(tǒng),可通過配置設備對機器的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)進行監(jiān)控,還可通過中心服務軟件的設置完成對終端設備的控制。本文將利用機械導航技術的優(yōu)點,結合PLC技術在工業(yè)領域抗干擾性的優(yōu)勢,給出對農(nóng)機行駛路線的控制方案,并進行系統(tǒng)設計。

1 硬件設計

1.1 總體路線

農(nóng)機路徑控制系統(tǒng)的整體規(guī)劃流程圖如圖1所示。系統(tǒng)的主要由路徑規(guī)劃模塊、運動控制模塊及PLC控制模塊等部件組成。

圖1 農(nóng)機路徑控制系統(tǒng)整體規(guī)劃流程圖

1.2 PLC控制模塊

PLC控制模塊是農(nóng)機行駛路線控制系統(tǒng)的核心部件,配備了較多的芯片,用于對農(nóng)機進行路徑規(guī)劃、跟蹤控制和計算。工作時,PLC控制系統(tǒng)將接收路徑規(guī)劃模塊傳遞的農(nóng)機路徑信息及運動控制模塊傳遞的農(nóng)機行駛信息結合起來進行處理,并把分析結果以指令方式傳遞給運動控制模塊,控制農(nóng)機的行駛路徑。PLC控制模塊還可以實現(xiàn)系統(tǒng)的組網(wǎng)和擴展功能。

該路徑控制系統(tǒng)還配置了顯示器,用于顯示農(nóng)機的當前位置信息和前進速度,鍵盤用于控制系統(tǒng)的參數(shù)錄入及控制農(nóng)機的啟動和停止,報警裝置用于在農(nóng)機出現(xiàn)異常情況時報警。以上組件均與PLC控制模塊進行連接。

1.3 路徑規(guī)劃模塊

路徑規(guī)劃模塊的作用是:①對農(nóng)機自動定位,使其按照預定的路線行駛;②當農(nóng)機的行駛路線偏離預定路線時,調整前向轉角自動糾正行駛路線。本文通過GPS導航和無線傳感網(wǎng)對節(jié)點進行定位和導航,以提高定位和行駛精度。節(jié)點的定位方法如下:在農(nóng)機上安裝1個移動節(jié)點,農(nóng)耕區(qū)域的節(jié)點數(shù)量和位置則根據(jù)需要進行布置,根據(jù)已知的節(jié)點位置,可以求解農(nóng)機上的移動節(jié)點的位置坐標。假設已知節(jié)點A、B、C的坐標分別為(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3),未知節(jié)點M的坐標為(xm,ym),節(jié)點A和節(jié)點B之間的距離為d0,根據(jù)RSSI測距原理可以將信號的強弱轉換成距離的計算,則A節(jié)點接收到的M節(jié)點的信號強度為R(d)[5]為

其中,d為節(jié)點A和節(jié)點M的距離;μ為接收到的信號的衰減指數(shù)。結合已知的3個節(jié)點,即可求得μ。未知節(jié)點M到A、B、C等3個節(jié)點的距離分別為d1、d2、d3,通過以下關系式可計算得M點的坐標,即

但是,上式只適用于A、B、C為圓心、通過M點的3個圓相交,也就是可以采用三邊測量的方式進行計算。在實際情況中,三圓相交的情況很少,可以將上述情況轉化為兩圓相交,也就是采用兩邊測量的方式進行計算。因此,只取A、B兩點即可求得M點的坐標。

1.4 運動控制模塊

運動控制模塊主要由油門控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、擋位控制系統(tǒng)和轉向控制系統(tǒng)構成,用于控制農(nóng)機行駛過程的速度和方向。其主要任務是接收PLC控制模塊發(fā)出的路線控制指令,進行速度和方向的調節(jié),一旦農(nóng)機的行駛偏離預設路線,則改變農(nóng)機行進方向,使其回到預設的行駛路線上。

2 路徑規(guī)劃設計

2.1 路徑規(guī)劃

在農(nóng)機工作前,需要對農(nóng)機的工作路徑進行規(guī)劃[6],使其按照預定的路徑行進,本文采用定步長連續(xù)尋點的方法規(guī)劃路徑。該方法是通過設定節(jié)點坐標為目標點,農(nóng)機按照預定的速度和方向行進至該目標點后,繼續(xù)向下一個目標點行進,直至工作路徑結束。假設農(nóng)場為a×b的長方形,則農(nóng)場內的節(jié)點設置和路徑規(guī)劃可以根據(jù)路徑需要按照圖2進行規(guī)劃。在控制系統(tǒng)輸入農(nóng)田的尺寸和農(nóng)機作業(yè)的有效寬度,則該控制系統(tǒng)即可實施自動作業(yè)。

