基于北斗-RTK的无人插秧机自动导航关键技术应用研究

随着科技的发展,农业正在向着自动化、智能化、无人化的趋势发展.而农村劳动人口外流,劳动力日益短缺和人工成本增加的现象也日益严重,寻求新型高效的农业机械作业方式迫在眉睫.基于北斗导航系统对传统的机械式插秧机进行自动化改装,通过安装北斗-实时动态(RTK)天线和电动方向盘,利用角度传感器和位置传感器,配合比例-积分-微分(PID)模糊控制导航算法,实现插秧机的路径规划和自动导航作业.基站将经过差分的卫星信号通过通讯模块传递给无人插秧机,实现精确的厘米级定位.使用自动导航插秧机进行水田作业试验,系统试验结果表明自动导航模式下插秧机在转弯与直行时偏离航道的最大误差分别为10.2、5.1 cm,基本符合实际作业的精确度和安全性要求.研究结果可为今后开展智能无人化农机装备的改装和研发提供理论和实践参考.     

基于UWB定位的农业机械辅助导航系统设计与试验

【目的】低成本实现南方中小型田块中农业机械田间精确定位,降低农机操作人员劳动强度、提高农机作业效率。【方法】采用超宽带(Ultra wide band,UWB)技术对作业机械进行实时定位,通过位置解算算法,得到定位标签的三维精确位置坐标;利用位置校正算法,修正作业机械车身倾斜引起的田间定位误差;设计基于AB线的路径规划算法,实时规划作业路径并计算作业偏差;通过可视化人机交互界面为农机操作人员提供实时辅助驾驶信息。【结果】水田环境中,分别以0.5、1.0和1.5 m/s的速度沿规划路径行驶时,系统平均横向定位偏差均小于7 cm;当行驶速度大于1.0 m/s时,利用位置校正算法平均横向定位偏差降低了52.79%,标准差降低了49.82%,最大横向定位偏差降低了50.04%。搭载辅助导航系统进行田间插秧试验,各行作业轨迹与自身行拟合直线的平均横向偏差为5.90 cm,标准差为3.64 cm;各行作业轨迹与其规划直线路径的平均横向偏差为6.98 cm,标准差为4.95 cm。【结论】辅助导航系统具有较高的定位精度和良好的稳定性,成本低且通用性强,能够满足南方中小型田块中农业机械田间作业要求。研...     

葡萄园拖拉机自动导航系统设计与试验

【目的】为了实现拖拉机在葡萄园内的自动导航控制.【方法】设计开发了一套导航控制系统,该系统采用变论域模糊法作为导航控制决策,系统通过输入横向偏差和航向偏差的变量,改变模糊控制论域,提升系统的自适应能力,使得系统响应速度更快精度更高,提高拖拉机在葡萄园复杂的环境导航效果.【结果】试验结果表明:当拖拉机以0.25 m/s和0.35m/s的作业速度行驶时,导航的平均横向偏差分别为2.46、2.77 cm,最大偏差分别为5.36、14.68 cm,均方差分别2.92、4.79 cm.【结论】设计的导航控制系统基本满足拖拉机在葡萄园内导航作业需求.     

自动导航拖拉机的农机具作业精度研究

针对自动导航拖拉机带农机具作业时农机具跟踪误差会被放大的问题,提出了1种能够提高农机具作业精度的拖拉机导航算法。采用路径跟踪误差最小的优化控制方法,研究拖拉机自动导航作业时引起机具误差大的因素及改进方法,设计具有农机具误差项的拖拉机模型预测控制算法,对该算法进行可行性试验及对比试验。试验结果表明采用带机具误差项的算法使农机具横向偏差平均降低了42.36%,横向偏差标准差平均降低了40.91%,航向角最大偏差平均降低了6.11%,航向角偏差标准差平均降低了31.04%。结果表明增加农机具误差项的模型预测控制算法能有效提升农机具的作业精度。     

