滩涂贝类采捕机路径跟踪控制仿真分析.pdf
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1、第 50 卷第 4 期渔 业 现 代 化Vol.50 No.42023 年 8 月FISHERY MODERNIZATIONAug.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2023.04.005收稿日期:2023-02-10基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFD0900701);辽宁省促进海洋经济发展项目;辽宁省教育厅科研项目(LJKFZ20220241);辽宁省大连市科技创新基金(2021JJ12SN33);大连市揭榜挂帅项目(2021JB11SN035)作者简介:王玉瑞(1994),男,硕士研究生,研究方向:渔业装备工程技术。E-mail:24018485
2、60 通信作者:母刚(1982),男,博士,高级实验师,研究方向:渔业装备工程技术。E-mail:mugang 滩涂贝类采捕机路径跟踪控制仿真分析王玉瑞1,张国琛1,2,3,张寒冰1,2,3,李秀辰1,2,3,张 倩1,2,3,李航企1,刘法伟1,陈鸿宇1,母 刚1,2,3(1 大连海洋大学机械与动力工程学院,辽宁 大连 116023;2 辽宁省海洋渔业装备专业技术创新中心,辽宁 大连 116023;3 设施渔业教育部重点实验室,辽宁 大连 116023)摘要:为实现滩涂贝类采捕机的路径跟踪控制,设计了一种可按照预设采捕路线进行路径跟踪的控制系统。以履带式滩涂贝类采捕机为研究对象,在高斯平面坐
3、标系建立了采捕机转向运动学模型,设计了一套带修正因子的模糊控制系统,在实际滩涂作业环境进行了控制参数标定试验,并在 Matlab/Simulink 中搭建了仿真控制模型,对常规模糊控制和带修正因子的模糊控制进行对比分析。仿真结果显示:当采捕机作业速度为0.02 m/s 和 0.03 m/s 时,带修正因子的模糊控制较常规模糊控制系统导航精度分别提升了 2/3 和 1/3,控制时间分别缩短44.44%和35.71%,证明了该系统具有较好的路径跟踪控制效果,为滩涂贝类采捕机路径跟踪提供了技术参考。关键词:滩涂贝类采捕机;修正因子;模糊控制;Matlab 仿真;路径跟踪;导航精度中图分类号:S969
4、.11 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2023)04-0041-010 中国作为贝类养殖大国,不仅贝类养殖种类繁多,且产量居于世界前列1-3。采捕作为滩涂贝类养殖的主要环节,高效环保的采捕技术与设备是保障滩涂贝类养殖产业可持续发展的先决条件4。但当前中国滩涂贝类采捕机智能化程度低,采捕路径无法精准控制,漏采和复采问题突出,直接影响采捕效率和产量5-7,为提升滩涂贝类精准采捕水平,采捕机路径跟踪控制技术研究十分迫切。国内外学者对农田作业设备路径跟踪控制技术做了众多研究8-11,取得了一定进展。根据研究对象转向特性不同,分为基于阿尔曼转向的轮式行走机构和基于差速转向的履带式行走机构
5、12-15。对于轮式行走机构,Bevly 等16采用线性二次控制器进行作业路线纠偏控制,控制器将横向偏差修正在 0.3 m 以内,但算法结构复杂、计算步骤烦琐,对硬件结构具有较高要求,导致成本大幅增加。针对履带式行走机构,Zhang 等17基于最小单值段同化核角对履带机器人进行模糊控制,通过改变机器人初始时刻位置参数,验证模糊控制器的可行性,但采用视觉导航技术,存在受光照环境影响大、路径提取效率低等问题,难以适应带水滩涂等作业环境。张朝宇等18为小型履带式播种设备设计了一种模糊自适应纯追踪控制器,经田间试验证明该控制器具有路径跟踪偏差小、上线快等优点,但存在成本高、转向执行机构复杂,系统维护不
