CN111708275B - 一种提高作业深度系统控制精度的方法及装置 - Google Patents

一种提高作业深度系统控制精度的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高作业深度系统控制精度的方法及装置，该方法的步骤包括：步骤S101:采集位置信息数据；所述位置信息数据包括：载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置；步骤S102:根据得到的位置信息数据，依据上述位置信号数据计算得到实际作业深度控制量。该装置是基于上述方法来实施。本发明具有原理简单、易实现、能够提高控制精度等优点。

Description

一种提高作业深度系统控制精度的方法及装置
技术领域
本发明主要涉及到自动化机械设备技术领域，特指一种提高作业深度系统控制精度的方法及装置。
背景技术
在一些工程施工或者农田耕种过程中，需要对机械设备的作业深度进行精确控制，如路面铣刨机铣刨深度、播种机开沟深度、旋耕机旋耕深度等。
在现有的控制方式中，作业深度控制系统一般是采用以下方式对作业深度进行控制：通过测量作业属具安装框架距地表高度，获取实际高度与预设高度的误差信号，将此误差信号作为控制器输入信号；控制器输出信号控制驱动执行机构升降动作，达到控制作业深度的目的。
然而，上述方式在具体实践过程中存在以下不足：
(a)深度测量传感器受安装载体姿态角度影响，造成测量值与实际深度值之间存在误差，影响深度控制精度。
(b)现有深度控制过程中所采用的算法一般为经典比例积分微分(PID)控制，在克服不同深度土壤阻力变化带来的外界扰动方面能力不足，造成深度控制精度无法进一步提升。
故，亟待通过创新设计对载体姿态造成的测量误差进行修正，并对切削阻力扰动造成的控制误差进行补偿。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、能够提高控制精度的提高作业深度系统控制精度的方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种提高作业深度系统控制精度的方法，其步骤包括：
步骤S101:采集位置信息数据；所述位置信息数据包括：载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置；
步骤S102:根据得到的位置信息数据，依据下式得到实际作业深度控制量：
Figure BDA0002556152580000021
其中，α为载体姿态在俯仰方向上绕x轴旋转方向的角度；β为载体姿态在横滚方向上绕y轴旋转方向的角度；l2为深度测量传感器安装基座相对于作业属具安装基座在x轴方向的坐标；l1深度传测量感器安装基座相对于作业属具安装基座在y轴方向的坐标；h1为作业属具安装基座距地表高度，即实际作业深度控制量；h2为深度测量传感器值。
作为本发明方法的进一步改进：采用非接触式深度测量传感器进行深度测量。
作为本发明方法的进一步改进：采用卡尔曼滤波器对非接触式深度测量传感器的测量值进行预先处理。
作为本发明方法的进一步改进：还包括步骤S103：基于反馈信号差值的进行作业深度扰动补偿控制；即：利用作业属具端深度传感器测量值和驱动部件端油缸位移传感器测量值，两者测量值求差；将差值信号结合控制对象模型的逆得到作业属具切入土壤深度变化造成的外界扰动量；将所述外界扰动量作为反馈控制量加入深度控制系统中，用来对此扰动进行抑制。
作为本发明方法的进一步改进：所述控制对象模型的逆通过建立对象线性模型得到，在获取控制对象模型参数基础上，得到控制对象模型的逆，确定Q滤波器传递函数；在获取控制对象模型的逆和Q滤波器参数基础上，结合经典PID控制方法实现作业深度的精度控制。
作为本发明方法的进一步改进：已知电液伺服阀到作业属具端的控制对象模型在s域的开环传递函数为：
Figure BDA0002556152580000031
其中，Gn(s)为控制对象模型；1/Gn(s)则为控制对象模型的逆；K为控制对象模型增益系数；a，b，c为控制对象模型二阶环节参数；K，a，b，c模型参数；
采用实验辨识方法获取模型参数，所述实验辨识方法是通过设计一组正反逆M序列信号分别激励控制对象物理系统，获取系统响应信号，在此基础上求取激励信号和响应信号的差值；利用激励信号差值作为输入，响应信号差值作为输出，在模型结构已知的前提下，通过最小二乘辨识方法得到模型参数，即K，a，b，c的值。
作为本发明方法的进一步改进：在获取控制对象模型参数基础上，得到控制对象模型的逆，确定Q滤波器传递函数为：
