基于行程自校準的高精度小區播種系統研究

王 浩,董振振,趙景波,唐勇偉,王茂勵

(1.青島理工大學 信息與控制工程學院,山東 青島 266520;2.齊魯工業大學(山東省科學院),山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)/山東省計算機網絡重點實驗室,濟南 250014)

0 引言

由于我國人口基數大,人均可用耕地面積少,因此優質高產的作物品種就成為了我國農業專家研究的重點[1]。小區育種試驗是育種過程中最為關鍵的步驟之一,其精準控制是育種試驗的最基本的保證。常見的小區播種機帶有北斗衛星控制和編碼器控制兩種控制模式,如圖1所示。北斗衛星是我國著眼于國家安全和經濟社會發展需要[2],自主建設、獨立運行的衛星導航系統,是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施。其高精度的特點,可一定程度地保證小區長度的精準。但由于北斗衛星的信號接收頻率為10Hz,也就是每0.1s才能接收一次定位信息,小區播種機的正常作業速度為1m/s,導致了每兩次接收到的定位信息之間的距離差在10cm左右。這樣,如果小區長度設定為4m,前一時刻,播種機已經行走了3.95m,那么下一時刻,播種機的行走距離已經達到4.05m,無法準確的在4m進行響應。由于北斗衛星控制信號不連續,單純的北斗衛星控制,已經無法更精準保證小區長度。如果更換更高頻率的北斗基站,成本的代價是難以接受的。相比而言,編碼器控制方式特點鮮明。其缺點是:編碼器通過轉動軸與輪胎相接,導致輪胎實際行走距離受到土壤硬度、土地平整度等多方面因素影響,誤差累計后,小區長度無法保證精度;優點是:由于編碼器兩個脈沖發送的間隔在0.001s左右,相對于北斗衛星控制而言,可以看作信號是連續的。基于北斗衛星定位控制的長度計算精準和編碼器控制的信號連續性,本文借助慣性導航思想,將北斗衛星與編碼器相結合,提出了一種基于行程自校準的高精度小區播種系統。

1 小區播種工作方式簡述

小區播種的方式,一般應用于各類種子的育種,對于每一個小區的長度要求精確,工作過程一般采用S形播種,如圖2所示。基于S形的播種方式,如果無法保證各個小區的長度及各個間隔的長度準確一直,就會導致各行小區之間出現交錯,無法實現精準的小區育種。傳統解決方案是通過第一行小區播種后,在第二行進行車身調頭,空跑回到起點位置,再進行第二行播種。這種工作方式,雖然一定程度上避免了大規模小區錯位情況的出現,但也降低了至少50%的工作效率,且無法保證小區長度的準確,因此小區精準對齊的問題依然存在。

小區播種機的核心工作技術,就是對小區播種距離的精準控制,從而避免小區錯位,提高播種效率及育種的質量。

圖2 小區播種示意圖

2 基于行程自校準的小區播種系統設計

按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類[3]。其中,增量式編碼器轉軸旋轉時,有相應的脈沖輸出,其旋轉方向的判別和脈沖數量的增減借助后部的判向電路和計數器來實現。其計數起點任意設定,可實現多圈無限累加和測量,因此傳統播種機選用的是增量式編碼器。增量式編碼器是將輪胎旋轉產生的位移轉換成周期性的電信號,再把這個電信號轉變成計數脈沖,用脈沖的個數表示位移的大小[4]。

單點接收北斗衛星信號,誤差是在米級別的,這對于小區控制是無法接受的。因此,通常情況下,使用北斗衛星定位進行小區播種,需要在一定范圍內,架設北斗衛星接收基站[5],如圖3所示。

圖3 北斗衛星基站

通過差分定位,將誤差控制在厘米級以內。工作時,依靠車身的移動天線進行北斗衛星差分定位信號的接收,接收到的北斗衛星差分定位$GPGGA信息。每一條北斗差分定位信息由17部分組成,各部分中間用“,”隔開。數據格式為$GPGGS,hhmmss.ss,Latitude,N,Longitude,E,FS,NoSV,HDOP,msl,m,Altref,m,DiffStation*cs。其中,主要采集的數據為經度(Longitude),緯度(Latitude),信號接收狀態(FS)。當信號接收狀態(FS)為穩定時,可以接收到頻率穩定的10Hz的數據,對相鄰兩幀數據的經緯度進行解析、計算,可以得到每0.1s,播種機行走的絕對距離。