6、便等问题。综上所述,当前路径跟踪控制技术研究主要围绕田间作业设备进行,针对渔业装备路径跟踪控制技术鲜有报道。因此,针对滩涂贝类采捕机路径跟踪控制技术需求,本研究以滩涂贝类养殖区域为试验场地,通过对采捕机控制系统参数进行标定,建立滩涂贝类采捕机运动学模型,设计一套带修正因子的模糊控制系统,并利用 Matlab/Simulink 仿真验证控制系统效果,以期为滩涂贝类采捕机路径跟踪提供参考。渔 业 现 代 化2023 年1 滩涂贝类采捕机转向运动理论分析1.1 制动转向运动学建模围绕自主设计研发的履带式滩涂贝类采捕机展开研究,进行路径跟踪控制系统研究。采捕机采用单边制动形式进行转向。因滩涂作业环境恶
7、劣19-21,为满足采捕机正常作业需求,需要控制器在较低速度下稳定运行,且要求系统的整体结构简单,便于维护。滩涂贝类采捕机如图 1a 所示,主副卫星定位天线间距 1.5 m(深圳市北天通讯有限公司 BT-641B 型 RTK GNSS)与采捕机纵轴重合,以副天线在前、主天线在后的排列方式安装在采捕机车顶,用于采捕机姿态位置等参数测量,转速传感器(欧姆龙 E6B2-CWZ6C)通过联轴器与采捕机两侧履带驱动轮相连。图 1b 为采捕机转向机构电控方案,用电控转向操纵杆替代手动转向操纵杆机构实现电控操纵功能,取代人工完成采捕机单边制动转向操作。BC图 1 滩涂贝类采捕机及转向机构传动示意图Fig.1
8、 Transmission schematic diagram of tidal flat shellfish harvester and steering mechanism由于滩涂贝类采捕机行驶速度较低,故忽略侧倾、俯仰、横摆等因素对采捕机运动控制的影响22-24,如图 2 所示为高斯克吕格投影25-27坐标系下滩涂贝类采捕机运动框图。图 2 滩涂贝类采捕机平面运动Fig.2 Plane motion of tidal flat shellfish harvester图示可得:Vm=VL+VR2(1)其中:VL=rnL30VR=rnR30(2)式中:Vm为采捕机纵轴中心处行驶速度,m/s;
9、VL为左侧履带行驶速度,m/s;VR为右侧履带行驶速度,m/s;r 为两侧履带驱动轮半径,m;nL、nR分别为采捕机左右两侧履带驱动轮转速,r/min。采捕机转向角速度为:=VR-VLH(3)式中:H 为采捕机履带中心距,m。采捕机制动转向运动学模型为:XY=12cos12cos12sin12sin-1H 1H VLVR(4)式中:X 为高斯克吕格投影坐标下采捕机在 XW轴向速度,m/s;Y 为高斯克吕格投影坐标下采捕24第 4 期王玉瑞等:滩涂贝类采捕机路径跟踪控制仿真分析机在 YW轴向速度,m/s。由采捕机制动转向运动学模型可知当 VL=VR时,采捕机沿直线路径进行作业,当 VL=0,即左
10、侧履带停转时,右侧履带保持原有运动速度,滩涂贝类采捕机向左转向,反之,向右转向。1.2 轨迹误差模型为满足滩涂贝类采捕机直线作业路径跟踪需求28-29,需将卫星定位天线采集到的经纬度等参数转为高斯克吕格投影坐标系下平面坐标,并计算相对于目标导航路径的误差值,从而进行路径纠偏操作。在高斯克吕格投影坐标系下,通过预设起点A(x1,y1)和终点 B(x2,y2),得目标导航路径方程为:(y2-y1)X+(x1-x2)Y+y1x2-y2x1=0(5)令采捕机实时变化的位置坐标信息为(XS,YS),由式(6)可得采捕机相对于目标导航路径横向偏差(L):L=aXS+bYS+ca2+b2(6)其中:a=y2
11、-y1b=x1-x2c=y1x2-y2x1(7)设目标导航路径的航向角为,设定 XW轴正方向为航向角零度基准线,以逆时针旋转方向为正,取值范围为 0 360,式(8)可确定目标导航路径目标航向角为:=0 x1 x2,y1=y2arctany2-y1x2-x1x1 x2,y1 y290 x1=x2,y1 x2,y1 x2,y1=y2180+arctany1-y2x1-x2:x1 x2,y1 y2270 x1=x2,y1 y2270+arctanx2-x1y1-y2:x1 y2(8)目标导航路径的目标航向角与采捕机运动航向角之间的夹角作为航向偏差,式(9)得航向偏差(e)为:e=-S(9)式中:S
