高地隙植保机的调平控制方法及系统与流程

本发明涉及农业机械的机电液控制技术领域，尤其涉及一种高地隙植保机的调平控制方法及系统。

背景技术：

随着机械、液压、电子控制技术的发展，智能农业装备机电液一体化被应用到农业生产的各个领域，各种自动化农业装备逐渐取代了人类劳动。近年来，国内外为了提高农产品生产效率和降低工作强度，开始发展自走式喷药机。美国、加拿大等国，因其土地面积较大且比较平坦，故以发展拖拉机配套的悬挂式和牵引式大型喷洒机械为主。

而中国多山地丘陵，且种植的农作物种类繁多，不同的作物植株以及同一种作物不同生长时期植株高度不同，因此在作业前往往要根据作物的生长高度去选择合适的离地间隙，以保证喷药和施肥的效果。在未安装调平控制的植保机上，地隙的调节过程因受药箱液位高度不同，支腿的负载不均衡导致平台升降不平衡，由于高地隙植保机重心偏高，可能会导致侧翻等严重事故。在没有人机交互控制系统的植保机上，大都采用按键式进行调节，无法直观的得到当前的植保机各支腿状态和底盘水平状态，甚至有的植保机调节离地间隙只能通过将植保机用液压千斤顶顶高后调节螺栓或者销轴的位置实现，调节过程完全是人工手动调整，难以保证调节的稳定性。

为了探寻适合高地隙自走式喷药机的底盘自动调平系统，使其在离地间隙调节完成后底盘处于水平状态，来保证良好作业效果以及作业过程的安全性，需要设计一款高地隙植保机底盘调平人机交互控制系统来满足我国国情的需求。

技术实现要素：

本发明提供了一种高地隙植保机的调平控制方法及系统，用以解决现有的植保机在地隙的调节过程中支腿的负载不均衡导致平台升降不平衡或易侧翻的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种高地隙植保机的调平控制方法，包括以下步骤：

粗调：根据用户设定的底盘离地间隙的目标高度值以及通过四个支腿处的对应的第一倾角传感器获取底盘各支腿对应的第一倾角数据而计算得到各支腿的当前高度，计算高地隙植保机的各支腿需要上升或下降的距离，分别输出对应的控制信号给各支腿的调节系统，以将各支腿的高度调整到底盘离地间隙的目标高度值的粗调范围内；

精调：获取底盘的第二倾角数据，根据第二倾角数据判断底盘的最高点和最低点，根据最高点和最低点分别计算对应的最高支腿和最低支腿的高度补偿位移距离，输出对应的控制信号给各支腿的调节系统将底盘的横滚角和俯仰角调整到精调范围内。

优选地，获取底盘的第二倾角数据是通过设置于底盘上的第二倾角传感器获取，然后通过第一数学模型得出底盘的最高点和最低点。

优选地，底盘的倾角数据包括横滚角xα和俯仰角yβ，第二倾角传感器的数量为一个，设置于植保机的底盘中部；第一数学模型包括：

当xα＞0，yβ＜0时，a为最高点，c为最低点；

当xα＜0，yβ＜0时，b为最高点，d为最低点；

当xα＜0，yβ＞0时，c为最高点，a为最低点；

当xα＞0，yβ＞0时，d为最高点，b为最低点；

当xα＝0，yβ＝0时，表明平台已调至水平状态；

其中，xα为横滚角，即x轴与真实水平面的夹角；yβ为俯仰角，即y轴与真实水平面的夹角；a为左前支腿，b为右前支腿，c为右后支腿，d为左后支腿，ab和dc为轮距方向，是x轴的敏感方向；ad和bc为轴距方向，是y轴的敏感方向。

优选地，输出对应的控制信号给各支腿的调节系统，以将各支腿的高度调整到目标高度值的粗调范围内的过程中，不断读取和判断各支腿的当前高度，根据各支腿的当前高度实时调整控制信号。

