本發(fā)明涉及一種基于模糊控制的激光土地平整方法，適用于精細(xì)土地平整、自動化控制等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

農(nóng)田土地精細(xì)平整可以增加有效耕地面積，方便機(jī)械化耕作，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，提高農(nóng)田灌溉均勻度，改良土壤水鹽分布，控制雜草，達(dá)到節(jié)水增產(chǎn)的效果，是我國現(xiàn)代地面精細(xì)灌溉的重要基礎(chǔ)。

激光控制平地技術(shù)是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的精細(xì)平整技術(shù)，與常規(guī)土地平整相比，其能大幅提高田間土地的平整精度，系統(tǒng)靈敏度至少比人工視覺判斷和平地機(jī)上操作人員的手動液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)精確10～50倍。同時，激光控制平地技術(shù)具有操作簡單、精度高、成本低的優(yōu)勢，相應(yīng)技術(shù)也已成熟。

在激光平地過程中，平地鏟的升降速度與土壤的條件、拖拉機(jī)的行進(jìn)速度、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速、負(fù)載力的大小、控制系統(tǒng)的滯后性等許多因素有關(guān)，目前無法確定這些因素對平地鏟升降速度的定量影響，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型來精確控制平地鏟升降的時間。為匹配液壓系統(tǒng)，此前的激光控制平地系統(tǒng)大部分考慮使用占空比來調(diào)節(jié)鏟車升降的幅度。由于不同的平地鏟使用的液壓系統(tǒng)不同，有上升給油下降自動回油式，有上升下降均給油式，有的配備單杠液壓，有的配備雙杠液壓，不同的液壓系統(tǒng)的響應(yīng)時間不同，需要采用不同的輸出占空比進(jìn)行控制，這樣就需要重新修改程序調(diào)節(jié)占空比，使操作變得十分繁瑣，同時也不能較精確地按照當(dāng)前地勢狀況進(jìn)行平整。

另外，在平整作業(yè)時經(jīng)常出現(xiàn)持續(xù)挖土以致發(fā)生超載現(xiàn)象，造成拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，有損拖拉機(jī)壽命。若鏟車已經(jīng)快滿載時還在挖土，則會造成超負(fù)載拉不動土，從而影響平地效率。當(dāng)前的激光平地系統(tǒng)還沒有對鏟車載荷進(jìn)行監(jiān)測的裝置，導(dǎo)致駕駛員往往會頻繁的回頭監(jiān)視平地鏟的運(yùn)土情況，通過人眼判斷是否運(yùn)土過多，然后進(jìn)行調(diào)整，極大增加作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)，影響作業(yè)效率，甚至給駕駛帶來安全隱患。因此需要采用依賴于系統(tǒng)各行為參數(shù)的控制器，達(dá)到實(shí)時控制的要求。

模糊邏輯控制是一種將操作者的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為模糊語言形式獲取模糊控制規(guī)則的一種智能控制方法，該方法具有良好的魯棒性和適應(yīng)性，構(gòu)造容易，能夠反映人類智慧思維的智能控制，因此，采用模糊控制器控制平地鏟的升降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

（一）要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在激光平地過程中如何更精確合理的輸出控制信號，控制平地鏟合理的升降完成精細(xì)平整過程，同時，也有提高平整的效率，減少鏟車處于滿載的時間。

（二）技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法，所述方法包括以下步驟：

S1、模糊控制鏟車方法，

S101、采用雙輸入、單輸出模糊控制器，將位移的偏差和鏟車載荷量作為模糊控制器的輸入量，電磁閥的通電時間為輸出控制量，以更加精細(xì)和高效的控制鏟車的升降高度。激光平地系統(tǒng)采用七路激光接收器；

S102、實(shí)時針對激光信號打在激光接收器的位置判斷此時地勢情況，得出位移偏差，并設(shè)計(jì)位移偏差隸屬度函數(shù)，將位移偏差輸入模糊化；

