CN108536138A - 农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法及系统 - Google Patents

农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明适用于农机技术领域，提供了一种农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法及系统。该方法包括：设置转向控制参数的初始值；转向控制参数包括比例参数P和微分参数D；按照转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统；获取调角时间内农机转向轮的角度，并根据农家转向轮的角度与预设转向控制性能要求进行比对，在能够满足转向控制性能要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；在不满足转向控制性能要求时，根据预设转向控制性能调整农机的转向控制参数，并根据调整后的转向控制参数运行农机自动驾驶系统，直至满足转向控制性能要求。该方法及系统能够解决现有技术中对转向控制参数整定耗时费力的问题。

Description

农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法及系统
技术领域
本发明涉及农机技术领域，具体涉及一种农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法及系统。
背景技术
转向控制技术是农机自动驾驶执行单元的关键技术，转向控制参数的选取是否合适，决定了农机转向轮能否在小超调量和短时间内转向目标转角，保证农机自动驾驶系统的转向执行机构准确快速地执行上位机给出的目标转角指令。现有的转向控制主要指PID(proportion integral derivative，比例-积分-导数)控制，现有技术整定PID参数的方法有：
1.经验试凑整定法：根据控制过程中转向系统反馈的响应情况，凭借人工经验修改控制参数，直至系统满足性能指标，缺点是需要人工进行判断整定，费时费力；
2.理论计算法：通过辨识转向系统的数学模型，采用控制理论方法计算控制参数，缺点是计算量高，且难以构建准确数学模型；
3.工程整定法：通过查询控制度表和或公式计算转向控制参数，缺点同样难以获取最终准确的控制参数，仍需经验试凑法优化整定；
4.自适应模糊参数整定法：根据农机车轮转向角度变化、车速变化自适应调优控制参数，参数调优时只能在有限的7个模糊分类中取值，不适用于较大参数值域范围内的转向控制参数整定，若想使用该方法，初始PID参数需使用经验试凑法给出。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法及系统，解决现有技术中对转向控制参数整定耗时费力的技术问题。
本发明实施例第一方面提供一种农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，包括：
设置转向控制参数的初始值；所述转向控制参数包括比例参数P和微分参数D；
按照所述转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统；
获取调角时间内农机转向轮的角度，并根据所述农家转向轮的角度与预设转向控制性能要求进行比对，在能够满足所述转向控制性能要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；
在不满足所述转向控制性能要求时，根据所述预设转向控制性能调整农机的转向控制参数，并根据调整后的转向控制参数运行农机自动驾驶系统，直至满足所述转向控制性能要求。
本发明实施例第二方面提供一种农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统，包括：
控制模块，用于设置转向控制参数的初始值，并生成初始控制信号；所述转向控制参数包括比例参数P和微分参数D；
控制信号执行模块，用于接收所述初始控制信号，按照所述转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统；
执行反馈模块，用于获取农机转向轮的转角，并发送给所述控制模块；
所述控制模块，还用于根据所述农机转向轮的转角与预设转向控制性能要求进行比对，在能够满足所述转向控制性能要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；在不满足所述转向控制性能要求时，根据所述预设转向控制性能调整农机的转向控制参数，并根据调整后的转向控制参数运行农机自动驾驶系统，直至满足所述转向控制性能要求。
采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：本发明实施例，可以自行判断转向系统的运行性能，并与给定的性能指标相比较，进而调优转向控制参数，从而省去人工判断和参数修改环节，减小对专业运维人员的依赖，适用于大多数用户进行操作，解决现有技术对转向控制参数整定耗时费力的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本实施例所述的农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法的流程图；