圖2 農(nóng)場內節(jié)點設置和路徑規(guī)劃示例

2.2 農(nóng)機轉向控制

農(nóng)機轉向的控制主要包括兩方面:①在農(nóng)田的盡頭實現(xiàn)自動轉彎的控制;②當農(nóng)機偏離預設路徑時,控制轉向使農(nóng)機回到預設路徑。PID控制方法簡單有效、可靠性強,無需得到精確的農(nóng)機控制機構的模型,僅靠調節(jié)增益即可進行控制,因此選擇PID控制方法對農(nóng)機轉向進行控制。

計算農(nóng)機行駛路徑方向的偏差e(t),即

e(t)=A(t)-B(t)

其中,A(t)為目標方向,B(t)為實際行駛方向。通過比例、積分和微分的計算,并線性組合得到最終的控制結果。PID控制器的控制規(guī)律[7]為

其中,Kp為控制器的比例系數(shù);Ti為控制器的積分時間常數(shù);TM為控制器的微分時間常數(shù)[8]。此時,PID控制規(guī)律為連續(xù)值,需要對其進行離散化處理才能應用于計算機。離散化處理后的第n個時刻的PID輸出值為

其中,T為控制器的采樣周期。農(nóng)機轉向的PID控制原理如圖3所示。

2.3 農(nóng)機行駛速度控制

對于農(nóng)機速度的控制,主要包括以下4種情況:①農(nóng)機正常工作呈直線行駛時,速度恒定;②農(nóng)田盡頭轉彎時,速度適當減小;③農(nóng)機以曲線行駛時,速度隨曲線弧度適當?shù)母淖?④停止作業(yè)時,速度減小為0。農(nóng)機的速度控制也采用PID控制器進行控制,原理圖如圖4所示。

圖4 農(nóng)機速度的PID控制原理圖

農(nóng)機作業(yè)前,在系統(tǒng)設置目標轉速,作業(yè)時由霍爾傳感器測得實際轉速,通過系統(tǒng)的計算即可得到速度的偏差|E|和速度偏差的變化率|EC|。這兩個值作為PID控制器的輸入變量,輸出變量為控制器比例系數(shù)Kp、積分時間常數(shù)Ti和微分時間常數(shù)TM。當輸入值|E|和|EC|變化時,輸出變量Kp、Ti和TM將在PID控制器的作用下實時調整,直到得到輸出值的最優(yōu)解,此時輸出控制量μ(t)。最后,由PLC控制器將速度調整指令發(fā)送給運動控制模塊,實現(xiàn)速度的自動調整。

3 試驗結果

為驗證農(nóng)機行駛路線控制系統(tǒng)的性能,對該系統(tǒng)的自動導航、定位和速度控制方面進行測試。測試對象為拖拉機。為避免地勢的影響,選取試驗場地為80m×80m的平整土地,設置25個位置坐標已知的節(jié)點,且這些節(jié)點能夠覆蓋整個試驗場地。農(nóng)機運動方向與X軸夾角為45°,在土地的盡頭轉彎,然后繼續(xù)直線行駛,速度設定為1m/s。

3.1 自動導航測試

節(jié)點位置的設置和規(guī)劃的路徑及拖拉機在該系統(tǒng)作用下的作業(yè)路徑,如圖5所示。由圖5可以看出:拖拉機的實際路徑與規(guī)劃的路徑偏差很小,基本吻合,因此該行駛路線控制可以實現(xiàn)自動導航的目的。

圖5 拖拉機測試路徑和節(jié)點設置結果

3.2 定位與速度控制測試

在拖拉機行駛路徑抽取10個點測試其理論坐標值、實際坐標值及經(jīng)過該點拖拉機的行駛速度。為了對定位的誤差進行評估,定義誤差值為

其中,(xk,yk)為第k個點的坐標。

測試結果如表1所示。

表1 定位與速度控制測試結果

由表1可知:測試點的誤差值均小于0.23,平均誤差為0.18,速度誤差均小于0.01m/s,平均行駛速度為9.9m/s。該系統(tǒng)算法可以完成對拖拉機的定位和速度的控制。

4 結論

1)針對農(nóng)機行駛路線控制系統(tǒng)進行了設計,系統(tǒng)的主要由路徑規(guī)劃模塊、運動控制模塊和PLC控制模塊等部件組成。

2)行駛路線控制系統(tǒng)采用定步長連續(xù)尋點的方法進行路徑規(guī)劃,采用PID控制算法對農(nóng)機的行駛轉向和速度進行計算并控制,保證了農(nóng)機按照預設的速度和路線自動行駛,當偏離路線時能夠及時回到預定路線行駛。

3)通過對系統(tǒng)進行自動導航、定位和速度控制進行測試,結果表明:系統(tǒng)可以實現(xiàn)農(nóng)機的自動導航及按照預定的速度和路線行駛,工作性能穩(wěn)定。