基于GPS控制技术的土地平整系统

土地平整可以提高灌溉水的利用率,是农田节水增产的重要措施之一。为此,采用上位机决策和下位机控制相结合的方法(上位机系统以车载计算机为工作平台,采用高精度GPS接收机获取农田三维地形位置数据),提出了高程测量数据误差修正算法,用来校正平地作业过程中GPS动态测量误差;利用校正后数据,计算平地基准高程,输出位置高低判断信号。下位机系统以控制器为核心,接收位置高低判断信号,输出液压控制信号驱动平地铲升降,完成平地作业。平地试验表明,误差矫正后的农田三维地形分布图精度较高,测量效率比传统人工定点测量方法提高75%以上;土地平整效果较好,平地精度达到7.8cm,可满足高标准农田田面平整度要求。     

农田精准平整过程中三维地形实时测量方法研究

为提高农田平整作业过程中平后区域田面地形实时测量精度，本文提出一种农田精准平整过程中三维地形实时测量方法(Real-time 3D terrain measurement, Rt3DTM)。以安装有GNSS双天线和姿态传感器的支撑轮式旱地平地机为地形测量平台，利用卡尔曼滤波器融合GNSS与加速度提高定位精度，通过建立平地铲运动学模型获得支撑轮底点的车体坐标，结合平地铲位姿信息对支撑轮底点进行世界坐标解算，并利用最邻近插值法生成地形图。静态试验表明，Rt3DTM方法能准确解算支撑轮底点坐标，平面测量均方根误差小于10 mm,高程测量均方根误差不大于20 mm。水泥路面试验结果表明，在3组不同车速下测量同一段水泥路面三维地形，与真值的高差均方根误差均小于30 mm。田间试验结果表明，Rt3DTM测量的高程均方根误差为16.5 mm,平整度为16 mm,小于30 mm的高差分布列为95.8%,相比机载GNSS测量方法的均方根误差准确性提高29.5%,平整度准确性提高11.1%,高差分布列准确性提高9.5%。提出的Rt3DTM方法能实时准确地获取平整作业过程中平后区域的地形信息，为无人化农田平...     

基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验

针对全球导航卫星系统(Global navigation satellite system,GNSS)农田平整系统缺少作业指导且效率低等问题,提出了一种基于GNSS农田平整全局路径规划方法。分析农田实际平整条件,创建适用于土地平整的农田地形环境模型,生成农田地势信息图,研究整块农田地势高程分布特征,以平地作业中空载、满载的无效作业状态最少,转向操作与重复行走最少为条件,生成遍历整个农田的土地平整路径,并通过拉力传感器实时监测铲车载荷。仿真试验结果表明,相对于常规平整方法,所提方法空载、满载率显著减小,达到目标平整度时间节省50%以上。该方法可以规划有效路径,减少无效作业时间,平地效率提高30%以上。     

基于GNSS的平地控制系统优化设计与试验

农田土地平整技术能够提高农田灌溉质量和改善土壤矿物质均匀度,以达到节水增产的目的,随着全球导航卫星系统（GNSS）的建立与完善,基于GNSS的农田土地精细平整技术得到广泛应用。针对当前使用GNSS定位数据进行高程闭环控制,容易产生平地铲超调问题,设计了一种基于GNSS的土地精平机电控制系统,提出一种可控制时长的滞环控制算法,通过控制电磁阀的通电时间,精确控制平地铲升降,以减少超调。试验结果表明:在低速作业状态下,平地铲可减少15%的振荡,高速作业状态下可减少23%的振荡;有效降低了平地铲高程的突变,在低速作业时减少30%,在高速作业时减少8%;无论是低速作业还是高速作业,完成作业后均能保证90%以上的点在±2 cm以内,满足土地平整的精度要求。      

基于GNSS的农田快速平整系统设计与试验

针对当前全球导航卫星系统（GNSS）农田土地平整过程中,操作复杂,地形测量费时费力的问题,设计了基于GNSS的农田快速平整系统。该系统可实现快速农田基准设计,农田水平平整,农田坡面平整等功能。农田坡度设计算法在前期系统算法基础上进行了优化,提出适用于快速平整系统的坡面平整算法,坡面平整后可以达到灌溉时水流速度快、水量覆盖均匀,减少挖填土方量、提高平整速度的目的。平整试验结果表明,水平面平整后最大高程差从18.9cm降到8.1cm,高程标准差从11.2cm降到5.5cm,平地误差小于5cm的测点累积百分比从75.693%上升到90.674%;坡面平整后,农田实际坡度与设计坡度基本一致,平整速度快,平整效果良好。     

