智能收割机模糊控制系统应用研究.pdf

第5 3 卷 V 0 1 5 3 第6 期 N o 6 农业装备与车辆工程 A G R I C U L T U R A LE Q U I P M E N T V E H I C L EE N G I N E E R I N G 2 0 1 5 年6 月 J u n e2 0 1 5 d o i 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 5 0 6 0 1 6 王乐刚1 孟惠艳1 赵光军1 万信超2 刘讶兵1 1 2 6 1 2 0 6 山东省潍坊市福田雷沃国际重工股份有限公司 2 4 3 0 0 0 0 湖北省武汉市武汉盛硕电子有限公司 摘要 智能收割机控制系统是为谷物联合收割机在作业过程中控制行走速度快慢设计 从而提高作业效率 和作业效果 应用模糊控制技术 集成了行走控制 负荷控制 割台高度控制装置 损失率显示及预警装置 在 作业过程中控制速度为基础 割台高度自动调节 通过实时检测喂入搅龙 籽粒搅龙 过桥主动轴 脱粒滚筒 等工作状态 调整行走速度 保证联合收割机最佳工作状态 试验结果表明 收割达到高效率 低损失 低劳动 强度的效果 为精准 智能农业提供新的装备 关键词 谷物联合收割机 人工智能 模糊控制 中图分类号 T P 2 7 3 4 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 3 3 1 4 2 2 0 1 5 0 6 0 0 6 6 0 5 A p p lica t io nR e s e a r chO ilI n t e llig e n tH a r v e s t e rC o n t r o lS y s t e m W a n gL e g a n 9 1 M e n gH u iy a n l Z h a oG u a n 舀u n l W a nX in ch a 0 2 L iuY a b in 9 1 1 F o t o nL o v o lI n t e r n a t io n a lH e a v yI n d u s t r yC o L t d W e if a n gC it y S h a n d o n gP r o v in ce2 6 1 2 0 6 C h in a 2 W u h a nS e n s o rE le ct r o n icsC o L t d W u h a nC it y H u b e iP r o v in ce4 3 0 0 0 0 C h in a A b s t r a ct I n t e llig e n th a r v e s t e rco n t r o ls y s t e misd e s ig n e df o rco n t r o llin gt h ew a lk in gs p e e do fco m b in eh a r v e s t e rint h ep r o ce s s o fo p e r a t io n S Oa st oim p r o v ew o r k in ge f f icie n cya n dw o r k in ge f f e ct T h iss y s t e m u s in gf u z z yco n t r o l t e ch n o lo g y in t e g r a t e dw it h w a lk in gco n t r o l lo a dco n t r o l cu t t in gh e ig h tco n t r o ld e v ice lo s sr a t ed is p la ya n dw a r n in gd e v ice a d j u s t st h ew a lk in gs p e e do n t h eb a s iso fco n t r o llin gt h es p e e dint h ep r o ce s so fo p e r a t io n a u t o m a t ich e a dh e ig h ta d j u s t m e n t t h r o u g hr e a l t im ed e t e ct io no f w o r k in gco n d it io n ss u cha sf e e d in ga u g e r g r a ina u g e r d r iv es h a f ta n dt h r e s h in gcy