优选地，不断读取和判断各支腿的当前高度，是通过安装在支腿上的第一倾角传感器测得的倾角的角度变化计算出当前底盘高度hnow的变化，计算公式为：

hnow＝hmax-l·sinθ

其中，l为平行四边形升降机构的边长，θ为平行四边形升降机构与水平面的倾角，hmax为高地隙植保机的最大举升高度。

优选地，目标高度值的粗调范围为目标高度值±5mm范围；底盘的横滚角和俯仰角的精调范围为±0.2°范围。

优选地，在精调步骤中，根据最高点和最低点分别计算对应的最高支腿和最低支腿的高度补偿位移距离，通过如下公式计算得到：

zi＝-α′xi-β′yi

其中，zi为各支点需要升高的高度值；其中序号i＝1,2,3,4，分别依次对应左前支腿、右前支腿、右后支腿及左后支腿；zh为最高支腿的高度；α′和β′分别为底盘与水平面的夹角。

优选地，输出对应的控制信号给各支腿的调节系统将底盘的横滚角和俯仰角调整到精调范围内，包括以下步骤：

当x<-0.2时，将左后支腿升至横滚角在(-0.2,0.2)范围内；

当y>0.2时，将左前支腿升至俯仰角在(-0.2,0.2)范围内；

当x>0.2时，将右前支腿升至横滚角在(-0.2,0.2)范围内；

当y<-0.2时，将右后支腿升至俯仰角在(-0.2,0.2)范围内。

优选地，粗调和精调的过程采用模糊控制器进行控制。

本发明还提供一种高地隙植保机的调平控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述任一方法的步骤。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的高地隙植保机的调平控制方法，能在植保机工作过程中实时对底盘进行调平，一定程度上减小安全事故的发生，如侧翻等，同时也提高了驾驶员的舒适性。并且，本发明的调平策略和控制算法能提高调平精度。

2、在优选方案中，本发明高地隙植保机的调平控制方法，能够根据作物的生长高度设置合适的离地间隙，系统能自动调节植保机的离地间隙，保证在施肥施药过程中减少对作物的损伤。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的高地隙植保机的调平控制方法的流程示意图；

图2是本发明优选实施例的第一数学模型的简化示意图；

图3是本发明优选实施例的模型的示意图；

图4是本发明优选实施例的模糊控制器结构示意图；

图5是本发明优选实施例的隶属度函数示意图；

图6是本发明优选实施例的模糊规则输入输出特性曲面图；

图7是本发明优选实施例的倾角传感器安装示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明实施例中所称的高地隙指离地间隙在1100-1500mm可调的植保机离地间隙。

参见图1，本发明的高地隙植保机的调平控制方法，包括以下步骤：

粗调(位置设定调平法)：根据用户设定的底盘离地间隙的目标高度值以及通过四个支腿处的对应的第一倾角传感器获取底盘各支腿对应的第一倾角数据而计算得到各支腿的当前高度，计算高地隙植保机的各支腿需要上升或下降的距离，分别输出对应的控制信号给各支腿的调节系统，以将各支腿的高度调整到底盘离地间隙的目标高度值的粗调范围内；

精调(角度误差控制法)：获取底盘的第二倾角数据，根据第二倾角数据判断底盘的最高点和最低点，根据最高点和最低点分别计算对应的最高支腿和最低支腿的高度补偿位移距离，输出对应的控制信号给各支腿的调节系统将底盘的横滚角和俯仰角调整到精调范围内。

由于我国南方地区大都为山地和丘陵地形，种植的农作物品种丰富，不同的作物植株以及同一种作物不同生长时期植株高度不同，因此在作业前有必要根据作物的生长高度去选择合适的离地间隙，来保证喷药的效果。同时，高地隙植保机重心偏高，为避免作业过程中因过田埂或个别车轮下陷而导致植保机倾翻事故，需采用调平控制。