12、为采捕机运动航向角,()。由式(9)可知,采捕机前进航向角在目标导航路径航向角逆时针方位时,航向偏差为小于零。反之,航向偏差为大于零。2 路径跟踪控制系统设计2.1 控制参数标定为保证仿真结果的准确性,首先对控制系统中基本参数(两侧履带驱动轮转速、采捕机转向角)进行标定,试验在辽宁省锦州凌海贝类养殖滩涂(北纬 40511,东经 1212833)进行。试验设备除采捕机外还包括 PC 机、BT-641B 型卫星定位设备、欧姆龙 E6B2-CWZ6C 型转速传感器等。标定方法:待海水退潮时,选离岸约 300 m的滩涂区域作为试验场地,令滩涂表面海水深度5 cm 及以下为干滩,反之为湿滩。将转速传感器
13、接入 PC 机端口,在设计的软件界面中,分配转速传感器串口号,设波特率为 9 600 bps。调整采捕机行驶速度,将油门与档位固定后通过软件记录采捕机在不同工况(干滩、湿滩)60 s 内两侧履带驱动轮转速。在干滩区域,断开转速传感器,将 BT-641B 型卫星定位设备通过串口与 PC机连接。在 Compass Receiver Utility 软件中设置数据传输波特率为 115 200 bps,采样频率为10 Hz,高度截止角为 10,输入“Log com1 gpgga ontime 1”“Log headinga ontime 1”等 指 令,对#HeadingA 报文进行记录。将获取的报文
14、信息在 Matlab 中完成航向角数据解析,取相邻航向角差值作为采捕机转向角范围。履带驱动轮转速标定结果如表 1 所示,并联立式(1)(2)可计算采捕机在干滩作业理论纵向行驶线速度,速度区间为 0.0180.022 m/s,实测纵向行驶线速度区间为 0.0170.020 m/s,二者相对误差在 10%内,产生的主要原因是采捕机行驶过程中存在履带滑转现象,因误差较小,履带驱动轮转速标定结果与实际采捕机工作转速基本一34渔 业 现 代 化2023 年致,证明实测转速可作为控制系统参数需求。并取采捕机在干滩作业理论纵向行驶速度为 0.02 m/s;而采捕机在湿滩作业时理论和实际纵向行驶线速度最大相对
15、误差为 6.25%,取采捕机纵向行驶线速度为 0.03 m/s。由表 2 可知,采捕机在干滩作业左转相邻航向角差值为 2.873.55,实际转向角范围 2.713.44,右转航向角差值区间为 2.68 3.62,实际值在 2.463.40之间,采捕机左右转向时,航向角差值均小于实际测量值,造成这一偏差主要原因是采捕机履带转向时存在转向阻力,但相对误差小于 8.2%,因此可将航向角差值作为采捕机转向角阈值,将其作为控制转向角基本论域,并取采捕机最大转向角为 3。表 1 采捕机履带驱动轮转速及纵轴线速度对比Tab.1 Comparison of rotational speed and longi
16、tudinal axis speed of crawler driving wheel of harvester作业工况采集序号左履带驱动轮转速/(r/min)右履带驱动轮转速/(r/min)理论左履带线速度/(m/s)理论右履带线速度/(m/s)理论纵轴线速度/(m/s)实际纵轴线速度/(m/s)相对误差/%11.901.800.0220.0210.0210.0204.7621.702.000.0200.0240.0220.0209.09干滩31.501.800.0180.0210.0190.0185.2641.801.400.0210.0160.0180.0175.5551.502.100
17、.0180.0250.0210.0199.5212.702.900.0320.0340.0330.0316.0622.602.700.0310.0320.0310.0303.22湿滩33.102.400.0370.0280.0320.0306.2542.902.600.0340.0310.0320.0313.1252.702.800.0320.0330.0320.0313.12表 2 采捕机相邻航向角差标定结果及对比Tab.2 Calibration results and comparison of adjacent heading angle difference of harvester