lin d e r e n s u r e st h a tt h eco m b in eisa t t h e b e s tw o r k in gs t a t e T e s tr e s u lt ss h o wt h a tt h ee f f e cto fh ig he f f icie n cy lo wlo s s lo wla b o rin t e n s it yisa ch ie v e d n e we q u ip m e n t isp r o v id e df o ra ccu r a t ea n din t e llig e n ta g r icu lt u r e K e yw o r d s g r a inco m b in eh a r v e s t e r a r t if icia lin t e llig e n ce f u z z yco n t r o l 0 引言 收割机是目前农村收获季节的主要设备 但 在田间作业时 机器主要靠人工控制调节 收割效 率不高 作业不够精准 谷物损失较严重 人工劳 动强度较大 使收割机的应用受到了一定的限制 在电子技术高度发达的时代 研究智能收割机 以 单片机为控制器 通过阶段预测模糊控制算法的 计算 得到适合工况的行走速度的期望值 对行走 速度进行调整 使得谷物联合收割机工作在高效 稳定的工作状态 达到提高生产效率 降低生产成 本 减少作物损失的精准农业生产 对增加农民收 入具有突出的现实意义 在农业领域具有广阔的 前景 本文主要阐述模糊控制技术设计及在联合收 割机中的应用试验 收稿日期 2 0 1 5 0 5 0 6修回1 3 期 2 0 1 5 0 5 2 9 1 收割机总体结构 本智能收割机是集机 电 液一体化的高科技 产品 主要由机械传动系统 液压颤动系统 微电 模糊控制系统组成 结构示意图见图1 黼3 融猁燃 第阶段J 托lt 挥 曩 黼度揽 漱段 存走马达洒赫 割台高度 调节油缸 图1 智能收割机示意图 F ig 1I n t e llig e n th a r v e s t e r 农业装备与车辆工程 2 预测模糊控制器方案及措施 2 1 预测模糊控制器原理 智能谷物联合收割机模糊控制系统硬件 如 图2 所示 主要由控制器 信号传感器 显示器以 及行走执行机构 割台升降机构组成 本系统以 福田雷沃 四驱液压行走收割机作为试验样机 智能控制器集成了数据采集和控制系统所需要的 几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件 喂人 搅龙转速 过桥主动轴转速 滚筒转速 籽粒搅龙 的测量均用霍尔传感器采集转速信号 通过C A N 总线进人控制器 显示器采用1 0 4in chT 订L C D 数字屏 显示屏分辨率8 0 0 x 6 0 0R G B 调速执行 机构以控制器驱动试验样机内部的速度控制液压 电磁阀实现速度自动控制 显示器 喂人搅龙 轴流滚筒 籽粒搅龙 过桥轴 视频模块I I 操控手柄 J 损失检测传感器 1 行走电磁阀 割台高度控制阀 图2 模糊控制系统硬件组成 F ig 2F u z z yco n t r o ls y s t e mh a r d w a r e 谷物联合收割机的工作过程是非线性实时变 化 且有不定时延时的复杂过程 如脱粒滚筒 其 负荷变化相对于行走速度的变化延时时间为A T 喂人量变化时间 谷物通过倾斜输送器的时间 控 制器的反应时间 因为控制器发出控制命令改变 前进速度需要一定的时间 联合收割机才能达到 相应的控制速度 从而修改喂人量 如果此时作物 生长密度有了变化 则延时时间将更加不可预测 所以本系统要求智能预测引入到模糊控制当中构 成预测模糊控制 将预测模糊控制算法应用于谷 物联合收割机的前进速度控制系统中 从而希望 解决控制过程中存在的非线性 实时变化和时间 滞后等问题 其基本原理是首先采集计算喂人搅 龙 过桥主动轴 轴流滚筒 籽粒搅龙与其各自的 额定值的偏差以及偏差的变化量 之后由预测算 法计算出A T 时间后的各阶段理论预期变化值 将这个期望值作为模糊控制系统的预判条件 经 过模糊逻辑推理综合计算获得机器行走速度的目 标值 进而通过执行机构调整收割机的行走速度 改变割台谷物的喂入量以达到脱粒滚筒所需要的 最佳喂人量 控制系统中 控制器实时采集喂人搅龙 过桥 主动轴 轴流滚筒 籽粒搅龙和当前行走速度信 号 经过相应预处理后进行预测模糊控制算法 计 算行走速度的期望值 控制器根据期望值发出控 制信号驱动执行机构调整收割机的行走速度 使 得谷物喂人量按照预期的期望值变化 