图2是本实施例所述的农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统的整定方法的流程图；
图3是本实施例所述的农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统的模块示意图。
具体实施方式
提供以下参照附图的描述来帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本公开的各种实施例。以下描述包括帮助理解的各种具体细节，但是这些细节将被视为仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本公开的范围和精神的情况下，可对本文所述的各种实施例进行各种改变和修改。另外，为了清晰和简洁，公知功能和构造的描述可被省略。
以下描述和权利要求书中所使用的术语和词汇不限于文献含义，而是仅由发明人用来使本公开能够被清晰和一致地理解。因此，对于本领域技术人员而言应该明显的是，提供以下对本公开的各种实施例的描述仅是为了示例性目的，而非限制由所附权利要求及其等同物限定的本公开的目的。
应该理解，除非上下文明确另外指示，否则单数形式也包括复数指代。因此，例如，对“组件表面”的引用包括对一个或更多个这样的表面的引用。
实施例一
参见图1，本实施例中，该农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法可以包括以下步骤：
步骤S101，设置转向控制参数的初始值；所述转向控制参数包括比例参数P和微分参数D。
其中，本实施例中将比例参数P和微分参数D作为农机的转向控制参数。比例参数P可以增强转向响应速度，但容易使转向系统超调。
需要说明的是，为保证液压油压和车轮与地面摩擦情况为作业真实情况，整定开始前应保证农机以作业速度在作业地面上行驶。
步骤S102，按照所述转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统。
具体的，在根据比例参数P和微分参数D得出农机转向轮的初始转角和目标转角后，然后可以通过农机转向轮的初始转角和目标转角运行农机自动驾驶系统，以使得农机转向轮按照目标转角进行转动。
步骤S103，获取调角时间内农机转向轮的角度，并根据所述农家转向轮的角度与预设转向控制性能要求进行比对。
其中，在步骤S102按照所述转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统后，需要实时获取调角时间内农机转向轮的角度，并根据所述农家转向轮的角度与预设转向控制性能要求进行比对。
作为一种可实施方式，对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定包括对比例参数P的整定，具体步骤为：
(1)P参数可以增强转向响应速度，但容易使转向系统超调，令微分参数D为零，设置比例参数P的取值范围为[Pmin,Pmax]，P大于零。
(2)令比例参数P的初始值为P＝(Pmin+Pmax)/2。精度取小数点后一位，将此时的P参数和D参数作为主控制器的转向控制参数。
(3)转角命令器将每次整定目标转角指令发送给主控制器，设置农机的当前轮转角为0，设置目标转角M为-θ或θ，θ可以为10°，-θ为-10°。本实施例中，规定右转向为正，左转向为负。
(4)主控制器根据设置的当前转角和目标转角进行转向控制，主控制器每个控制周期输出的转向控制的控制信号为u(t)＝P*(M-y(t))+D*[(M-y(t))-(M-y(t-1))]，y(t)和y(t-1)分别为本次转向控制周期和上次转向控制周期的轮转角的角度值；主控制器将控制信号输入给控制信号执行模块驱动农机的转向轮转动。
(5)参数自动整定器获取此次对比例参数P整定在调角时间(例如1500ms)内的超调量或欠调量。其中，超调量或欠调量的计算公式为Z＝(Mmax-M)*100％/M，Mmax为此次整定过程中的转向轮转角最大值，可以通过读取车轮转角给出。当Z大于零时为超调量，小于零为欠调量。
(6)将超调量大于15％且小于20％时对应的比例参数P作为整定完成的比例参数P。
可选的，对比例参数P的整定过程中，(6)具体可以为：
(7)若超调量大于20％，令此时的比例参数P取Pmax，若超调量小于15％或欠调，则令此时的比例参数P取Pmin。
(8)重复步骤(2)～(5)和(7)，直到某次得出的超调量大于15％且小于20％，则记录此时整定好的P参数，将超调量大于15％且小于20％时对应的比例参数P作为整定完成的比例参数P。。
进一步的，对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定还包括对微分参数D的整定，具体步骤为：
(1)当单一的比例参数P使转向系统超调时，微分参数D加入转向控制后会减小超调量，但微分参数D过大容易使系统欠调。基于整定完成的比例参数P，设置微分参数D的取值范围为[Dmin,Dmax]，D大于零。
(2)令微分参数D的初始值为D＝(Dmin+Dmax)/2，精度取小数点后一位，将此时的比例参数P和微分参数D作为主控制器控制的控制参数。