基于视觉补充的水稻插秧机多传感器组合定位研究

为改善基于GNSS/INS组合定位的水稻插秧机在遇到遮挡、电磁干扰、传感器失效等情况时的导航效果,在原有GNSS/INS组合定位的基础上,提出一种视觉导航系统（vision navigation system,VNS）补充的水稻插秧机多传感器组合定位方法。首先设计改进的Otsu法和改进的Hough变换算法用于视觉定位信息提取,并构建插秧机和相机坐标系关系方程以求解位姿值;然后采用具有容错功能的联邦卡尔曼滤波算法将VNS输出的定位信息和GNSS、INS输出的定位信息进行融合;最后分别在水泥地和水田进行试验。结果显示,空旷水泥地场景下,GNSS/INS/VNS组合定位和GNSS/INS组合定位精度相近,而在遮挡水泥地场景下,GNSS/INS/VNS组合定位解算出的位置误差和航向误差的平均值分别为1.77 cm和0.99°,相较于GNSS/INS组合定位方法分别提高46.8%和61.5%;水田试验中,经过视觉补充后导航系统的横向偏差和航向偏差平均值分别降低45.7%和67.9%,横向偏差平均值为1.97 cm,航向偏差平均值为0.49°。试验结果表明,基于视觉补充的多传感器组合定位方法能有效降低导航系统的定位误差和跟踪偏差,满足插秧机自动驾驶作业的要求。     

无人驾驶插秧机

日本农林水产省农业研究中心最近研制出1种自动插秧机，它使用飞机自动导航系统，可自行工作而无需人驾驶。自动插秧机上还配有全球定位系统，可以接收并分析卫星传来的定位信号，从而确定自身在水田中的位置，定位误差在3厘米以下。这种插秧机可以根据水田的形状来决定如何使秧苗排列整齐，工作效果与人工插秧相同。另外，插秧机上还安装了与飞机平衡器相同的设备，这使插秧机在水田中工作时能够始终保持稳定的姿势。     

水稻插秧机导航控制器设计与路径追踪仿真研究

为了实现水稻插秧机部分或完全自主行走,需要设计合适的导航控制器代替驾驶员分析插秧机与预定义路径的位姿信息后,决策出转向方向和角度控制插秧机按照预定义路径行走。采用基于驾驶员模拟技术,设计了以航向偏差和横向位置偏差作为输入变量,插秧机转向轮期望转角作为输出变量,总结并模拟驾驶员驾驶经验采用模糊控制算法制定模糊规则,构建二维模糊导航控制器;在MATLAB/Simulink下使用简化的二轮车运动学模型进行路径追踪斜坡响应和阶跃响应仿真研究,分析该二维模糊导航控制器控制水稻插秧机追踪预定义路径能力。仿真结果表明水稻插秧机路径追踪斜坡响应最大误差为1.23m,追踪距离为3.45m,稳态误差为0.41m;在此过程中航向追踪信号的超调量MP为17.5°,调整时间ts为7.15s,稳态误差ess为0.2°。水稻插秧机路径追踪30cm阶跃响应的超调量MP为0.8cm,调整时间ts为30.2s,稳态误差ess为0.5cm。水稻插秧机路径追踪仿真结果说明本研究设计的二维模糊导航控制器的转向决策成功控制水稻插秧机追踪预定义路径,该控制系统响应的快速性、平稳性、精确性均良好,为实现水稻插秧机自主行走提供理论支撑。     

基于路径弯曲度动态预瞄搜索算法的车辆路径跟踪控制软件系统设计

为实现农业机械田间作业时的路径跟踪控制,在无人驾驶高速插秧机硬件系统基础上,采用基于规划路径弯曲度的动态搜索预瞄算法设计了路径跟踪控制软件。该算法以作业机械横向偏差和航向偏差作为航向模糊控制器的输入变量,以前轮转角期望值为输出变量,设计航向模糊控制器,实现航向控制;同时结合转向模糊免疫PID控制器对步进电机的PWM频率进行控制,实现水田作业机械的方向改变,从而完成作业机械沿规划路径自动行驶跟踪,并用Matlab/Simulink仿真平台对所采用的路径跟踪控制原理和所设计的模糊控制器进行了有效性验证,结果表明所采用的控制方法是可行的。经试验,插秧机以1 m/s的速度进行直线跟踪时最大的跟踪偏差只有4 cm,且始终围绕零值附近上下波动,计算平均跟踪偏差为0.84 cm,能够满足水田作业机械路径跟踪控制的要求。     