S103、根據(jù)拉力傳感器得出此時平地鏟的載荷量，根據(jù)鏟車滿載量判斷鏟土量的多少，并設(shè)計(jì)鏟車載荷量隸屬度函數(shù)，將鏟車載荷輸入變量模糊化；

S104、將電磁閥通電時間設(shè)為輸出變量，并設(shè)計(jì)輸出隸屬度函數(shù)；

S105、結(jié)合土地平整實(shí)際需求應(yīng)用，根據(jù)輸入輸出設(shè)計(jì)具體模糊控制規(guī)則；

S106、根據(jù)模糊控制規(guī)則表，采用重心法進(jìn)行解模糊得到模糊控制量，將其輸出到液壓系統(tǒng)控制電磁閥通電時間，完成解模糊，實(shí)現(xiàn)平地過程中具體的鏟車控制；

S107、完成系統(tǒng)集成，進(jìn)行實(shí)地作業(yè)檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性；

對S1具體步驟的說明包括：

（1）為提高激光接收器的接收范圍，減少在平地過程中因地勢高差太大而導(dǎo)致信號丟失的情況，采用7路激光接收器的平地系統(tǒng)，其中激光平地系統(tǒng)的原理是：激光控制平地系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、激光接收器、控制器、液壓系統(tǒng)和平地鏟，激光發(fā)射器發(fā)射一束極細(xì)的能旋轉(zhuǎn)360°的激光束，形成激光水平面作為平整基準(zhǔn)面，激光信號打在7路激光接收器上面，從上到下分別代表地勢極低、低、較低、中、較高、高、極高，控制器根據(jù)此時的地勢將控制信號輸出給液壓系統(tǒng)，通過電磁閥驅(qū)動平地鏟升降完成平地作業(yè)；

（2）平地過程中除了根據(jù)此時的地勢情況，即位置偏差來控制平地鏟的升降外，還得考慮鏟車實(shí)時的載荷量，若鏟車接近滿載然而根據(jù)位置偏差還需要繼續(xù)鏟土，那可能會出現(xiàn)滿載拉不動土的情況，此時影響了拖拉機(jī)繼續(xù)工作，降低了平地效率，對拖拉機(jī)和平地鏟也是一種損害，此外僅根據(jù)占空比控制調(diào)節(jié)鏟車升降運(yùn)動的時間具有一定局限性，對不同鏟車和液壓系統(tǒng)以及地勢情況不具有普適性，因此選用模糊控制方法來控制激光平地系統(tǒng)，輸入是位移偏差和鏟車載荷量；

（3）當(dāng)激光信號打到激光接收器接收范圍內(nèi)時，從上到下分別為地勢極低、低、偏低、中、偏高、高、極高。為簡化運(yùn)算，將位置偏差d均劃分為7個模糊子集。從上到下分別為：VZL（極低、S（低）、LS（偏低）、M（中）、LH（偏高）、H（高）、VH(極高)，設(shè)中間點(diǎn)位移量為0，其中7路信號15塊光電池分布為：3、2、2、1、2、2、3，每片長度是2mm，光電池所示位置偏差從地勢最低開始分別為：[-15,-9]、[-9,-5]、[-5,-1]、[-1,1]、[1,5]、[5,9]、[9,15]，模糊集合的算子采用T型三角范數(shù)，其中：

位置偏差變量d(mm)

基本論域：[-15mm, 15mm]

量化等級：{-15，-14，-13，-12，-11，-10，-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13, 14, 15 }