升降时是由阈值范围限制的，这个阈值范围能保证植保机进行安全的升降，不会侧翻，同时在这过程中会有同时升降的可能，因每个支腿升降速度不能完全相等，先到达阈值范围内的支腿先停止升降。同时系统也是实时检测水平角度的，如果因故障支腿不动作导致升降控制失败，一旦检测出现超过阈值范围，会立即停止所有输出，提示报警，此时需人工处理，这个属于安全机制。尽可能保证植保机升降过程不发生侧翻事故。

实际应用中，以上的方法还能进行进一步的扩展和优化，以下举例说明，实施例仅作为示例，在合理的范围内，各实施例中的技术特征均可以进行组合。

实施例1：

本发明的高地隙植保机的调平控制方法，包括以下步骤：

粗调(位置设定调平法)：根据用户设定的底盘离地间隙的目标高度值以及通过四个支腿处的对应的第一倾角传感器获取底盘各支腿对应的第一倾角数据而计算得到各支腿的当前高度，计算高地隙植保机的各支腿需要上升或下降的距离，分别输出对应的控制信号(本实施例中，控制信号是开关控制，即通电断电控制的)给各支腿的调节系统，以将各支腿的高度调整到底盘离地间隙的目标高度值的粗调范围内。本实施例中，目标高度值的粗调范围为目标高度值±5mm范围。本实施例中，在1100mm-1500mm连续可调。主要根据不同农作物高度，在人机界面设置合适的离地间隙高度，尽可能保证不伤害农作物，根据设置的高度判断各支腿是否需要升降。

本实施例中，参见图2，图7，输出对应的控制信号给各支腿的调节系统，以将各支腿的高度调整到目标高度值的粗调范围内的过程中，不断读取和判断各支腿的当前高度，根据各支腿的当前高度实时调整控制信号。位置误差控制法是根据安装在支腿上的第一倾角传感器的角度计算出与用户设置的底盘离地间隙值之间的误差。需不断读取和判断各支腿的当前高度，是通过安装在支腿上的第一倾角传感器的角度变化计算出当前底盘高度hnow的变化，计算公式为：

hnow＝hmax-l·sinθ

其中，参见图7，底盘1的四个角分别通过对应的平行四边形升降机构4与支腿的立柱连接，每个平行四边形升降机构上设置有对应的第一倾角传感器3；底盘1上还设置有底盘水平传感器(第二倾角传感器)，四个平行四边形升降机构、四个倾角传感器3以及底盘水平传感器均与控制器连接。角度调整通过液压油缸2实现。l为平行四边形升降机构的边长，θ为平行四边形升降机构与水平面的倾角，hmax为高地隙植保机的最大举升高度。

横滚角为xα，俯仰角为yβ，均是底盘是水平参数，植保机上安装有5个倾角传感器，4个支腿各一个通过侧量支腿臂的角度，结合植保机结构尺寸能够转换为离地间隙高度，因调平算法分为粗调+精调。比如要调节为1300离地间隙，而此时植保机只有1260mm离地间隙，那么先通过粗调将四个支腿都升高到1300mm阈值范围内，这段时间主要由支腿上四个传感器不断反馈，当粗调结束由水平传感器不断参与反馈最高最低点，直到将x,y都调至水平阈值范围内。其余四个传感器用于不断检测离地间隙在精调中是否超过阈值。

精调(角度误差控制法)：获取底盘的第二倾角数据，根据第二倾角数据判断底盘的最高点和最低点，根据最高点和最低点分别计算对应的最高支腿和最低支腿的高度补偿位移距离，输出对应的控制信号给各支腿的调节系统将底盘的横滚角和俯仰角调整到精调范围内。本实施例中，底盘的横滚角和俯仰角的精调范围为±0.2°范围。

本实施例中，获取底盘的第二倾角数据是通过设置于底盘上的第二倾角传感器获取，然后通过第一数学模型得出底盘的最高点和最低点，用于判断四个支腿abcd谁是最高点和最低点，用来指导精调时，哪个支腿需要升或降。第一数学模型用于判断该植保机的最高支腿和最低支腿，并可以计算出精确的高度补偿位移距离。传感器是3轴角度传感器，即xyz三轴，本植保机调节只需要面调平因此用xy两个轴数据即可。

