CN101280570B - 平地机的水平控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平地机的水平控制系统，包括平地铲、控制平地铲水平位置的液压系统及控制该液压系统工作的水平控制系统。平地铲上设有感应平地铲水平倾角及倾角变化率信号的传感器系统，将信号传输至水平控制系统进行处理；传感器系统包括用于感应水平倾角信号的加速度传感器及感应倾角变化率信号的角速度传感器。另外，本发明还公开了一种平地机的水平控制方法。本发明能准确地计算出平地铲的水平倾角。

Description

平地机的水平控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及平地机的水平控制系统及其控制方法。

背景技术

精细平整的水田可以保证农田水层深浅一致，节省农业用水；可以提高农药、化肥和除草剂的使用效率，减少农药、化肥和除草剂的使用量，进而减少生产成本和对环境的污染；可以增加农作物产量，促进农业可持续发展。世界各国的经验证明，激光平地技术是农业生产中一项重要的节本增效措施。

由于水田犁底层高低不平，水田激光机在水田平地作业中，不但要保证平地铲高低可调，而且要保证平地铲水平可控，使平地铲在工作过程中始终保持在与激光束平面平行的一个平面上。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种能准确计算出平地铲水平倾角的平地机的水平控制系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种平地机的水平控制系统，包括平地铲、控制平地铲水平位置的水平调节液压系统及控制水平调节液压系统工作的水平控制系统，平地铲上设有感应平地铲水平倾角信号及倾角变化率信号的传感器系统，该传感器系统将倾斜信息传输至水平控制器进行处理。

该传感器系统包括用于感应水平倾角信号的加速度传感器及感应倾角变化率信号的角速度传感器。

该加速度传感器安装于平地铲转轴上。

该角速度传感器为陀螺仪传感器。

该水平控制系统包括处理感应信号的微控制器及将微控制器输出信号驱动放大的驱动电路。

该水平调节液压系统包括连接至平地铲的双作用油缸，双作用油缸通过电磁阀连接至水平控制系统。

另外本发明还提供了一种平地机的水平控制方法，其包括以下步骤：

a、传感器系统感应平地铲的水平倾角信号及倾角变化率信号；

b、水平控制系统采集感应信号，并对感应信号进行融合处理，发出脉冲宽度调制信号至水平调节液压系统；

c、水平调节液压系统根据发出的信号来控制平地铲的水平度。

步骤a中，传感器系统包括加速度传感器及角速度传感器，加速度传感器用于感应水平倾角信号，角速度传感器用于感应倾角变化率信号，步骤c中，该水平调节液压系统包括双作用油缸，水平控制系统将信号发送至一电磁阀，由电磁阀来控制双作用油缸的伸缩度，并通过双作用油缸作用于平地铲来调节平地铲的水平度。

在步骤b中，对该水平倾角信号及倾角变化率信号的处理还包括以下步骤：

(1)检查水平倾角信号及倾角变化率信号是否改变，是则执行步骤(2)，否则结束；

(2)计算两种传感器测得的水平倾角信号ω_acc及倾角变化率信号ω_gyro，并将ω_acc及ω_gyro之差绝对值与设定阀值相比，若小于阀值，则按水平倾角信号ω_acc计算平地铲倾角，若大于阀值，则按设定倾角加上ω_gyro×T，求出平地铲倾角，其中T为微控制器的工作周期；

(3)根据平地铲的倾角变化刷新脉冲宽度调制信号的占空比；

(4)驱动电路接收脉冲宽度调制信号，进行放大并输出至电磁阀。

在步骤(1)中，微控制器采集水平倾角信号及倾角变化率信号的周期为10T。

与现有技术相比，本发明采用加速度传感器及角速度传感器来感应平地铲的水平倾角信号，并采用微控制器对感应信号进行融合计算得出倾角，最后通过水平调节液压系统调节平地铲，使其始终保持水平。由于采用了加速度传感器及角速度传感器相结合的测量方法，能准确地测出平地机在横向摆动、转弯、水田犁底层不平所造成的上下颠簸而产生的加速度分量，从而准确地计算出平地铲的倾角。

另外，本发明的方法通过融合计算出两种传感器测得的水平倾角信号ω_acc及倾角变化率信号ω_gyro，将ω_acc与ω_gyro之差的绝对值与设定阈值相比，判断并选择倾角的计算方法，并计算出平地铲倾角的大小，再通过倾角的大小刷新PWM信号的占空比，最后通过PWM来控制水平调节液压系统，达到调节平地铲的目的。