量化因子：1

（4）在現(xiàn)有激光平地技術(shù)中，為了減少因超載現(xiàn)象造成的平地效率低下以及設(shè)備損耗，作業(yè)人員通常需要頻繁的回頭監(jiān)視平地鏟的運(yùn)土情況，通過人眼判斷是否運(yùn)土過多，然后調(diào)整行駛方向，前往地勢較低區(qū)域進(jìn)行卸土，或者適當(dāng)?shù)氖謩由痃P車卸載部分土方。這樣雖然可以在一定程度上減少超載現(xiàn)象的發(fā)生，但會極大增加作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)，影響作業(yè)效率，甚至給駕駛帶來安全隱患。對平地鏟載荷的監(jiān)測可以通過對拖拉機(jī)的牽引力監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)。在牽引力測量方面，采用應(yīng)變式傳感器來檢測，應(yīng)變式傳感器具有加工容易、價格低、檢測精度高的優(yōu)點(diǎn)。平地鏟與拖拉機(jī)之間通常使用銷軸進(jìn)行懸掛式連接，為了盡量減少對平地鏟機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造，以增加適用范圍，提高安裝的簡便性，拉力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為銷軸式。拉力傳感器將土方量等拉力信號轉(zhuǎn)化為模擬電流信號，然后將模擬電流信號模糊化，作為另一個模擬控制器的變量輸入。

為簡化運(yùn)算，將鏟車載荷N劃分為5個模糊子集。從高到低分別為：VB（極多）、B（多）、M（中等）、S（少）、VS（極少）。將拉力傳感器安裝在平地鏟和拖拉機(jī)之間的銷軸連接處后，在平地鏟空載和滿載時測試?yán)鞲衅鞯妮敵鲭娏?，發(fā)現(xiàn)輸出的是4-20 mA直流電流信號，模糊集合的算子仍采用T型三角范數(shù)，其中：

鏟車載荷N (mA)

基本論域：[4mA, 20mA]

量化等級：{4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20 }

量化因子：1

（5）根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟S104具體包括以下步驟：

整個激光平地系統(tǒng)是根據(jù)上文提到的激光信號的位置偏差和鏟車載荷作為變量輸入，控制電磁閥的通電，驅(qū)動平地鏟完成平地作業(yè)。其中電磁閥的通電時間t是輸出控制量，它決定了鏟車升降時間和高程，直接決定了最終的平整效果。

根據(jù)土地平整需求，將電磁閥通電時間t劃分為7個模糊子集。從高到低分別為：VU（升長）、U（升）、SU（升短）、M（適當(dāng)）、SD（降短）、D（降）、VD（降長）。

模糊集合的算子仍采用T型三角范數(shù)，其中：

電磁閥通電時間t，以1s周期為例，鏟車上升為正，下降為負(fù)，零代表鏟車不動。

基本論域：[-800ms, 900ms]

量化等級：{-800，-700，-600，-500，-400，-300，-200，-100，0，100，200，300，400，500，600，700，800,900 }

量化因子：1

（6）由變量輸入和輸出確定模糊控制規(guī)則。根據(jù)實(shí)際平地作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，確定了if d=VZS and N=VS then t= VS等35條模糊控制語句，具體滿足的原則如下：當(dāng)鏟車載荷少時，鏟車上升卸土意義不大；載荷滿時，下降挖土盡量避免；同時地勢高時鏟車下降挖土，地勢低時鏟車上升卸土。

綜合考慮，控制規(guī)則如下表所示：

（7）模糊推理結(jié)果產(chǎn)生輸出模糊集合。但每個控制人物均需要模糊控制輸出精確值，因此需要采用解模糊的方法。根據(jù)模糊控制規(guī)則表，采用重心法進(jìn)行解模糊得到模糊控制量，將其輸出到液壓系統(tǒng)控制平地鏟升降。重心法表達(dá)公式如下：

其中表示模糊控制器輸出的電磁閥通電時間的精確值，x_i 是輸出模糊集合的離散元素，μ(i) 為該元素的隸屬函數(shù)。搭建系統(tǒng)硬件，利用本發(fā)明的基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法進(jìn)行平整作業(yè)。

（三）有益效果

本發(fā)明提供了一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法，該方法新提出了一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法，將在平整過程產(chǎn)生影響的兩個因素：位置偏差和鏟車載荷量結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，作為模糊控制器的變量輸入，將輸出液壓作為模糊控制器輸出。該方法能避免占空比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鏟車較精準(zhǔn)控制，同時能避免鏟車過載導(dǎo)致拉不動土，損害設(shè)備壽命、影響平地效率等問題，對激光平地系統(tǒng)具有一定普適性。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的模糊控制輸入位置偏差變量隸屬度函數(shù)示意圖；