Figure BDA0002556152580000032
其中，τ为Q滤波器截止频率；滤波器截止频率参数确定通过控制系统闭环在线调试获取；基本原则是当闭环控制系统出现不稳定现象的滤波器截止频率参数值的1/2作为最终确定值。
本发明进一步提供一种提高作业深度系统控制精度的装置，它为一种基于载体姿态角度的作业深度测量误差修正装置，其包括：
两轴倾角传感器，用于载体姿态角度测量；
深度测量传感器，安装于传感器安装基座平面上；
信号处理单元，用来采集位置信息数据，根据得到的位置信息数据，得到实际作业深度控制量；该位置信息数据包括：载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置。
作为本发明装置的进一步改进：所述信号处理单元包括DC-DC直流电源转换模块、STM32微处理器、AD采集电路、传感器信号调理电路及CAN通信接口电路；其中，信号处理单元与外界的数据信息交换采用CAN总线接口方式，通过CAN通信接口电路完成；深度测量传感器和两轴倾角传感器采集的信号经传感器信号调理电路、AD采集电路后送入STM32微处理器；传感器信号调理电路主要实现信号的放大、零偏调整与滤波处理。深度测量误差修正算法和Kalman滤波算法在STM32微处理器中完成。
作为本发明装置的进一步改进：还包含扰动补偿控制器，所述扰动补偿控制器包括Q滤波器、油缸位移传感器、电液阀及液压油缸、系统模型的拟单元；利用作业属具端深度传感器测量值和驱动部件端油缸位移传感器测量值，两者测量值求差；将差值信号结合控制对象线性模型的逆得到作业属具切入土壤深度变化造成的外界扰动量；将此扰动量作为反馈控制量加入深度控制系统中，实现对扰动的抑制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种提高作业深度系统控制精度的方法及装置，原理简单、易实现、能够提升工程或农业机械深度控制系统的深度控制精度，可实现更加精细化的工程施工和农业耕种作业，其装置结构简单、成本低廉，对高精度深度控制技术在工程或者农业机械领域的推广应用有较好的推动作用，经济效益明显。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图。
图2是本发明在具体应用实例中作业深度控制系统各部件之间的基本位置关系示意图。
图3是本发明在具体应用实例中基于载体姿态角度的作业深度测量误差修正装置示意图。
图4是本发明在具体应用实例中基于反馈信号差值的作业深度扰动补偿控制器的示意图。
图5是本发明在具体应用实例中正反逆M序列信号示意图。
图例说明：
1、两轴倾角传感器；2、传感器安装基座平面；3、深度测量传感器；4、信号处理单元；I、作业属具安装基座位置；II、深度测量传感器安装基座位置；III、作业地表。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明的一种提高作业深度系统控制精度的方法，包含了基于载体姿态角度的作业深度测量误差修正方法，即：利用载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置等信息求解载体姿态角度造成的深度测量误差，在此基础上对深度测量误差进行修正，最终得到实际作业深度控制量；图2中I为作业属具安装基座位置；II为深度测量传感器安装基座位置；III为作业地表。
本发明的具体步骤包括：
步骤S101:采集位置信息数据；
该位置信息数据包括：载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置；参见图2，为作业属具安装基座与深度测量传感器安装基座之间的基本位置关系。
步骤S102:根据得到的位置信息数据，依据下式得到实际作业深度控制量：
Figure BDA0002556152580000051
其中，α为载体姿态在俯仰方向(绕x轴旋转方向)的角度；
β为载体姿态在横滚方向(绕y轴旋转方向)的角度；
l2为深度测量传感器安装基座相对于作业属具安装基座在x轴方向的坐标；
l1深度传测量感器安装基座相对于作业属具安装基座在y轴方向的坐标；
h1为作业属具安装基座距地表高度，即实际作业深度控制量；
h2为深度测量传感器值。
在具体应用实例中，本发明主要采用非接触式深度测量传感器，非接触式深度测量传感器一般选择激光或者超声测距方式。基于超声或者激光深度测量传感器测量信号受地表轮廓不规则的影响，造成测量值噪声较大，需设计滤波器对测量信号进行滤波处理，本发明中选用卡尔曼(Kalman)滤波器对传感器测量值进行预先处理。