附图说明

图1为本发明的平地机结构示意图；

图2为加速度传感器与角速度传感器的安装示意图；

图3为加速度传感器测量平地铲水平倾角的原理图；

图4为水平控制系统的工作原理图；

图5为水平控制系统的结构示意图；

图6为水平调节液压系统的电磁阀的控制逻辑原理图；

图7为水平控制系统的控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参阅图1，一种平地机的水平控制系统，包括平地铲1及控制平地铲1水平位置的水平调节液压系统及用于控制水平调节液压系统工作的水平控制系统2，平地铲上设有感应平地铲水平倾角信号及倾角变化率信号的感应系统，该感应系统将感应信号传输至水平控制系统2进行处理。

该感应系统包括用于感应水平倾角信号的加速度传感器4及感应倾角变化率信号的角速度传感器5。如图2所示，该加速度传感器4安装于平地铲1转轴上，根据平地铲1转轴所在的平面定出加速度传感器4的测量轴：x轴和y轴(与传感器固连)，其x轴和y轴的加速度分别为a_x与a_y，可用下式计算平地铲1的水平倾角α，其原理可用图3来说明。重力加速度g在测量轴的分量a_x与a_y(由传感器测出)，其大小取决于测量轴水平倾斜角α：

                     a_x＝g×sinα

                     a_y＝g×cosα

根据上述二式，通过传感器输出可以计算出平地铲1水平倾角α：

                     α＝arctg(a_x/a_y)

式中a_x是传感器测出的加速度值。上式成立的前提条件是a_x完全由g引起，即平地铲1的运动不在x轴产生加速度，例如平地铲1静止、匀速直线运动等时即属于这种情况，否则当平地机引起的横向摆动及平地机在转弯时引起的甩尾在加速度传感器4的测量轴上产生的加速度分量，或者由于水田犁底层不平引起平地机上下颠簸而在加速度传感器4的测量轴上产生的加速度分量等时，单纯使用加速度传感器4和上述公式并不能准确测量平地铲1水平倾角，为此必须引入角速度传感器5对平地铲1的水平倾角进行测定。本实施例中，该角速度传感器5为一陀螺仪传感器。利用角速度传感器5测得的倾角变化率ω对时间T的积分，即在上次的倾角基础上每次加上ω×T得到当前的平地铲1的实际倾角。

如图4及图5所示，该水平控制系统2包括处理感应信号的微控制器及将微控制器输出信号驱动放大的驱动电路。其中，该微控制器为ARM7内核的32位微处理器，其内集成快速存储器，分别具有256KB的Flash ROM和64KB的SRAM，无需扩展存储器，且该微控制器还内置8通道10位A/D转换器，为提高控制精度，用软件方式提高转换精度至13位。此外它内有PWM信号发生器，及RS232、SPI、UART等多种通信接口。该水平控制系统2还包括提供3.3V、5V、12V等各种不同电压的电源电路，该电源电路连接至外部的蓄电池或其他电源设备。

该水平调节液压系统包括连接至平地铲1的双作用油缸3，双作用油缸3通过电磁阀连接至水平控制系统2。本发明中，由上述两个传感器分别测出平地铲1的水平倾角及水平倾角变化率，再根据融合控制算法计算输出脉冲宽度调制信号，即PWM控制信号的占空比，利用电磁阀，控制双作用油缸3动作调整平地铲1，直至平地铲1调整至水平状态。电磁阀使用PWM脉冲控制，可有效地起到流量控制效果，实现双作用油缸3行程的平滑模拟控制，从而使控制过程平稳。

水平控制系统2还设有两个用于调节平地铲1与感应系统安装时的水平误差的按键与两个用于指示升降电磁阀动作情况的LED指示灯。由于感应系统安装时产生的误差，感应系统测定的平地铲1水平倾角与平地铲1实际水平倾角难免存在一个固定偏差值，按键该值调整好后写入系统的存贮器中。而LED指示灯则在相应电磁阀动作时点亮。