考慮到小區播種機的行走和播種都是一個連續的過程,基于增量式編碼器控制方式具有控制過程連續,但計算得到的距離為相對距離,不夠準確,將編碼器作為被控對象,每0.1s對編碼器發出的脈沖數量進行統計,將得到的脈沖數按照比例參數轉換成播種機行走的位移理論量。依據編碼器的工作原理,此時的位移量與實際的位移量是有偏差的,考慮到北斗衛星控制,計算的是絕對距離,路面的環境不會對距離產生影響,因此通過北斗衛星定位對0.1s內的行走距離進行計算,作為位移的校準參數。使校準編碼器轉換成位移的比例參數。將編碼器和北斗衛星相結合,構成了一個閉環的自校準控制系統,如圖4所示。

圖4 自校準控制系統

3 行程自校準算法的數學模型建立

3.1 基于編碼器控制的位移理論值計算

編碼器的安裝位置,一般與小區播種機的轉動輪的轉動軸相連接。轉動軸帶動輪胎旋轉的同時,編碼器也跟隨轉動,從而實現了編碼器對于行進距離的計算。其計算公式為

C=πd

(1)

(2)

式中d—輪胎直徑(m);

C—輪胎周長(m);

P—編碼器輸出脈沖量(個);

f—編碼器分辨率(個/圈);

n—編碼器與轉動輪的傳動比;

S—位移理論值(m)。

通過位移理論值的計算公式可知:編碼器的輸出脈沖量與輪胎密切相關,當輪胎出現缺氣或者地面不平時,通過編碼器計算的位移理論值,會產生誤差。

3.2 基于北斗衛星控制的位移絕對值計算

通過在播種機車身安裝北斗衛星天線,每0.1s接收一次北斗$GPGGA信號,通過解析信號來得到該點的經緯度。如果假設地球是一個完美的球體,那么它的半徑就是地球的平均半徑,記為R[7]。如果以0°經線為基準,那么根據地球表面任意兩點的經緯度就可以計算出這兩點間的地表距離。假設第一點的經緯度為(Lat1,Lon1),第二點的經緯度為(Lat2,Lon2),那么根據三角推導,可以得到計算兩點距離的如下公式:

兩點的經度差值為

diffLon=Lon1-Lon2

(3)

式中Lon1—第一點經度的角度值;

Lon2—第二點經度的角度值;

diffLon—兩點經度角度值的差值。

(4)

M=sin(Lat1·u)·sin(Lat2·u)+

cos(Lat1·u)·cos(Lat2·u)·cos(diffLon·u)

(5)

L=R·arccos(M)·u

(6)

式中Lat1—第一點緯度的(°);

Lat2—第二點緯度的角度值(°);

u—角度值轉換弧度值系數;

R—地球半徑(m);

L—兩點間的距離(m)。

通過距離計算公式可得到相鄰的0.1s間隔內小區播種機行走的距離。受制于北斗信號接收頻率為10Hz,信號發送頻率過慢,導致控制不連續,且車速越快,對于小區距離的控制產生的誤差就越大。例如,當車速為0.5m/s時,0.1s行走的距離約為5cm,如果小區長度為4m,前一時刻,播種機已經行走了3.98m,那么下一時刻,播種機的行走距離已經達到4.03m;如果車速為1.0m/s時,行走距離已經達到4.08m。由于控制信號的不連續,使得兩點距離計算精準的北斗衛星定位,在小區長度控制上產生了較大的誤差。