基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法

为了提高农田平整作业工作效率,分析了基于全球导航卫星系统（Global navigation satellite system,GNSS）的农田平整自动导航解决方案的可行性,改进了系统硬件设计,提出了一种基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法。该方法将全局路径规划和局部实时路径规划相结合,以铲车空载或满载时间最短为最优评价基准,融合K 均值与密度均值,聚类农田栅格;根据设计的铲车挖高填低方法和局部搜索策略得到平地路径全局规划,在实际作业中根据拉力传感器反映的实时载荷进行局部调整和规划。通过仿真试验和农田路径规划平地对比试验分析表明,最大高度差从22.8cm降到2.7cm,平整度从12.6cm降到1.5cm,高差分布列从81%上升到97%,平整效果能满足精细灌溉需求。该方法能够较好地实现路径规划,实现拖拉机高效平地作业,其中铲车的满载和空载率较其他方法小,满载和空载率总和在20%左右,增加了有效工作时间,降低了人工劳作强度,提高了平地效率。     

基于GNSS的农田平地系统试验研究

土地平整对发展现代农业具有非常重要的意义。进行农田土地平整,可以有效改善农田表面状况,提高农田灌溉水的利用率,有利于控制杂草和虫害,提高化肥使用效率,减少环境污染,实现精细地面灌溉。为了解决使用传统方法进行土地平整地费工费时及作业质量差的问题,研发了新型GNSS平地系统,进行了平地作业试验研究,为基于GNSS的农田平地系统的研发提供经验与数据。     

基于GPS的农田坡面平整技术与试验

设计了一种基于GPS的农田土地坡面平整系统,该系统由自主差分GPS接收设备、车载式工控机、控制转换器、液压系统、铲运装备等几部分硬件组成,以Visual C++60为系统软件开发环境;系统可对农田进行动态地势测量及坡面平整作业．首先,将GPS接收设备安置在铲运设备上,利用拖拉机牵引铲运设备对农田进行动态蛇形测量,并通过相应的校正算法对测得的GPS数据进行误差校正;然后,根据校正后的数据,对农田进行三维地形成图及坡面建模,得到农田坡面期望高程;最后,将实时接收的农田实际高程与坡面期望高程进行比较,通过控制转换器输出液压控制信号驱动铲运设备进行挖填土方的平地作业．在田间试验条件下,根据农业工作者要求对纵向长度为180 m的地块进行1／1 000纵向坡降的平地试验,结果表明,平地后标准偏差值在5 cm左右,坡低的平均相对高程约为4062 m,坡顶的平均相对高程约为4078 m,坡面高差为16 cm,其理论坡面高差为18 cm,有效改善了农田坡面地形．     

基于空间聚类的农田土地平整区域规划方法研究

针对当前农田土地平整作业过程中,常会出现铲车过载或空载造成平地效率低下的问题,提出一种基于空间聚类的农田土地平整区域规划方法。首先,获取农田地势高程数据,通过克立格插值法遍历到空间各个位置;然后,通过改进后的K-均值聚类算法与密度聚类算法,对农田高程数据进行区域标记,去除区域中的离散点和误差点,初步完成区域划分;再结合农田平整时挖填土方量体积和农田面积适中等原则,对区域大小及形状进行修整,完成农田土地平整区域规划。田间试验分析表明,采用所提出的区域规划方法规划后,农田平整过程中铲车过载和空载现象明显减少,有效作业时间提高5%以上,工作效率提升显著;平整后各划分区域地势平整情况得到明显提高,平整度小于6 cm。     

基于EKF的农机智能体自主导航算法研究

为获得更加准确、全面、实时的农田障碍物信息,提高农业机械智能体自主导航定位的精度,提出一种基于北斗系统和视觉导航的组合定位方法。针对农田环境,选择BDS、视觉CCD为外部传感器,设计一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的数据融合算法,该算法融合了BDS和视觉传感器数据,实时定位农机智能体的位置。系统通过对导航角度和行驶进度进行跟踪,完成绝对定位。通过机器视觉图像处理,获取导航基准和作业目标信息,完成相对定位。通过试验验证该算法的有效性,并通过卡尔曼滤波算法(KF)的成果进行对比分析。结果表明：滤波后的路径更平滑,抖动偏差减小,坐标数据比KF滤波结果更稳定、更平滑。此外,距离的平均误差可以从滤波前的0.119 5 m降低到滤波后的0.07 0 m,有效地降低了过程噪声。且位置偏差在±0.1 m以内,精度较高,提升了农机智能体自主导航的定位精度。     