进一步，作为较佳的实施例，本发明进一步包括步骤S103：基于反馈信号差值的进行作业深度扰动补偿控制，其基本原理为：利用作业属具端深度传感器测量值(依据上述方法进行测量误差修正后的值)和驱动部件端油缸位移传感器测量值，两者测量值求差；将差值信号结合控制对象线性模型的逆得到作业属具切入土壤深度变化造成的外界扰动量；将此扰动量作为反馈控制量加入深度控制系统中，实现对此扰动的抑制，从而达到提升深度控制系统精度的目的，如图4所示。
在具体应用实例中，上述基于扰动补偿的作业深度控制的关键点就在于：
(1)求解控制对象模型的逆并获取模型参数；
(2)确定Q滤波器结构和参数。
其中，控制对象模型的逆可通过建立对象线性模型得到，已知电液伺服阀到作业属具端的控制对象模型在s域的开环传递函数为：
Figure BDA0002556152580000061
其中，Gn(s)为控制对象模型；
1/Gn(s)则为控制对象模型的逆；
K为控制对象模型增益系数；
a，b，c为控制对象模型二阶环节参数。
K，a，b，c模型参数，为确保所建立的控制对象模型符合实际系统，采用实验辨识方法获取模型参数。
实验辨识方法是通过设计一组正反逆M序列信号分别激励控制对象物理系统，获取系统响应信号，在此基础上求取激励信号和响应信号的差值。利用激励信号差值作为输入，响应信号差值作为输出，在模型结构已知的前提下，通过最小二乘辨识方法得到模型参数，即K，a，b，c的值。正反逆M序列激励信号如图5所示，信号幅值、移位周期和信号级数参数可根据系统模型先验知识确定。
在获取控制对象模型参数基础上，可得控制对象模型的逆，可确定Q滤波器传递函数为：
Figure BDA0002556152580000071
其中，τ为Q滤波器截止频率。滤波器截止频率参数确定需考虑控制系统鲁棒稳定性，可通过控制系统闭环在线调试获取。基本原则是当闭环控制系统出现不稳定现象的滤波器截止频率参数值的1/2作为最终确定值。
在获取控制对象模型的逆和Q滤波器参数基础上，按照图4所示控制结构构建基于信号差值的作业深度扰动补偿控制系统，结合经典PID控制方法可实现作业深度的高精度控制。
由上可知，本发明可以解决深度传感器安装载体姿态角度造成的测量误差，还能解决土壤深度变化带来的切入阻力变化，即控制对象外界扰动变化造成的深度控制误差。本发明可以适用于油缸位移和作业属具位移可分别直接测量的深度控制系统。
本发明尤其适用于如下情况：
(1)载体在绕x轴和y轴方向的姿态角度变化范围在±10范围内；
(2)载体姿态角度变化的旋转中心(坐标原点)为作业属具安装基座位置；
(3)深度测量传感器垂直安装于载体姿态平面，且尽量靠近作业属具安装基座位置；
(4)姿态测量传感器安装过程中确保其两旋转轴线分别与x、y轴平行。
如图3所示，本发明进一步提供一种基于载体姿态角度的作业深度测量误差修正装置，该修正装置包括：
高精度的两轴倾角传感器1，用于载体姿态角度测量；
深度测量传感器3，安装于传感器安装基座平面2上；
信号处理单元4，用来采集位置信息数据，根据得到的位置信息数据，得到实际作业深度控制量；该位置信息数据包括：载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置；
在具体应用实例中，信号处理单元4包括DC-DC直流电源转换模块、STM32微处理器、AD采集电路、传感器信号调理电路及CAN通信接口电路；其中，信号处理单元4与外界的数据信息交换采用CAN总线接口方式，通过CAN通信接口电路完成；深度测量传感器3和两轴高精度倾角传感器1采集的信号经传感器信号调理电路、AD采集电路后送入STM32微处理器；传感器信号调理电路主要实现信号的放大、零偏调整与滤波处理。深度测量误差修正算法和Kalman滤波算法主要在STM32微处理器中完成。
在具体应用实例中，进一步上述信号处理单元4采用嵌入式信号处理板卡的结构，所有电路和模块均集成于嵌入式信号处理板卡上。
在具体应用实例中，本发明的装置进一步包含扰动补偿控制器，该扰动补偿控制器包括Q滤波器、油缸位移传感器、电液阀及液压油缸、系统模型的拟单元；利用作业属具端深度传感器测量值(依据上述方法进行测量误差修正后的值)和驱动部件端油缸位移传感器测量值，两者测量值求差；将差值信号结合控制对象线性模型的逆得到作业属具切入土壤深度变化造成的外界扰动量；将此扰动量作为反馈控制量加入深度控制系统中，实现对此扰动的抑制，从而达到提升深度控制系统精度的目的，如图4所示。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高作业深度系统控制精度的方法，其特征在于，步骤包括：