圖3為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的模糊控制輸入鏟車載荷變量隸屬度函數(shù)示意圖；

圖4為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的模糊控制輸出電磁閥通電時間變量隸屬度函數(shù)示意圖；

圖5為本發(fā)明的系統(tǒng)硬件框架圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的流程圖；所述方法包括以下步驟：

S101、采用雙輸入、單輸出模糊控制器，將位移的偏差和鏟車載荷量作為模糊控制器的輸入量，電磁閥的通電時間為輸出控制量，以更加精細(xì)和高效的控制鏟車的升降高度。激光平地系統(tǒng)采用七路激光接收器；

S102、實(shí)時針對激光信號打在激光接收器的位置判斷此時地勢情況，得出位移偏差，并設(shè)計(jì)位移偏差隸屬度函數(shù)，將位移偏差輸入模糊化；

S103、根據(jù)拉力傳感器得出此時平地鏟的載荷量，根據(jù)鏟車滿載量判斷鏟土量的多少，并設(shè)計(jì)鏟車載荷量隸屬度函數(shù)，將鏟車載荷輸入變量模糊化；

S104、將電磁閥通電時間設(shè)為輸出變量，并設(shè)計(jì)輸出隸屬度函數(shù)；

S105、結(jié)合土地平整實(shí)際需求應(yīng)用，根據(jù)輸入輸出設(shè)計(jì)具體模糊控制規(guī)則；

S106、根據(jù)模糊控制規(guī)則表，采用重心法進(jìn)行解模糊得到模糊控制量，將其輸出到液壓系統(tǒng)控制電磁閥通電時間，完成解模糊，實(shí)現(xiàn)平地過程中具體的鏟車控制；

S107、完成系統(tǒng)集成，進(jìn)行實(shí)地作業(yè)檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性；

圖2為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的模糊控制輸入位置偏差變量隸屬度函數(shù)示意圖；所述方法包括以下步驟：

當(dāng)激光信號打到激光接收器接收范圍內(nèi)時，從上到下分別為地勢極低、低、偏低、中、偏高、高、極高。為簡化運(yùn)算，將位置偏差d均劃分為7個模糊子集。從上到下分別為：VZL（極低、S（低）、LS（偏低）、M（中）、LH（偏高）、H（高）、VH(極高)，設(shè)中間點(diǎn)位移量為0，其中7路信號15塊光電池分布為：3、2、2、1、2、2、3，每片長度是2mm，光電池所示位置偏差從地勢最低開始分別為：[-15,-9]、[-9,-5]、[-5,-1]、[-1,1]、[1,5]、[5,9]、[9,15]，模糊集合的算子采用T型三角范數(shù)，其中：

位置偏差變量d(mm)

基本論域：[-15mm, 15mm]

量化等級：{-15，-14，-13，-12，-11，-10，-9，-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13, 14, 15 }

量化因子：1

具體位置偏差變量隸屬度函數(shù)如圖2所示。

圖3為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的模糊控制輸入鏟車載荷變量隸屬度函數(shù)示意圖；所述方法包括以下步驟：

在現(xiàn)有激光平地技術(shù)中，為了減少因超載現(xiàn)象造成的平地效率低下以及設(shè)備損耗，作業(yè)人員通常需要頻繁的回頭監(jiān)視平地鏟的運(yùn)土情況，通過人眼判斷是否運(yùn)土過多，然后調(diào)整行駛方向，前往地勢較低區(qū)域進(jìn)行卸土，或者適當(dāng)?shù)氖謩由痃P車卸載部分土方。這樣雖然可以在一定程度上減少超載現(xiàn)象的發(fā)生，但會極大增加作業(yè)人員的工作負(fù)擔(dān)，影響作業(yè)效率，甚至給駕駛帶來安全隱患。對平地鏟載荷的監(jiān)測可以通過對拖拉機(jī)的牽引力監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)。在牽引力測量方面，采用應(yīng)變式傳感器來檢測，應(yīng)變式傳感器具有加工容易、價格低、檢測精度高的優(yōu)點(diǎn)。平地鏟與拖拉機(jī)之間通常使用銷軸進(jìn)行懸掛式連接，為了盡量減少對平地鏟機(jī)械結(jié)構(gòu)的改造，以增加適用范圍，提高安裝的簡便性，拉力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為銷軸式。拉力傳感器將土方量等拉力信號轉(zhuǎn)化為模擬電流信號，然后將模擬電流信號模糊化，作為另一個模擬控制器的變量輸入。