3.3 基于行程自校準算法的數學模型建立

編碼器由于其控制信號連續,可以實現小區的實時控制;但由于其距離測量精度較差,因此需要距離測定準確的北斗衛星定位,對其進行校準。由式(2)可知,編碼器是發送通過脈沖量給控制器,來轉換成位移值。由于輪胎周長、編碼器分辨率和傳動比在同一設備上是定值,可以將式(2)進行處理,即

(7)

式中h—脈沖量與位移理論值比例系數。

由式(7)可知:編碼器的脈沖輸出量與其位移理論值成正比例關系,因此通過北斗定位測距對位移理論值的校準,實際是對編碼器脈沖輸出量與位移理論值的比例系數h進行校準。校準公式為

(8)

式中K—x時刻北斗定位測距值與位移理論值比例;

Lx—x時刻北斗定位測距值(m);

Sx—x時刻編碼器位移理論值(m);

H—x時刻編碼器脈沖輸出量與位移理論值的比例校準系數。

通過比例校準系數,可以得到實時準確的行駛距離,即

(9)

式中Sx+1—x+1時刻編碼器位移理論值(m)。

由式(9)可知:通過上一時刻的北斗定位測距值與位移理論值比例,可以來校準當前時刻的編碼器脈沖輸出量與位移理論值的比例系數,使得編碼器控制方式也可以實現行程的精準控制,從而實現了行程自校準的小區播種系統設計。

4 田間試驗與結果分析

為了驗證對行程自校準的小區播種系統是否能夠提高小區播種的精度,選取了河北省固安縣一處試驗田進行測試。這里的土質與大多數北方地區的土質相同,都為沙土地。相較于南方粘性土地而言,播種機在行走過程中,出現打滑偏移的問題更為突出,測量值的偏差會更明顯,對于試驗本身更有參考意義。

選取同一臺小區播種機,在試驗田中進行編碼器控制、北斗衛星控制和行程自校準系統控制3種控制方式的小區播種試驗。統一設定小區播種長度為4m,間隔長度為1m,總長度5m為一個單元。播種機定速1m/s。每種控制模式各進行一行10個小區的播種試驗,對各個小區長度進行測量統計,如表1～表3所示。

表1 編碼器控制小區長度統計

表2 北斗衛星控制小區長度統計

表3 行程自校準系統控制小區長度統計

由表1可知:使用編碼器控制進行小區播種,小區和間隔的實際長度整體偏低,最大偏差幅度達到12.80%,對小區長度的控制精準度較差,基本無法進行達到小區精準播種的要求。其主要原因是由于土質松軟導致出現輪胎打滑的現象,使得編碼器出現空轉,導致偏差較大。

由表2可知:使用北斗衛星控制進行小區播種,小區和間隔的實際長度整體偏長,最大誤差為3.00%,相較于編碼器控制,北斗衛星控制的精度大幅度提高,對于常規小區播種,基本可以滿足。出現小幅度偏差的主要原因:①控制信號不連續,無法實時地對長度進行控制;②北斗衛星定位本身有最大3cm的定位誤差。

由表3可得:使用行程自校準系統控制進行小區播種,小區和間隔長度與設定長度大致相同,最大誤差為0.80%,相較于北斗衛星控制,小區長度控制精度進一步提高,基本可以滿足各類小區育種要求;部分小區出現長度小幅度的偏短或偏長,主要原因在于北斗衛星定位自身的最大3cm的定位誤差,因此在設備精度范圍內,偏差量±3cm,基本屬于可忽略誤差。

5 結論

以實際項目為背景,通過長期試驗發現,編碼器控制和北斗衛星控制兩種傳統小區播種控制方式,各自存在無法解決的弊端。考慮到小區播種機的成本因素,基于小區播種機現有設備,提出了一種將編碼器和北斗衛星定位相結合的行程自校準系統。該系統借用了編碼器實時連續控制和北斗衛星測距準確的優點,實現了閉環自校準系統。經過試驗驗證,本文提出的行程自校準系統控制方案,小區控制精度在1%以內,在設備誤差允許范圍內,基本可以忽略偏差,相對于傳統的控制方式,有了較大幅度的提高。本文的研究可直接應用于傳統小區播種機,實用性強,適應性好。