基于无人驾驶的小麦密行精密播种机组的 设计与试验

为了实现小麦密植播种以及华北地区小麦玉米联作的农艺要求,将无人驾驶技术和精密播种技术相结合是最佳选择。本文设计了无人驾驶拖拉机以及精密播种机组,采用自动导航无人驾驶拖拉机为播种机提供动力,小麦播种机开沟盘采用“八密一稀”的排布方式。对小麦密植播种机关键部件进行了设计,对无人驾驶拖拉机动力系统的动力以及续航需求进行匹配。田间试验表明：选取的50 m的作业距离内整机作业横向最大偏差为2.1 cm,平均偏差0.094 cm,具有较好的直线行驶能力,在进行换行作业时相邻行程间邻接行距最大偏差1.5 cm,平均偏差为0.48 cm,能够满足换行作业时整机作业相邻幅宽行间距11 cm的作业需求。     

卫星导航自动驾驶技术的应用优势

为了解决农机装备水平大幅度提高,而拖拉机驾驶员田间作业素质相对滞后的问题,推进农机化科技进步的步伐,2013年,昌吉市农机部门引进并推广了10套卫星导航自动驾驶装置,最高精度可达2厘米,经安装使用后达到了理想的作业效果。现介绍     

农机自动导航电动方向盘性能测试分析

电动方向盘传动紧凑,对农业机械转向系统改动小,是农机自动导航技术的关键部件。该文介绍了基于电动方向盘的农机自动导航系统和电动方向盘结构特点,针对国内三款电动方向盘进行了扭矩-转速特性和正常工作电压性能测试,试验结果表明,三款电动方向盘电机的可控运行转速范围分别为0-200 r/min、0-109 r/min和0-100 r/min,输出功率大小为WA> WB> WC;电流大小为IA>IB>IC,其中A款电动方向盘带载能力最强。将A款和B款电动方向盘安装到拖拉机上进行了田间试验,结果表明A款和B款电动方向盘导航拖拉机跟踪直线路径的位置误差标准差分别为1.86 cm和1.60 cm,最大误差分别为-2.9 cm和2.9 cm。     

自动导航拖拉机在精准农业上的应用

本文论述了精准农业生产的特点和对农业装备的要求,自动导航拖拉机的关键技术卫星定位系统、自动导航系统、转向控制系统的结构及原理;分析了自动导航拖拉机的在精准农业的生产中的作业和应用中存在问题。     

激光控制水田打浆平地机设计与试验

【目的】满足水稻种植对田面平整度的要求,减少拖拉机进田次数,提高打浆平地质量和效果,实现一次进田完成水田打浆和平地作业。【方法】采用先打浆后平地原理,设计了激光控制水田打浆平地机、打浆机与平地铲自动调平机构、平地铲高程自动调节机构和通过集成带自动调平的激光平地控制系统,并进行田间试验;利用2台姿态航向参考系统分别测量拖拉机车身和打浆平地机的横滚角,采用水准测量试验田块作业前后的田面平整度。【结果】拖拉机横滚角在±4.5°内变化,打浆平地机的横滚角始终保持在±1°内,表明调平自动控制系统明显提高了水田打浆平地机构水平稳定性;打浆平地作业后田面最大高差从作业前的17.7cm降低到6.7cm,标准偏差值从作业前的4.08cm下降到1.75cm,绝对差值不大于3 cm的平整度采样点占比由作业前的62%提高到82%以上。【结论】激光控制水田打浆平地机打浆平地作业后可显著改善田面平整情况。     

新疆阿勒泰地区拖拉机GPS卫星导航自动驾驶技术的推广应用

为了提高农业的生产水平,一直致力于将科技技术与农业生产相结合,其中,拖拉机GPS卫星导航自动驾驶技术是比较有影响力的一项高新技术。该文以阿勒泰地区引进的GPS卫星自动导航系统为例,介绍了自动驾驶系统的组成与导航仪的使用办法。自动驾驶系统可以提高土地利用率、提高机车作业使用率、减轻驾驶人员劳动强度与减少机械收获损失。在推广应用中存在没有国产化、作业实用性有局限、GPS信号容易受到干扰、部分农户不接受拖拉机空行程确定、改装换装复杂与信号范围覆盖小等问题。     