(3)转角命令器将每次整定目标转角指令发送给主控制器，设置农机的当前轮转角为0，设置目标转角M为-θ或θ，θ可以为10°，-θ为-10°。本实施例中，规定右转向为正，左转向为负。
(4)主控制器根据设置的当前转角和目标转角进行转向控制，主控制器每个控制周期输出的转向控制的控制信号为u(t)＝P*(M-y(t))+D*[(M-y(t))-(M-y(t-1))]，y(t)和y(t-1)分别为本次转向控制周期和上次转向控制周期的轮转角的角度值；主控制器将控制信号输入给控制信号执行模块驱动农机的转向轮转动。
(5)参数自动整定器获取此次对比例参数P整定在调角时间(例如1500ms)内的超调量或欠调量。其中，超调量或欠调量的计算公式为Z＝(Mmax-M)*100％/M，Mmax为此次整定过程中的转向轮转角最大值，可以通过读取车轮转角给出。当Z大于零时为超调量，小于零为欠调量。
(6)将超调量大于0且小于5％时对应的微分参数D作为整定完成的微分参数D。
可选的，对微分参数D的整定过程中，(6)具体可以为：
(7)若超调量大于5％，令此时的微分参数D取Dmax，若欠调，则令此时的微分参数D去Dmin。
(8)重复步骤(2)～(5)和(7)，直至得出的超调量大于0且小于5％，则记录此时整定好的微分参数D。即，将超调量大于0且小于5％时对应的微分参数D作为整定完成的微分参数D。
进一步的，在比例参数P整定过程中的步骤(3)中和在微分参数D整定过程中的步骤(3)中，转向命令器按照以下步骤执行：
当转向轮转角数值稳定时，获取当前轮转角值为初始值，考虑到农机自动驾驶直线行驶的调角范围较小，设定的目标转角与初始值的差为-θ或θ，θ可以为10°，-θ为-10°。
考虑到农机液压式转向系统的不对称性，需整定左右转向的两组控制参数，由于车轮转向范围有限，每次整定完转向控制参数后，转向命令器将下一次的转向控制参数整定对应的目标转角方向设定为与上一次转向控制参数整定对应的目标转角方向的相反方向，这样可以做到每次交替更新所整定的左右转向两组控制参数。
步骤S104，判断是否满足预设转向控制性能的要求，在满足要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；在不满足要求时，执行步骤S101值步骤S104，直至满足预设转向控制性能的要求。
其中，调角时间和超调量是转向控制的主要性能指标，所述预设转向控制性能即为根据调角时间和超调量预先设置的。
具体的，在步骤S103中获取到调角时间内农机转向轮的角度后，根据公式Z＝(Mmax-M)*100％/M计算超调量，然后根据调角时间和超调量来判断是否能够满足预设转向控制性能的要求。若满足要求，则完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定。
若不满足要求，再执行步骤S101值步骤S104，直至满足预设转向控制性能的要求。
可选的，农机自动驾驶系统可以包括转角命令器、主控制器和参数自动整定器。主控制器根据参数自动整定器所提供的优化参数运行系统，这里的主控制器是PD控制器。参数自动整定器根据系统给定的性能指标结合当前主控制器控制系统运行情况判断分析如何优化控制参数。转角命令器给出每一次整定的初始转角和目标转角。
一个实施例中，上述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法的具体过程如下：
转角命令器发送目标转角指令给主控制器；
主控制器执行目标转角指令并输出控制信号；
执行控制信号使农机前轮转动；
读取前轮转角数据并反馈给主控制器，以使得主控制器根据所反馈的实时轮转角数据执行目标转角指令并输出控制信号；
参数自动整定器判断是否达到性能指标要求；若达到性能指标要求，则记录整定好的转向控制参数；
若未达到性能指标要求，则转角命令器发送目标转角指令给主控制器，同时参数自动整定器调整控制参数发送给主控制器，重复上述过程，直至达到性能指标要求。
上述方法借鉴了经验试凑法，将人工经验判断转向系统运行情况变为自动判断，直至满足系统性能指标，其中调角时间和超调量是转向控制的主要性能指标，要求小角度调角时间小于1500ms，超调量小于5％。
上述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，可以自行判断转向系统的运行性能，并与给定的性能指标相比较，进而调优转向控制参数，从而省去人工判断和参数修改环节，减小对专业运维人员的依赖，适用于大多数用户进行操作；可以自动根据每次调优的转向控制参数自动运行转向控制系统，直到转向控制参数调至最优，从而省去人工手动给出转向控制指令环节，达到省时省力的效果；整定过程中无需构建转向系统数学模型，而是根据农机实地转向性能，从而准确整定转向控制参数；保证农机在自动驾驶过程中车轮能够又快有准地转向目标转角，解决现有技术对转向控制参数整定耗时费力的问题。
实施例二
结合附图2和3所示，基于同一发明构思，本发明实施例二还提供一种农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统。该农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统可包括控制模块301、控制信号执行模块302和执行反馈模块303。
控制模块301，用于设置转向控制参数的初始值，并生成初始控制信号；所述转向控制参数包括比例参数P和微分参数D。