另外，本发明还提供了一种平地机的水平控制方法，其包括以下步骤：

a、加速度传感器感应平地铲的水平倾角信号，角速度传感器感应倾角变化率信号；

b、微控制器采集感应信号，并对感应信号进行融合处理，发出脉冲宽度调制信号至驱动电路；

c、电磁阀根据驱动电路发出的信号来控制双作用油缸的伸缩度；

d、通过双作用油缸作用于平地铲来调节平地铲的水平度。

在步骤b中，对该水平倾角信号及倾角变化率信号的处理还包括以下步骤：

(1)检查水平倾角信号及倾角变化率信号是否改变，是则执行步骤(2)，否则结束；

(2)计算两种传感器测得的水平倾角信号ω_acc及倾角变化率信号ω_gyro，为判断平地铲是否受到干扰，分别求出两个传感器测得的水平倾角信号ω_acc及倾角变化率信号ω_gyro，求出二者之差的绝对值，由该值决定平地铲受到干扰与否，若小于设定的阈值则认为未受干扰，否则出现干扰，由此可决定使用加速度传感器还是角速度传感器来测量平地铲倾角，若平地铲未受干扰，则按水平倾角信号ω_acc计算平地铲倾角，若平地铲受到干扰，则按上一次平地铲的倾角加上ω_gyro×T，求出平地铲倾角，其中T为微控制器的工作周期；

(3)根据平地铲的倾角变化刷新脉冲宽度调制信号的占空比；

(4)驱动电路接收脉冲宽度调制信号，进行放大并输出至电磁阀。

步骤(1)中，微控制器采集水平倾角信号及倾角变化率信号的周期为10T。微控制器的工作周期T由定时器设定为10ms，采集感应信号的周期即为100ms，这样设定可实现对信号采样及对采集的信号进行滑动滤波，同时较大刷新周期内才计算平地铲倾角变化率ω，可保证结果比较准确，因为计算时间太短的话则变化量太小。

微控制器的控制程序主要是基于定时器中断的中断服务程序，如图7所示，其流程如下：

微控制器先采集加速度传感器与角速度传感器的输出，通过超采样提高分辨率并进行软件滤波，得到加速度传感器与角速度传感器的当前值；

PWM占空比是否刷新，若是，则执行下一步骤，若否，则定时器中断服务程序结束；

分别计算两种传感器测得的平地铲的水平倾角及倾角变化率ω_acc、ω_gyro；

ω_acc与ω_gyro之差绝对值是否小于设定阀值，若是则按水平倾角信号ω_acc计算平地铲倾角，若否则按上一次平地铲的倾角加上ω_gyro×T，求出平地铲倾角；

检测平地铲的倾角是否在增加，若是则选择上升死区，若否则选择下降死区，定义两个电磁阀均不动作的平地铲倾角范围为死区，则滑动死区保证平地铲接近水平位置时根据倾角变化的方向有不同的死区，进一步提高控制过程的稳定性；

按控制算法、死区设置要求计算并刷新输出占空比；

定时器中断服务程序结束。

图6是水平调节液压系统的电磁阀的控制逻辑原理图。为了补偿安装中加速度传感器的x轴与平地铲之间平行度误差，可以通过键盘微调设置要求的平地铲倾角α₀(实为加速度传感器本身倾角，该角对应平地铲水平位置)。设定值α₀一般来说不为0，除非安装平行度误差为0，即x轴严格平行于平地铲。图6中横坐标为平地铲倾角(测量得到)，下部分则是电磁阀工作区间分析图，上部分是相应区间电磁阀PWM驱动信号占空比大小。以α₀为分界点，左边倾角误差为负，为双作用油缸上升电磁阀工作区，而α₀右侧区间倾角误差为正，为下降电磁阀工作区。上升与下降电磁阀动作互锁，即不能同时动作。为提高控制稳定性，减少平地铲处于水平位置附近时电磁阀频繁动作，设计上采取如下措施，一是在α₀两侧附近(亦即平地铲水平位置附近)设置滑动死区，死区内两电磁阀不工作(对应占空比为0)，二是在水平位置(α₀)附近时根据误差大小减小PWM占空比。死区设置上，每个电磁阀均加有施密特特性即动作滞后区间H。以对上升电磁阀为例，倾角由左边大的负误差区上升向α₀靠近时，电磁阀一直工作直到α₁处停止，此后仅当误差又变负(倾角由α₀向右变化)且倾角达到α₄(α₄＜α0，二者之差为H)时，电磁阀才开始动作。同理图中α₂与α₃定义了下降电磁阀动作滞后区间H。α₁、α₂、α₃、与α₄形成了两个不重叠的死区DZ0与DZ1，它们对应平地铲倾角不同的变化趋势，本设计称为滑动死区，其具体位置与α₀有关。见图6，DZ0为基本死区，它以α₀为中心对称设置，上升死区DZ0与下降死区DZ1分别为DZ0与右侧下降电磁阀滞后H或左侧上升电磁阀滞后H合成的结果。平地铲工作时，如果倾角是由左到右变化(上升)，则死区为上升死区DZ0，具体说来就是，倾角误差较负(靠左)时上升油缸动作直到倾角变为α₁，此时进入上升死区DZ0，DZ0一直维持到α₂才结束，此时误差已偏正，下降油缸开始动作。同理倾角由右向左变化(下降)则死区为下降死区DZ1。具体程序上可用一个全局变量平地铲倾角变化趋势，由它决定使用那个死区。提高控制稳定性采取的另一措施是对水平控制电磁阀使用PWM控制，见图6上部分所示。图中表示出平地铲不同水平倾角下PWM占空比变化，误差小时(接进水平位置)使用小占空比以减小冲击，本设计中采用简单线性规律，即占空比随误差(可经控制算法校正后的误差，图中直接应用误差本身，相当于比例控制算法)大小线性变化，死区参数决定后，由占空比上下限Dmax与Dmin即可决定任意倾角下输出的占空比D，其中Dmax与Dmin由试验决定，本设计中分别为75％与30％。

