Fuzzy Tuned PID Controller for Envisioned Agricultural Manipulator

Abstract

Упровадження систем фенотипування на основі зображень стало важливим аспектом досліджень у сфері наук про сільськогосподарські культури та рослини, що демонструють величезне зростання протягом років. Точне визначення ознак за зображеннями вимагає стабільного зображення та дуже точного оброблення. Установлення камери на механічному маніпуляторі з моторним приводом робить підтримання точності та стабільності нетривіальним. За сучасним станом знань, проблема зовнішнього трясіння камери внаслідок вібрації, яка може виникати від приводного двигуна маніпулятора, є серйозною перепоною для захоплення точних зображень. Тому існує потреба в стабільному активному регуляторі для достатнього гасіння вібрацій маніпулятора. Проте у сільськогосподарській практиці є дуже мало повідомлень про використання алгоритмів керування. Хоча для керування вібрацією в маніпуляторах різного призначення використовували багато стратегій керування, жодної стратегії керування з підтвердженою стабільністю для керування вібрацією в такому передбачуваному сільськогосподарському маніпуляторі з простими недорогими апаратними пристроями та компенсацією нелінійностей запропоновано не було. Тому в цій роботі для керування вібрацією реалізовано поєднання пропорційно-інтегрально-диференціального (ПІД) керування з нечіткою логікою типу 2 (T2-F-PID). Підтверджено стабільність регулятора за допомогою аналізу Ляпунова. Для послаблення крутильної вібрації застосовано крутильний привод (TA), що є новим внеском у сфері сільськогосподарських маніпуляторів. Також для доведення ефективності регулятора результати гасіння вібрацій за допомогою T2-F-PID порівняно зі звичайними ПД/ПІД-регуляторами та нечітким ПІД-регулятором типу 1 (T1-F-PID).

The implementation of image-based phenotyping systems has become an important aspect of crop and plant science research which has shown tremendous growth over the years. Accurate determination of features using images requires stable imaging and very precise processing. By installing a camera on a mechanical arm driven by motor, the maintenance of accuracy and stability becomes non-trivial. As per the state-of-the-art, the issue of external camera shake incurred due to vibration is a great concern in capturing accurate images, which may be induced by the driving motor of the manipulator. So, there is a requirement for a stable active controller for sufficient vibration attenuation of the manipulator. However, there are very few reports in agricultural practices which use control algorithms. Although, many control strategies have been utilized to control the vibration in manipulators associated to various applications, no control strategy with validated stability has been provided to control the vibration in such envisioned agricultural manipulator with simple low-cost hardware devices with the compensation of non-linearities. So, in this work, the combination of proportional-integral-differential (PID) control with type-2 fuzzy logic (T2-F-PID) is implemented for vibration control. The validation of the controller stability using Lyapunov analysis is established. A torsional actuator (TA) is applied for mitigating torsional vibration, which is a new contribution in the area of agricultural manipulators. Also, to prove the effectiveness of the controller, the vibration attenuation results with T2-F-PID is compared with conventional PD/PID controllers, and a type-1 fuzzy PID (T1-F-PID) controller.