控制信号执行模块302，用于接收所述初始控制信号，按照所述转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统。
执行反馈模块303，用于获取农机转向轮的转角，并发送给所述控制模块301。
所述控制模块301，还用于根据所述农机转向轮的转角与预设转向控制性能要求进行比对，在能够满足所述转向控制性能要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；在不满足所述转向控制性能要求时，根据所述预设转向控制性能调整农机的转向控制参数，并根据调整后的转向控制参数运行农机自动驾驶系统，直至满足所述转向控制性能要求。
作为一种可实施方式，所述控制信号执行模块302可以包括：数模转换器、电控液压阀和农机转向执行机构。具体的，所述数模转换器，用于将控制模块301输出的控制信号的数字量转换成模拟量，并发送给所述电控液压阀。所述电控液压阀，用于根据所述控制信号驱动农机转向执行机构的转向前轮旋转。
作为一种可实施方式，所述执行反馈模块303可以包括：角度传感器和模数转换器。具体的，所述角度传感器，用于检测转向轮的转角。所述模数转换器，用于将所述角度传感器检测得到的模拟量转换成数字量，发送给所述控制模块301。控制模块301再根据所述农机转向轮的转角与预设转向控制性能要求进行比对，在能够满足所述转向控制性能要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；在不满足所述转向控制性能要求时，根据所述预设转向控制性能调整农机的转向控制参数，并根据调整后的转向控制参数运行农机自动驾驶系统，直至满足所述转向控制性能要求。
其中，执行反馈模块303的主要功能有两个方面，一是用于控制模块301中基于位置式PD的主控制器实时反馈的数据，二是用于控制模块301中参数自动整定器提取每次整定过程中前1500ms内的轮转角的峰值，进而求取超调量或欠调量。
另外，上述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统还可以包括存储模块。所述存储模块用于存储整定完成的转向控制参数。
上述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统，可以自行判断转向系统的运行性能，并与给定的性能指标相比较，进而调优转向控制参数，从而省去人工判断和参数修改环节，减小对专业运维人员的依赖，适用于大多数用户进行操作；可以自动根据每次调优的转向控制参数自动运行转向控制系统，直到转向控制参数调至最优，从而省去人工手动给出转向控制指令环节，达到省时省力的效果；整定过程中无需构建转向系统数学模型，而是根据农机实地转向性能，从而准确整定转向控制参数；保证农机在自动驾驶过程中车轮能够又快有准地转向目标转角，解决现有技术对转向控制参数整定耗时费力的问题。
应该注意的是，如上所述的本公开的各种实施例通常在一定程度上涉及输入数据的处理和输出数据的生成。此输入数据处理和输出数据生成可在硬件或者与硬件结合的软件中实现。例如，可在移动装置或者相似或相关的电路中采用特定电子组件以用于实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。另选地，依据所存储的指令来操作的一个或更多个处理器可实现与如上所述本公开的各种实施例关联的功能。如果是这样，则这些指令可被存储在一个或更多个非暂时性处理器可读介质上，这是在本公开的范围内。处理器可读介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、CD-ROM、磁带、软盘和光学数据存储装置。另外，用于实现本公开的功能计算机程序、指令和指令段可由本公开所属领域的程序员容易地解释。
尽管已参照本公开的各种实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，其特征在于，包括：
设置转向控制参数的初始值；所述转向控制参数包括比例参数P和微分参数D；
按照所述转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统；
获取调角时间内农机转向轮的角度，并根据所述农家转向轮的角度与预设转向控制性能要求进行比对，在能够满足所述转向控制性能要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；
在不满足所述转向控制性能要求时，根据所述预设转向控制性能调整农机的转向控制参数，并根据调整后的转向控制参数运行农机自动驾驶系统，直至满足所述转向控制性能要求。
2.如权利要求1所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，其特征在于，对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定包括对比例参数P的整定，具体步骤为：
令微分参数D为零，设置比例参数P的取值范围为[Pmin,Pmax]，令比例参数P的初始值为P＝(Pmin+Pmax)/2；
设置农机的当前轮转角为0，设置目标转角M为-θ或θ；