步骤S101:采集位置信息数据；所述位置信息数据包括：载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置；
步骤S102:根据得到的位置信息数据，依据下式得到实际作业深度控制量：
Figure FDA0004095109740000011
其中，α为载体姿态在俯仰方向上绕x轴旋转方向的角度；β为载体姿态在横滚方向上绕y轴旋转方向的角度；l2为深度测量传感器安装基座相对于作业属具安装基座在x轴方向的坐标；l1深度传测量感器安装基座相对于作业属具安装基座在y轴方向的坐标；h1为作业属具安装基座距地表高度，即实际作业深度控制量；h2为深度测量传感器值；
步骤S103：基于反馈信号差值的进行作业深度扰动补偿控制；即：利用作业属具端深度传感器测量值和驱动部件端油缸位移传感器测量值，两者测量值求差；将差值信号结合控制对象模型的逆得到作业属具切入土壤深度变化造成的外界扰动量；将所述外界扰动量作为反馈控制量加入深度控制系统中，用来对此扰动进行抑制。
2.根据权利要求1所述的提高作业深度系统控制精度的方法，其特征在于，采用非接触式深度测量传感器进行深度测量。
3.根据权利要求2所述的提高作业深度系统控制精度的方法，其特征在于，采用卡尔曼滤波器对非接触式深度测量传感器的测量值进行预先处理。
4.根据权利要求1所述的提高作业深度系统控制精度的方法，其特征在于，所述控制对象模型的逆通过建立对象线性模型得到，在获取控制对象模型参数基础上，得到控制对象模型的逆，确定Q滤波器传递函数；在获取控制对象模型的逆和Q滤波器参数基础上，结合经典PID控制方法实现作业深度的精度控制。
5.根据权利要求4所述的提高作业深度系统控制精度的方法，其特征在于，已知电液伺服阀到作业属具端的控制对象模型在s域的开环传递函数为：
Figure FDA0004095109740000021
其中，Gn(s)为控制对象模型；1/Gn(s)则为控制对象模型的逆；K为控制对象模型增益系数；a，b，c为控制对象模型二阶环节参数；K，a，b，c模型参数；
采用实验辨识方法获取模型参数，所述实验辨识方法是通过设计一组正反逆M序列信号分别激励控制对象模型物理系统，获取系统响应信号，在此基础上求取激励信号和响应信号的差值；利用激励信号差值作为输入，响应信号差值作为输出，在模型结构已知的前提下，通过最小二乘辨识方法得到模型参数，即K，a，b，c的值。
6.根据权利要求5所述的提高作业深度系统控制精度的方法，其特征在于，在获取控制对象模型参数基础上，得到控制对象模型的逆，确定Q滤波器传递函数为：
Figure FDA0004095109740000022
其中，τ为Q滤波器截止频率；滤波器截止频率参数确定通过控制系统闭环在线调试获取；基本原则是当闭环控制系统出现不稳定现象的滤波器截止频率参数值的1/2作为最终确定值。
7.一种提高作业深度系统控制精度的装置，其特征在于，包括：
两轴倾角传感器，用于载体姿态角度测量；
深度测量传感器，安装于深度测量传感器安装基座平面上；
信号处理单元，用来采集位置信息数据，根据得到的位置信息数据，得到实际作业深度控制量；该位置信息数据包括：载体姿态角度、深度测量传感器安装基座到作业属具安装基座之间的距离、作业属具回转中心位置；
扰动补偿控制器，所述扰动补偿控制器包括Q滤波器、油缸位移传感器、电液阀及液压油缸、系统模型的拟单元；利用作业属具端深度传感器测量值和驱动部件端油缸位移传感器测量值，两者测量值求差；将差值信号结合控制对象线性模型的逆得到作业属具切入土壤深度变化造成的外界扰动量；将此扰动量作为反馈控制量加入深度控制系统中，实现对扰动的抑制。
8.根据权利要求7所述的提高作业深度系统控制精度的装置，其特征在于，所述信号处理单元包括DC-DC直流电源转换模块、STM32微处理器、AD采集电路、传感器信号调理电路及CAN通信接口电路；其中，信号处理单元与外界的数据信息交换采用CAN总线接口方式，通过CAN通信接口电路完成；深度测量传感器和两轴倾角传感器采集的信号经传感器信号调理电路、AD采集电路后送入STM32微处理器；传感器信号调理电路主要实现信号的放大、零偏调整与滤波处理，深度测量误差修正算法和Kalman滤波算法在STM32微处理器中完成。
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