一种水田激光平地机平地铲水平控制系统设计研究

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1、2015年7月农机化研究第7期一种水田激光平地机平地铲水平控制系统设计研究121黎永键，赵祚喜，高俊文(1．广东农工商职业技术学院机电系，广州510507;2．华南农业大学工程学院，广州510642)摘要:为了使水田激光平地机作业中平地铲保持水平，设计了基于多传感器融合技术的水平控制系统。该系统基于MEMS惯性传感器ADIS16355信息融合测量平地铲倾角，通过脉宽控制液压电磁阀的方法实现水平控制。为此，介绍了控制系统的构成，阐述了三轴加速度计与陀螺仪融合测量实时倾角原理，设计了基于卡尔曼滤波的多传感器融合算法;并基于AＲM7Cotex－M3微处理器设计了水平控制

2、系统硬件，提出了适用于平地铲水平控制的位置控制算法。采用高精度姿态航向参考系统AHＲS500GA对融合算法进行验证并进行田间试验，结果表明:该系统能在平地机作业过程中准确测量平地铲实时倾角，有较好的控制效果。关键词:水田激光平地机;水平控制;姿态角;传感器融合;姿态航向参考系统+中图分类号:S222．51文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)07－0083－06DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.07.019产的MEMS惯性传感器集成模块ADIS16355作为姿0引言态测量单元，基于卡尔曼滤波实现多传感器信息融激光平地机是将

3、激光、液压技术应用于整地作业合，通过改进的位置控制算法对平地铲的水平姿态进的农业新产品，激光平地技术可有效提高农田的平整行调节。为此，就该系统的结构、倾角测量原理、传感度，提高农田灌溉水的利用率，是目前国际上推广应器融合算法以及控制算法设计进行介绍，并通过试验［1］用的节水技术之一。水田激光机在水田平地作业验证该系统有效性，最后进行试验结果分析。中，必须解决平地铲的姿态控制问题，即保持水平姿1平地铲水平控制系统设计原理［2］态。华南农业大学赵祚喜设计了基于MEMS惯性传感器融合的平地铲水平控制系统，该系统采用双轴1．1ADIS16355测量倾角原理加速度计ADXL

4、203和单轴陀螺仪ADXＲS信息融合的水平控制系统采用基于ADIS16355惯性传感器算法测量平地铲实时倾角，通过脉宽调节普通电磁阀模块的姿态角测量单元来对平地铲倾角进行实时计实现平地铲水平控制。试验证明，该系统能较好实现算。ADIS16355是完整的三轴陀螺和三轴加速度计组平地铲水平控制，但仍存在传感器融合的切入时机不成的惯性测量模块，传感器上电后便自动以819．2SPS［3］完善、陀螺仪累加误差较大的问题。文献［4］设计采样速率进行惯性测量，能实时提供各轴上的加速［6］了基于MEMS惯性传感器ADIS16300姿态测量系统，度、角速率以及温度等信息。当运动物体

5、速度较［7］提出了三轴加速度计与数字陀螺仪信息融合的算法，慢、抖动较小的情况下，物体的横滚角、俯仰角为bb通过对重力加速度的观测修正陀螺仪偏差。试验证=atan［g(2)/g(3)］(1)明:该系统能较准确测量平地铲动态情况下的水平倾bb2b2θ=atan［－g(1)/槡g(2)+g(3)］(2)角。文献［5］引入了非线性I－PD位置控制算法在平其中，θ、分别表示横滚角、俯仰角，b代表载体地铲水平控制上的应用，提高了水平控制精度和稳定b坐标系，g表示重力加速度三轴分量。性。在振动较大的情况下，系统内存在较高的频率干基于以上的分析，本文设计了一种新的平地铲水扰叠

6、加，以上式子不能直接测量姿态角，为此引入陀［8］平控制系统，该系统采用ADI(美国模拟器件公司)生螺仪并使用四元数法计算姿态角，有22=atan2(2(q2q3－q0q1)，1－2(q1+q2))(3)收稿日期:2014－07－18基金项目:国家“948计划”重点项目(2011－G32)θ=asin［－2(q1q3－q0q2)］(4)作者简介:黎永键(1983－)，男，广东清远人，讲师，硕士，(E－mail)22ψ=atan2(2(q1q2－q0q3)，1－2(q2+q3))(5)leeeyong@qq．com。其中，atan2(Y坐标，X坐标)是返回给定的X坐

7、通讯作者:赵祚喜(1968－)，男，长沙人，教授，博士生导师，(E－mail)zhao_zuoxi@hotmail．com。标值及Y坐标值的反正切值，表示X到Y的旋转角·83·2015年7月农机化研究第7期度。四元数Q=q0+iq1+jq2+kq3，文献［9］推导了四系统的硬件包括Cotex－M3处理器、ADIS16355元数更新方程式，有及SD卡存储器等。Cortex－M3处理器使用了AＲMsin(‖w‖)v7－M体系结构，具有较高的性能和较低的动态功Q(tk)=［cos(‖ω‖)I+W］×Q(tk－1)‖w‖耗［9］。从性能能上看，Cortex－M3处理器可以

8、作为本(6