农机INS/GNSS组合导航系统航向信息融合方法

为解决农机自动导航系统在田间作业过程中因防风树林等对卫星信号产生遮挡与干扰,导致其难以准确获取航向信息等问题,采用惯性导航系统（INS）和全球导航卫星系统（GNSS）航向信息融合方法进行了试验与研究,结合自适应卡尔曼滤波算法构建了综合滤波模型,提出了一种以GNSS信号品质与航向角变化幅度信息为指导的INS/GNSS航向信息融合策略,通过仿真试验以及实际应用测试对航向信息融合效果进行了验证。试验结果表明：以双天线GNSS航向角测量值作为参考基准,在直线行驶过程中,融合航向数据的平均绝对误差为-0.02°,标准差为0.50°;在转向行驶过程中,融合航向数据的平均绝对误差为0.62°,标准差为2.42°;融合后的航向输出结果明显提升了单独使用INS或GNSS时航向数据的精度,且在滤除GNSS航向角测量噪声的同时提高了GNSS航向角解算值的更新速率。该航向角融合算法能够增强农业机械自动导航系统航向角测定的准确性,可为导航系统实际田间作业情况下的抗环境扰动能力提供服务。     

用于激光平地作业的车载式智能测量系统开发

在激光平地作业过程中,一般先由人工操作水准仪获取田块定点高程,然后通过计算平均值以作为激光平地的基准高度。显然该作业方法耗时费工,工作效率较低。为此,设计了一套车载式智能测量系统,拖拉机带动激光接收器沿着指定的路线行驶,系统即可自动完成对定点高度的采集、存储以及实时显示。     

土地平整度传感测定评价系统的设计与实现

为了提高土地整理工作中三维地形信息测量的精度与效率,实现全程自动化采集数据,设计了一套土地平整度传感测定评价系统。该系统主要由单片机、步进电机、激光测距仪和二维机械平台组成。利用单片机控制步进电机,驱动滑块沿二维机械平台运动,获得测量点平面位置信息;利用激光测距仪获取测量点的高程信息,进而得到测量点的三维地形信息。用田块内所有测点相对高程的标准偏差值和田块内所有测点的相对高程与期望高程的绝对差值来评价土地的平整状况。在田间试验条件下,对该系统与定点人工测量方法获取的数据进行了比较,结果表明,系统工作稳定,其测量误差不大于5mm,可准确快捷地对农田平整度进行量化评价。     

履带式联合收获机全向调平底盘设计与试验

针对履带式联合收获机在不平坦地表作业时，车体随地形起伏而倾斜，造成作业效率降低、驾驶员舒适性变差、安全性降低的问题，设计了一种履带式联合收获机全向调平底盘。该底盘由上架、下架、升降机构和电液控制系统组成，可实现联合收获机底盘倾斜时的自动与手动调节，纵向调节范围为-5°~7°，横向调节范围为-6.5°~6.5°，底盘最大提升高度为130mm。阐述了全向调平底盘的工作原理、电液控制系统结构与调平控制策略，进行了针对底盘性能的静态与动态调平的验证试验。静态调平试验对底盘前最低、后最低、左最低、右最低、左前最低、右前最低、左后最低、右后最低8种倾斜状态进行调平，结果表明，自动调平系统最长调节时间为8.2s,平均调节时间4.2s，倾斜度调节误差最大值为0.67°。动态调平试验针对自动调平控制、手动调平控制和固定地隙调平控制3种调平控制模式，进行了坡地、畦沟田块、水田等地形下的调平对比试验。在坡地与畦沟田块试验中，自动调平控制模式可以改善底盘的倾斜状态，提高底盘的稳定性；手动调平控制模式有一定的调节作用，但调节稳定性较差。在水田试验中，自动调平控制模式调平效果优于坡地与畦沟田块，说明在地形起伏较小的条件下，自动调平控制系统调平效果更好。动态调平试验表明，自动调平系统可以减小底盘倾斜度，提高底盘稳定性，增强联合收获机对不平坦地表的适应性。     

马铃薯联合收获机车身调平系统设计与试验

针对马铃薯联合收获机作业时车身不能随地形起伏变化自适应平衡，导致作业安全性低、收获损伤大、收获品质差的问题，设计了一种马铃薯联合收获机车身调平系统，该系统采用融合一阶惯性滤波的倾角传感器监测车身横向倾斜角度，干扰和抖动被有效抑制；通过车身调平机构动力学分析，建立了系统的数学模型；采用基于一阶惯性滤波的模糊PID算法控制比例阀驱动升降液压缸运动，从而实现马铃薯联合收获机车身自动调平。对车身调平系统进行仿真分析，结果表明：与传统PID算法相比，模糊PID具有更好的控制性能，系统调节时间缩短51.77%，上升时间缩短53.57%，最大超调量减小6.25%；对整机控制系统进行静态和动态试验测试，结果表明：在坡度-10°~10°范围内，系统自动调平时间小于4s，最大调平误差小于1°；车身在倾斜角10°工况下，使用模糊PID控制算法自动调平时间缩短约50%，静态试验结果与仿真分析结果相符；在起伏变化较大的路面以速度3.6km/h行驶时，车身倾斜角误差控制在±3°以内，较好地实现了马铃薯联合收获机车身自动调平控制，满足实际作业需求。