基于拟人驾驶模型的联合收获机导航控制器设计与试验

为了解决轮式联合收获机在水稻收获作业中操作繁琐及作业质量和效率低的问题,通过采集熟练驾驶员驾驶时收获机位姿信息和驾驶员操作信息,运用神经网络构建了拟人驾驶模型并设计了一种基于拟人驾驶模型的联合收获机导航控制器。根据收获作业需求设计了一种田间套行作业路径规划方法,在保证转弯精度的同时,较好的完成收获作业;与传统PID和常规纯追踪模型相比,拟人驾驶模型控制收敛速度快0.42 s、超调减小4.0 cm,具有收敛速度快、超调小等特点。路面直角路线转向试验结果表明,当联合收获机行驶速度分别为0.62、0.82、1.02 m/s时,转弯后超调量不大于3.93 cm,在不同行驶速度下仍具有较高的鲁棒性。田间试验结果表明,联合收获机在水稻田中以0.6、0.8、1.0 m/s的速度前进时,直角转向导航跟踪转向后超调量分别不大于8.1、8.9、9.6 cm,直线跟踪部分平均绝对偏差分别不大于3.1、3.0、3.3 cm。试验结果表明,所设计的拟人驾驶模型导航控制器能较好地完成水稻收获作业自动导航。     

激光控制水田平地打浆机设计与试验

为了满足水稻种植对田面平整度的要求,缩短水田打浆和平地作业间隔时间,提高打浆平地质量和效果,提出了先精准平整再精准打浆的作业方法,设计了平地铲和打浆机构的高程和调平自动调节机构,研制了激光控制水田平地打浆机,集成带自动调平功能的激光平地控制系统,实现了一次进田即完成水田精准平地和打浆作业,且打浆深度可调。利用两台AHRS(Atitude and Heading Referece System)同步测量拖拉机车身和平地打浆机横滚角,GNSS(Global Navigation Satellite System)测量平地打浆机试验过程中的高程变化。在水田进行了手动操作与自动控制两种方式的倾角和高程对比试验,结果表明,平地打浆机在自动控制下高程在平均值的±4 cm范围内变化,手动操作为±11 cm;平地打浆机的横滚角保持在±0.5°,而手动操作时受拖拉机车身横滚角影响最大超过±2.5°,自动控制下平地打浆机的作业质量较手动操作更稳定。水田平地打浆作业结果表明:平地打浆作业后田面最大高度差从作业前的26.4 cm降低到11.5 cm,标准偏差值由4.13 cm下降到2.18 cm,作业后绝对差值小于等于3cm的平整度采样点累计达86%以上;打浆作业深度为14.2cm,相对于设定打浆深度15.0cm标准偏差值为2.46 cm。表明激光控制水田平地打浆机作业后显著改善了田面平整情况,打浆深度精准稳定。     

基于GPS和GIS的农机作业导航系统

基于GPS和GIS的农机作业导航系统可以提高作业效率和作业质量,降低运行成本,减轻驾驶员的工作难度。介绍了系统软、硬件结构,系统实现了对农业机械提供道路行走导航和机组在田间作业中利用光耙进行直线导航的功能,并具有行走轨迹实时记录、作业面积计算统计、作业回放等功能,便于工作和信息化管理。     

拖拉机路径跟踪的变论域模糊控制

为了提高拖拉机自动导航控制系统的精度,采用变论域理论设计纠正位置和方向偏差的自适应模糊控制器,对搭载全液压转向装置的东风DF904拖拉机进行了在无干扰平坦路面和有干扰坑洼路面按预定路径行走的试验。结果表明,在平坦路面无干扰时路径跟踪的最大偏差不超过7 cm,平均偏差小于4 cm,在遇到障碍干扰而发生路径和方向偏差时拖拉机能快速、准确地纠正偏差,返回预定路径,完全满足作业要求,验证了提出方案的可行性和有效性。     

GPS系统“落户”农场

2012年呼伦贝尔农垦在岭南的甘河农场、巴彦农场和东方红农场陆续引进安装了GPS卫星定位导航自动驾驶拖拉机播种作业系统,填补了这三个农场应用GPS系统卫星定位为导航自动驾驶拖拉机作业的空白,实现了拖拉机无人驾驶、自动起垄和播种全程机械化作业,为加快推进全区“精准农业”的进程打下坚实基础。     

科技文摘

正20173001基于DGPS与双闭环控制的拖拉机自动导航系统/黎永键(广东农工商职业技术学院机电系),赵祚喜…//农业机械学报.-2017,48(2).-11~19以东方红X-804型拖拉机为平台,设计了一种基于RTK-DGPS定位和双闭环转向控制相结合的自动导航系统,研究提高农业机械导航控制精度的方法。阐述了导航系统整体设计方案,以RTK-DGPS和AHRS500GA分别提供位置信息和辅助修正信息实现