Claims (9)

1.一种平地机的水平控制系统，包括平地铲、控制平地铲水平位置的水平调节液压系统及控制水平调节液压系统工作的水平控制装置，其特征在于：平地铲上设有感应平地铲水平倾角信号及倾角变化率信号的传感器系统，该传感器系统将信号传输至水平控制装置进行处理，该水平控制装置包括处理感应信号的微控制器及将微控制器输出信号驱动放大的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的平地机的水平控制系统，其特征在于：该传感器系统包括用于感应水平倾角信号的加速度传感器及感应倾角变化率信号的角速度传感器。

3.根据权利要求2所述的平地机的水平控制系统，其特征在于：该加速度传感器安装于平地铲转轴上。

4.根据权利要求2所述的平地机的水平控制系统，其特征在于：该角速度传感器为一陀螺仪传感器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的平地机的水平控制系统，其特征在于：该水平调节液压系统包括连接至平地铲的双作用油缸，双作用油缸通过电磁阀连接至水平控制装置。

6.根据权利要求1所述平地机的水平控制系统的控制方法，其包括以下步骤：

a、传感器系统感应平地铲的水平倾角信号及倾角变化率信号；

b、水平控制装置采集感应信号，并对感应信号进行融合处理，发出脉冲宽度调制信号至水平调节液压系统；

c、水平调节液压系统根据发出的信号来控制平地铲的水平度。

7.根据权利要求6所述的平地机的水平控制系统的控制方法，其特征在于：步骤a中，传感器系统包括加速度传感器及角速度传感器，加速度传感器用于感应水平倾角信号，角速度传感器用于感应倾角变化率信号，步骤c中，该水平调节液压系统包括双作用油缸，水平控制装置将信号发送至一电磁阀，由电磁阀来控制双作用油缸的伸缩度，并通过双作用油缸作用于平地铲来调节平地铲的水平度。

8.根据权利要求7所述的平地机的水平控制系统的控制方法，其特征在于：对该水平倾角信号及倾角变化率信号的处理还包括以下步骤：

(1)采样并检查水平倾角信号及倾角变化率信号是否改变，是则执行步骤(2)，否则结束；

(2)计算两种传感器测得的水平倾角信号ω_acc及倾角变化率信号ω_gyro，并将ω_acc及ω_gyro之差绝对值与设定阀值相比，若小于阀值，则按水平倾角信号ω_acc计算平地铲倾角，若大于阀值，则按设定倾角加上ω_gyro×T，求出平地铲倾角，其中T为微控制器的工作周期；

(3)根据平地铲的倾角变化刷新脉冲宽度调制信号的占空比；

(4)驱动电路接收脉冲宽度调制信号，进行放大并输出至电磁阀。

9.根据权利要求8所述的平地机的水平控制系统的控制方法，其特征在于：步骤(1)中，微控制器采集水平倾角信号及倾角变化率信号的周期为10T。

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