18、作业工况序号左转相邻航向角差值/()实际左转相邻航向角差值/()相对误差/%右转相邻航向角差值/()实际右转相邻航向角差值/()相对误差/%干滩13.052.914.593.263.056.4422.872.715.573.623.406.0733.123.003.853.072.886.1943.613.444.712.682.468.2053.403.254.413.142.907.6463.533.335.673.313.116.0473.283.066.713.503.276.5783.553.375.073.443.197.2692.932.785.123.012.777.97103
19、.082.828.443.112.897.072.2 路径跟踪控制器结构设计如图 3 所示为滩涂贝类采捕机路径跟踪控制框图,采用二输入一输出结构形式。为保证控制系统平滑性,以采捕机相对于目标导航路径横向和航向角偏差为带修正因子的模糊控制系统的输入参数,经过控制系统的模糊化、模糊规则梳理、清晰化处理后输出滩涂贝类采捕机转向角()。2.3 常规模糊规则设计2.3.1 输入输出参数隶属度函数设定输入控制器的横向偏差基本物理论域(Lb)为-1 m,1 m,模糊化等级(NL)为-6,6,航向偏差基本物理论域(eb)为-30,30,44第 4 期王玉瑞等:滩涂贝类采捕机路径跟踪控制仿真分析模糊化等级(Ne
20、)为-6,6,控制器输出的控制转向角基本物理论域(b)为-3,3,模糊化等级(N)为-6,6,输入输出参数均划分负大,负中,负小,零,正小,正中,正大7 个模糊级别,用NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB 表示。由式(10)可分别求出横向偏差(L)、航向偏差(e)的量化因子 KL、K以及控制转向角()的比例因子 K。KL=NLMAXLbMAXK=NeMAXebMAXK=bMAXNMAX(10)eL1图 3 滩涂贝类采捕机路径跟踪控制框图Fig.3 Path tracking control block diagram of tidal flat shellfish harvester2.3
21、.2 路径跟踪系统模糊控制规则模糊控制规则基于人们实际生活中对事物规律不断进行探索总结的经验30-31。如图 4 所示为滩涂贝类采捕机在作业过程中可能出现的位置偏差情况。根据不同的偏差状态建立对应的模糊控制规则,从而达到精准控制采捕机路径跟踪。BCDEFGHIJ图 4 滩涂贝类采捕机相对目标导航路径位置Fig.4 Relative navigation path location of tidal flat shellfish harvester54渔 业 现 代 化2023 年 当滩涂贝类采捕机的横向偏差较大时,要求控制系统输出转向角为较大值,以快速纠正横向偏差值,而当滩涂贝类采捕机横向偏差
22、收敛到一定阈值时,为了避免超调量的出现,应减小控制系统输出转向角,以保证滩涂贝类采捕机路径跟踪控制系统的稳定性。此外,由于采捕机电控推杆采用开关量控制,且采捕执行机构入土工作,因此在确保采捕机路径跟踪精度的基础上,避免过于频繁的转向控制产生振荡或者对采捕机机械部件造成破坏,通过修改模糊控制规则,将路径跟踪稳态区间设置在一阈值范围内。由上述分析获得的滩涂贝类采捕机路径跟踪模糊控制规则如表 3 所示。表 3 滩涂贝类采捕机模糊控制规则Tab.3 Fuzzy control rules for tidal flat shellfish harvester控制转角 横向偏差 LPBPMPSZENSNM
23、NB航向偏差ePBNBNBNMNMNMNSNSPMNMNMNMNMNSZEZEPSNSNSNSZEZEZEZEZENSNSZEZEZEPSPSNSZEZEZEZEPSPSPSNMZEZEPSPMPMPMPMNBPSPSPSPMPMPBPB注:NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB分别表示负大,负中,负小,零,正小,正中,正大2.4 带修正因子的模糊控制系统设计为了更好地达到采捕机路径跟踪控制目的,提高算法的环境适用性,在常规模糊控制器基础上增加了一种带修正因子的模糊控制系统,不断进行模糊控制规则的调整,对采捕机转向角参数值修正,带修正因子的控制规则表达可用式(11)表示。以下为一维控制结构形
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