信号输入 量通过液晶显示器监测 除行走速度外 各信号还 具有预警和报警功能 2 行走速度控制 给比例阀阀心施加一个小幅 振动信号 使其始终处于运动状态 将静摩擦转换 为动摩擦 从而改善其响应速度和响应灵敏度 减 小滞后 这一小幅振动称之为 颤振 控制器通过P W M 信号驱动比例阀 颤振就 叠加在P W M 信号上 当P W M 信号占空比不变 时 由于叠加了颤振 实际信号占空比在小幅地波 动 从而使得阀芯保持不断的小幅振动 当需要阀 芯大幅运动时 由于常态下小幅振动的存在 从而 提高响应速度和灵敏度 颤振频率1 0 0H z 1 0m s 图3 可以看出颤振 的效果 较高f li7 比较低 1 1 一比 图3 占空颤振图 F ig 3D u t yf lu t t e rf ig u r e 2 预测模糊控制器硬件设计 2 1 传感器 转速传感器 霍尔传感器 各轴转速的期望值 r m in 喂入搅龙转速 n 过桥主动轴转速 n 轴流滚筒转速 n 籽 粒搅龙转速 n 发动机转速 凡 割台高度传感器 o H cm 行走速度传感器 0 v n k m h 2 2 控制器 第5 3 卷第6 期 王乐刚等 智能收割机模糊控制系统应用研究 6 5 控制器内核示意图见图4 图4 控制器内核 F ig 4T h ek e r n e lco n t r o lle r 2 3 显示器 L C D 显示界面如图5 图5L C D 界面 F ig 5 T h eL C Ds cr e e n 3 预测模糊控制器软件设计 操作系统建立R T O S 实时操作系统 调度节 拍lm s 首先在控制器中建立输入输出量的偏差 和偏差变化量的量化表和模糊规则查询表 对于 特定的输入 通过输入量的量化表查得其对应的 量化等级 得到对应的模糊量 之后根据模糊规则 查询表取得系统的输出量的量化等级 最后由输 出量的量化表得到调速执行机构的执行方案 参 见图6 图6 预测模糊控制模型结构 F ig 6 T h es t r u ct u r eo ft h ef u z z yco n t r o lf o r e ca s tm o d e 2 4 四阶段预测模糊控制 系统针对智能谷物联合收割机的复杂控制实 施多阶段预测控制 全过程分为4 个阶段 第1 阶段 谷物进入喂人搅龙的状态预测 与 切割器的延时为 咒 第2 阶段 谷物经过传送机构过桥轴的状态 与喂人搅龙的延时为 疋 第3 阶段 谷物进入脱粒滚筒的状态 与喂入 搅龙的延时为 正 第4 阶段 谷物经过籽粒搅龙的状态 与喂 人搅龙的延时为 A T z 谷物经过智能收割机4 个阶段 总的延时时 间为 T A T A Z Z Z 经过预测模糊算法获得对应的4 个阶段控制 量总额 综合模糊逻辑类似单一模糊逻辑控制 形 成行的4 x 4 9 条控制规则 3 2 5 智能控制的优点 智能控制是一种模仿人工操作的控制过程 它通过各功能传感器收集整个复杂工作的状态信 号 利用现代微机技术 通过多次 反复算法论证 建立相对了成熟的数学模型 以软件编程的方式 固化操作流程于控制中 它对复杂的工作环境有 一定的适应能力 能够提前判断可能遇到的问题 并采取预处理措施 4 1 谷物联合收割机在工作过程中包含了许多不 确定的因素 工作条件变化复杂 智能谷物联合收 割机能够调节到最合适的行走速度以适应复杂的 工况 其操作精准度远高于人工 而其固化的智能 模式能够长期保证各项操作的精准性 农业装备与车辆工程 2 0 1 5 年 2 6 智能控制的关键点 1 速度控制算法与模型 2 谷物喂入量与 喂人搅龙的作业参数关系模型 3 谷物喂人量与 过桥轴的作业参数关系模型 4 谷物喂人量与脱 粒滚筒的作业参数关系模型 5 谷物喂入量与籽 粒搅龙的作业参数关系模型 6 害lJ 茬高度与谷物 喂入量的关系模型 7 预判与控制响应速度 2 7 行走速度对工作状态的影响 2 7 1 行走速度对拨禾轮的影响 拨禾轮是最早接触谷物的部件 拨禾轮相对 作物的速度是行走速度和自转速度的叠加 如果 拨禾轮速度过高 工作过程中会促使大量的作物 脱粒 造成粮食损失 如果拨禾轮转速过低 又会 影响切割器的工作效率 同样会造成粮食损失 2 7 2 行走速度对切割器与喂入搅龙的影响 当行走速度过快时 割刀会出现漏割的现象 大量的漏割作物会堵塞切割器与喂人搅龙 造成无 法收割的情况 而行走速度过慢又影响工作效率 2 7 3 行走速度对滚筒的脱粒能力与筛箱的分离 能力的影响 行走速度过快 相对的喂人量增大 脱粒与分 离效果差 筛箱负担重 清选损失与夹带损失量大 2 7 4 速度低会影响工作效率 增加生产成本 