為簡化運(yùn)算，將鏟車載荷N劃分為5個模糊子集。從高到低分別為：VB（極多）、B（多）、M（中等）、S（少）、VS（極少）。將拉力傳感器安裝在平地鏟和拖拉機(jī)之間的銷軸連接處后，在平地鏟空載和滿載時測試?yán)鞲衅鞯妮敵鲭娏?，發(fā)現(xiàn)輸出的是4-20 mA直流電流信號，模糊集合的算子仍采用T型三角范數(shù)，其中：

鏟車載荷N (mA)

基本論域：[4mA, 20mA]

量化等級：{4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20 }

量化因子：1

具體位置偏差變量隸屬度函數(shù)如圖3所示。

圖4為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的模糊控制輸出電磁閥通電時間變量隸屬度函數(shù)示意圖；所述方法包括以下步驟：

整個激光平地系統(tǒng)是根據(jù)上文提到的激光信號的位置偏差和鏟車載荷作為變量輸入，控制電磁閥的通電，驅(qū)動平地鏟完成平地作業(yè)。其中電磁閥的通電時間t是輸出控制量，它決定了鏟車升降時間和高程，直接決定了最終的平整效果。

根據(jù)土地平整需求，將電磁閥通電時間t劃分為7個模糊子集。從高到低分別為：VU（升長）、U（升）、SU（升短）、M（適當(dāng)）、SD（降短）、D（降）、VD（降長）。

模糊集合的算子仍采用T型三角范數(shù)，其中：

電磁閥通電時間t，以1s周期為例，鏟車上升為正，下降為負(fù)，零代表鏟車不動。

基本論域：[-800ms, 900ms]

量化等級：{-800，-700，-600，-500，-400，-300，-200，-100，0，100，200，300，400，500，600，700，800,900 }

量化因子：1

具體鏟車載荷變量隸屬度函數(shù)如圖4所示；

圖5為本發(fā)明一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法的系統(tǒng)工作示意圖；所述方法包括以下步驟：

本發(fā)明提出一種基于模糊控制的激光平地系統(tǒng)控制方法，拖拉機(jī)在進(jìn)行平地作業(yè)時，結(jié)合激光接收器、激光控制器、液壓系統(tǒng)和平地鏟使用。如圖5所示，系統(tǒng)硬件框架包括：（1）、拖拉機(jī) （2）、平地鏟 （3）、液壓系統(tǒng) （4）、激光控制器 （5）、銷軸式拉力傳感器 （6）、三腳架與激光發(fā)射器 （7）、激光接收器

系統(tǒng)工作原理是：架在三腳架上的激光發(fā)射器發(fā)射一束極細(xì)的能旋轉(zhuǎn)360°的激光束，形成激光水平面作為平整基準(zhǔn)面，激光信號打在7路激光接收器上面，從上到下分別代表地勢極低、低、較低、中、較高、高、極高，控制器根據(jù)此時的地勢將控制信號輸出給液壓系統(tǒng)，通過拉力傳感器監(jiān)測鏟車載荷，通過模糊控制方法使電磁閥驅(qū)動平地鏟升降完成平地作業(yè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明為激光控制平地過程提供了一種新的基于模糊控制的激光平地控制方法。該方法能避免占空比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)鏟車較精準(zhǔn)控制，同時能避免鏟車過載導(dǎo)致拉不動土，損害設(shè)備壽命、影響平地效率等問題，對激光平地系統(tǒng)具有一定普適性。

以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。