根据设置的当前转角和目标转角进行转向控制，转向控制的控制信号为u(t)＝P*(M-y(t))+D*[(M-y(t))-(M-y(t-1))]，y(t)和y(t-1)分别为本次转向控制周期和上次转向控制周期的轮转角的角度值；
获取此次转向控制对比例参数P整定在调角时间内的超调量或欠调量，超调量或欠调量的计算公式为Z＝(Mmax-M)*100％/M，其中Mmax为此次整定过程中的转向轮转角最大值，当Z大于零时为超调量，小于零为欠调量；
将超调量大于15％且小于20％时对应的比例参数P作为整定完成的比例参数P。
3.如权利要求2所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，其特征在于，所述将超调量大于15％且小于20％时对应的比例参数P作为整定完成的比例参数P，具体为：
若超调量大于20％，令此时的比例参数P取Pmax，若超调量小于15％或欠调，则令此时的比例参数P取Pmin；
重复所述根据设置的当前转角和目标转角进行转向控制步骤和所述获取此次转向控制对比例参数P整定过程的超调量或欠调量步骤，直至得出的超调量大于15％且小于20％；
将超调量大于15％且小于20％时对应的比例参数P作为整定完成的比例参数P。
4.如权利要求2所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，其特征在于，对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定包括对微分参数D的整定，具体步骤为：
基于整定完成的比例参数P，设置微分参数D的取值范围为[Dmin,Dmax]，令微分参数D的初始值为D＝(Dmin+Dmax)/2；
设置农机的当前轮转角为0，设置目标转角M为-θ或θ；
根据设置的当前转交和目标转角进行转向控制，转向控制的控制信号为u(t)＝P*(M-y(t))+D*[(M-y(t))-(M-y(t-1))]，y(t)和y(t-1)分别为本次转向控制周期和上次转向控制周期的轮转角的角度值；
获取此次转向控制对比例参数P整定在调角时间内的超调量或欠调量，超调量或欠调量的计算公式为Z＝(Mmax-M)*100％/M，其中Mmax为此次整定过程中的转向轮转角最大值，当Z大于零时为超调量，小于零为欠调量；
将超调量大于0且小于5％时对应的微分参数D作为整定完成的微分参数D。
5.如权利要求4所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，其特征在于，所述将超调量大于0且小于5％时对应的微分参数D作为整定完成的微分参数D，具体为：
若超调量大于5％，令此时的微分参数D取Dmax，若欠调，则令此时的微分参数D去Dmin；
重复所述根据设置的当前转交和目标转角进行转向控制步骤和所述获取此次转向控制对比例参数P整定过程的超调量或欠调量步骤，直至得出的超调量大于0且小于5％；
将超调量大于0且小于5％时对应的微分参数D作为整定完成的微分参数D。
6.如权利要求2或4所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定方法，其特征在于，所述设置目标转角M为-θ或θ具体为：
当转向轮转角数值稳定时，获取当前轮转角值为初始值,设定的目标转角与初始值的差为-θ或θ；
每次整定完转向控制参数后，将下一次的转向控制参数整定对应的目标转角方向设定为与上一次转向控制参数整定对应的目标转角方向的相反方向。
7.一种农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统，其特征在于，包括：
控制模块，用于设置转向控制参数的初始值，并生成初始控制信号；所述转向控制参数包括比例参数P和微分参数D；
控制信号执行模块，用于接收所述初始控制信号，按照所述转向控制参数的初始值运行农机自动驾驶系统；
执行反馈模块，用于获取农机转向轮的转角，并发送给所述控制模块；
所述控制模块，还用于根据所述农机转向轮的转角与预设转向控制性能要求进行比对，在能够满足所述转向控制性能要求时，完成对农机自动驾驶系统的转向控制参数的整定；在不满足所述转向控制性能要求时，根据所述预设转向控制性能调整农机的转向控制参数，并根据调整后的转向控制参数运行农机自动驾驶系统，直至满足所述转向控制性能要求。
8.如权利要求7所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统，其特征在于，所述控制信号执行模块包括：数模转换器、电控液压阀和农机转向执行机构；
所述数模转换器，用于将所述控制模块输出的控制信号的数字量转换成模拟量，并发送给所述电控液压阀；
所述电控液压阀，用于根据所述控制信号驱动农机转向执行机构的转向前轮旋转。
9.如权利要求7所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统，其特征在于，所述执行反馈模块包括：角度传感器和模数转换器；
所述角度传感器，用于检测转向轮的转角；
所述模数转换器，用于将所述角度传感器检测得到的模拟量转换成数字量，发送给所述控制模块。
10.如权利要求7至9任一项所述农机自动驾驶系统的转向控制参数整定系统，其特征在于，还包括：
存储模块，用于存储整定完成的转向控制参数。
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