控制收割机的行走速度是保证收割质量 提高 工作效率 减少作物损失 节约生产成本的关键 但 依靠人工调节谷物联合收割机的行走速度技术操 作要求高 劳动强度大 而且一致j 生差 精准度不高 3 试验与结果分析 为了验证该控制系统的效果 我们将该控制 系统装在 福田雷沃 联合收割机上 对水稻收割 进行试验 在试验中采集了相关数据并进行分析 图7 为水稻田间收割试验时的照片 图7 水稻收割试验 F ig 7R iceh a r v e s tt e s t 3 1 随车记录电脑数据采集及分析界面 图8 色 粤曼o 苎曼叫 一 一孵W 脚 秆褙 u il一盯iw r 舅 I 一一 h m 脚 一 嘲 一 M m I l m A j H d 舢 一 照 7 J 一 I o 三 聃 l o o l 一 H o 二一 一 H q l I I Illl ill l 一 j 日 l l 雌 城 图8 行车电脑记录仪界面 F ig 8 T h eco m p u t e rr e co r d e rin t er f a ceo fd r iv in g 行车电脑通过以上界面 实时收集小麦收割 机的工作过程 记录各个共组状态的数据 形成状 态数据库 图9 是正常收割输入量与输出量的数据分析 图表 记录并描述了各信号输入量与行走速度的 变化关系 o 7 H 图9 试验数据分析图表 F ig 9T e s td a t aa n a ly s isd ia g r a m 在自动行走收割状态下 选择固定的割茬高度 约1 0 2 0cm 转速报警值设定 脱粒滚筒设定调 整转速为6 3 0r r a in 籽粒搅龙转速4 5 0r r a in 过 桥主动轴转速1 4 0r r a in 喂人搅龙转速4 0 0r r a in 从图9 中可以看出 采用预测模糊控制的系 统时 滚筒转速稳定在 6 3 0 8 5 0 r r a in 之间 试验 结果表明了预测模糊控制系统可以适应复杂环境 下水稻田间的可行性 其控制性能比单纯模糊控 制更加优越 3 2 割台高度自动控制 高度标定斜率计算与高度误差分析 实际测 量的误差与理论误差一致 割台高度自动控制在 平地表面行走时控制比较理想 见图1 0 但是存 第5 3 卷第6 期 王乐刚等 智能收割机模糊控制系统应用研究 6 7 在以下问题 由于水稻种植密度有很大的随栅J 生 仿形板在割茬中行进 有时不能完全接触地表面 而悬浮于割茬表面 这样的情况导致出现阶梯型 平面割茬 然而却从相反的角度证明了割茬高度 自动控制的精准性 图10 割台高度标定与高度理论误差分析 F ig 10C u t t in gp la t f o r mh e ig h tca lib r a t io n a n dh ig h lyt h e o r e t ica le r r o ra n a ly s is 3 3 水稻籽粒损失率测算与预警 籽粒损失率的测算与预警是以理论计算和传 感器上传的数据与实际损失率的对比 以修正的 方式估计收获过程中的籽粒损失率 5 图11 是籽 粒损失检测修正经验值对照表 3 4 试验结果及问题分析与处理 籽粒损失检测功能在谷物联合收割机上应 用 目前只是损失率显示及预警 没有集成在智能 控制系统中 也是下一步突破的重点 将通过田间 实地作业 反复验证籽粒损失率与作业负荷 行走 速度之间的逻辑关系及算法 同时建立准确的数 学模型 以达到精准统计籽粒损失的目的 c 湖k 沾航I l暇H f 旒许j 舻 啦盯 1 0 h h 幕毫 槲M 一住6 LI 为I 撇 Io 蕴ll自报嘎螂撼蔓上捌啦hI 三蜘l甜 酾 锶 黝嘲榭嬲撇蝴 蝴圳删凇 3 1 5 l蜀啦溯啪e 娃 蕊蘸I l 茬1 l向 I 在蚺口磕驰煳 燃 2 怒 裟j 妒魑郴9 姒甥蛾蚴 咎蕈q 碘划脚粼 n I l 盖I 媳 嘲瓣戮燃黼黧骥辫图骶 m 凇Hl讷嘲蝴棚 I2 H 确Ib 嗣蝴明 cI 梆辑蚋 j 奄l瑚产l D 梆瑚kl剖黼 噼0 1 昭4 1 粕 攀l制 帆H 争L 5 4 结论 图11 籽粒损失修正经验值对照表 F ig 11T h eg r a inlo s sco r r e ct io n e x p e r ie n cev a lu et a b le 通过试验 该控制系统比单一预测模糊控制 方法的控制过程调整时间更短 超调量更小 控制 性能更加优越 使得谷物联合收割机工作在高效 稳定的工作状态 还具有显示籽粒损失率及预警 功能 为谷物联合收割机前进速度的自动控制提 供了更稳定的解决方案 值得广泛推广使用 参考文献 1 介战 陈家新 刘红俊 G P S 联合收获机随机喂入量模糊