基于双前馈-改进串级PID的设施蔬菜表型信息采集稳衡云台设计与试验

来源：农业机械学报杂志2026年第1期北京时间：

作者：于海业，张楠，潘智浩，付含冰，张晨曦，姜然哲，张蕾

单位：吉林大学,吉林大学,吉林大学,吉林大学,吉林大学,吉林大学,吉林大学,

摘要：针对设施蔬菜表型信息采集过程中，由于地形不平整产生3~6Hz振动造成采集装置出现高频小角度倾斜、动态响应滞后，进而导致采集图像分辨率下降等问题，设计了基于重力补偿角加速度双前馈-改进串级PID复合控制系统的适用设施表型采集装置的稳衡云台。硬件上，针对30cm窄行距与多源传感器搭载需求，设计300mm×280mm×250mm单臂稳衡云台，整机仅5kg，最大负载能力达15kg。集成X-Y-Z轴重心滑轨，将负载重心偏差控制在±5mm，由此引起的重力矩波动小于0.5N·m。控制策略上，通过线性拟合构建重力补偿前馈模型（R2=0.9912），以抵消重力矩干扰。提出内环速度环叠加外环位置环的改进串级PID，引入积分分离、积分限幅及误差过零复位机制，解决传统PID小角度调整积分饱和问题，稳态误差控制在0.1°以内。融合载体与云台双IMU角加速度前馈，抵消采集车2~3m/s2启停/转向带来的惯性扰动。运行效果验证试验表明，复合控制使系统阶跃响应时间缩短80%且全程无超调。采集车以0.5m/s行驶时，云台三轴角度围绕目标值小幅度振荡，其中横滚轴角度±0.5°、俯仰轴角度±0.3°、航向轴角度±0.2°，满足设施蔬菜表型采集对姿态稳定性的要求。

关键词：设施蔬菜;表型信息;稳衡云台;双前馈;串级PID

基金资助：国家重点研发计划项目(2022YFD2002305-2)