底盘的第二倾角数据包括横滚角xα和俯仰角yβ，第二倾角传感器的数量为一个，设置于植保机的底盘中部。其中xα为传感器的x轴和真实水平面的夹角也叫横滚角，其中yβ为传感器的y轴和真实水平面的夹角也叫俯仰角。参见图2，第一数学模型包括：

当xα＞0，yβ＜0时，a为最高点，c为最低点；

当xα＜0，yβ＜0时，b为最高点，d为最低点；

当xα＜0，yβ＞0时，c为最高点，a为最低点；

当xα＞0，yβ＞0时，d为最高点，b为最低点；

当xα＝0，yβ＝0时，表明平台已调至水平状态；

其中，xα为横滚角，即x轴与真实水平面的夹角；yβ为俯仰角，即y轴与真实水平面的夹角；a为左前支腿，b为右前支腿，c为右后支腿，d为左后支腿，ab和dc为轮距方向，是x轴的敏感方向；ad和bc为轴距方向，是y轴的敏感方向。

对平台的精调调节过程进行数学分析，寻找平台倾角与支腿动作之间的定量关系。如图3所示，空间坐标系ox1y1z1是由oxyz分别绕x轴，y轴以原点o为中心旋转α′和β′度得到。设底盘水平状态坐标为(i,j,k)，设旋转变换后的坐标为(i′,j′,k′)。

根据运动相对性原理，有以下变换

(i′,j′,k′)^t＝rot(x,α′)rot(y,β′)(i,j,k)^t

其中

由于在实验过程中，α′和β′都在2°以内，因角度较小可以由极限定理近似认为：cosα′＝cosβ′＝1，sinα′＝α′，sinα′＝α′。于是：

在oxyz中，假设四个支点a,b,c,d坐标为(xi,yi,0)其中(i＝1,2,3,4)，传感器的坐标为(dy/2,dx/2,0)，

在调平开始之前，底盘与水平面的夹角分别为α′和β′，由公式(1)可以得各支点需要升高的高度值zi为：

zi＝-α′xi-β′yi(2)

其中，zi为各支点需要升高的高度值；其中序号i＝1,2,3,4，分别依次对应左前支腿、右前支腿、右后支腿及左后支腿；zh为最高支腿的高度；α′和β′分别为底盘与水平面的夹角，α′是横滚角，β′是俯仰角。上面的xα和yβ是指x和y轴与水平面的夹角，但在本实施例中用于表示粗调之前的角度，那么它会比α′和β′大得多，是不能直接参与调平的计算公式。要先完成粗调后，水平误差在2°范围内才能入精调过程。如果都是在精调过程中，那么两者角度是一样的。

根据式(2)，此时必存在最高支腿，假设高度为zh，那么有zi≤zh，那么在调平过程中，各支腿的高度差满足：ei＝zh-zi＝-α′(xh-xi)-β′(yh-yi)；其中，ei为第i个支腿与最高支腿之间的高度差,这里的i＝1,2,3,4分别对应a,b,c,d四个支腿。

若α′＞0,β′＜0可判断a为最高点，c为最低点，则有：

e1＝0,e2＝α′dx,e3＝α′dx+β′dy,e4＝β′dy；

其中，ei为第i个支腿与最高支腿之间的高度差,这里的i＝1,2,3,4分别对应a,b,c,d四个支腿。dx为底盘的宽度。dy为底盘的长度。

支腿的总行程量为：

其中，e为四个支腿需要调节的总行程高度。

因此调平的时间t(s)跟c支腿的位置误差高度和液压缸的升缩速度v(m/s)有关：

t＝e3/v＝(α′dx+β′dy)/v

其中，t为调平的时间，e3为c支腿与最高支腿的高度差，v为液压缸的升缩速度，dx为底盘的宽度。dy为底盘的长度。

各支腿升高或降低到设定值时误差允许值时，粗调结束，此时底盘接近水平状态但精度不高。精调是通过读取安装在底盘上的水平传感器的值来判断每个支腿的伸缩量，依次先将x轴调至水平，然后再将y轴调至水平，就认为底盘完成精调。

本实施例中，输出对应的控制信号给各支腿的调节系统将底盘的横滚角和俯仰角调整到精调范围内，包括以下步骤：

当x<-0.2时，将左后支腿升至横滚角在(-0.2,0.2)范围内；

当y>0.2时，将左前支腿升至俯仰角在(-0.2,0.2)范围内；

当x>0.2时，将右前支腿升至横滚角在(-0.2,0.2)范围内；

当y<-0.2时，将右后支腿升至俯仰角在(-0.2,0.2)范围内。

在设计上，轴距＞轮距，这个顺序是先调x，调节的是轮距方向的水平，要先调它的好处是因为轮距比轴距短，轮距方向倾斜相对轴距方向角度变化更大，为了保障安全，所以要采用调x，再调y的顺序。

本实施例中，粗调和精调的过程采用模糊控制器进行控制。

在matlab中进行模糊控制器的设计，控制模型为双输入，多输出模型，以角度的偏差e和偏差变化率ec作为系统的输入，uout作为系统的输出，因调平过程涉及横滚角和俯仰角两个方向的调节，因此分别设计两个模糊控制器，微处理器检测角度满足模糊规则的时候直接调用即可。其中一个模糊控制器的结构如图4所示。根据地隙调节完成后的角度基本处于角度阈值±3°，从而得到角度基本论域范围为e＝[-3,3]，取角度偏差e和角度误差变化量ec的模糊子集＝{nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb}。语言变量划分7个等级分别为负大(nb)、负中(nm)、负小(ns)、适中(zo)、正小(ps)、正中(pm)、正大(pb)，论域分别为{-3,-2,-1,0,1,2,3}和{-0.5,-0.34,-0.17,0,0.17,0.34,0.5}，模糊控制器主要在调平这个步骤使用。其隶属度函数如图5所示。根据已确立的模糊控制规则和隶属函数，采用mamdani推理方法，面积重心法解模糊可得控制效果。输入输出关系曲面如图6所示。其控制规则：

(1)if(eisnb)and(ecisnb)then(uoutispb)；

(2)if(eisnb)and(ecisnm)then(uoutispb)；

(3)if(eisnb)and(ecisns)then(uoutispm)；

(4)if(eisnb)and(eciszo)then(uoutispm)；

…。

表1模糊控制规则表

高度位移补偿量是在离地间隙调节过程中使用，系统根据设置的离地间隙高度先判断是否需要升降，如需要，那么先将各支腿都调节到满足离地间隙高度的阈值范围内，此时完成粗调过程，然后进入精调过程，这时就根据底盘的角度传感器来判断各支腿要升高或下降的距离，来满足调平，并由控制器输出控制量。角度偏差是从安装在底盘上的水平倾角传感器输出的当前倾角作为e，角度变化率作为ec.变化率ec的大小决定电磁阀的开启时间，当底盘的角度接近期望角度且ec较小时可以适当关闭电磁阀。根据以上内容，使用模糊条件语句if(eisnb)and(ecisnb)then(uoutispb)；(就是当e,和ec都是偏差负大(nb)，那么输出就是正大(pb))对模糊规则进行表述，结合专家经验总结出49条模糊控制规则，具体如规则表所示。

用户设定的底盘离地间隙的目标高度值可以通过人机界面实现，例如触摸屏，可在其上设置四条支腿的离地间隙的显示和调节窗口等。

通过实验，得出底盘调平后的平均水平误差≤±0.20°，最大误差1.13°，调平精度≤±0.2度。本发明为高地隙植保机人机交互调平系统为地隙可变的植保机离地间隙调节和自动调平提供了方法，能在屏幕上直观的显示各支腿的离地间隙值及底盘水平状态，可以手自动切换自动模式时可以节省调平时间，提高工作效率，人机交互系统响应灵敏，具有良好的人机交互感受，同时适用在其他领域的调平控制，有一定的推广意义。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。