拖拉机自动导航单因子控制系统设计

针对当前拖拉机自动导航转向控制系统结构复杂、算法繁琐及对上位所检测机位置姿态信息要求较高等特点,设计了一种基于51单片机为中央控制载体的拖拉机自动导航执行系统。本系统在不改变原车的液压转向控制系统的前提下,通过加装以步进电机为动力的驱动装置带动方向盘转动实现前轮转向;同时利用角度传感器不断检测前轮转角,为系统在进行转向决策时提供反馈,并且在执行过程中采用涡轮电机控制齿轮啮合与分离。控制系统采用单因子补偿控制算法,通过判断当前车辆的横向偏差走势判断当前的车身偏角。为验证程序算法以及结构设计的可行性,以TN954为实验对象,构建了转向系统和车身偏角的数学模型,运用Matlab/Simulink进行仿真。结果表明:拖拉机以3 km/h作业速度行驶时,在初始横向轨迹偏差设定在5 cm的调整过程中,稳态误差达到2%,单因子补偿控制算法所需的平均调整时间为1. 4 s,满足当今拖拉机自动驾驶控制实时性的要求。     

基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统

阐述了一种基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统.由PLC、电控开关液压阀和比例方向液压阀组成自动转向控制系统,设计了PD转向控制算法;为提高拖拉机自动导航的精度和稳定性,提出了一种基于遗传算法的自适应模糊控制方法,采用遗传算法在线优化模糊控制规则以及输出比例因子,既保留了传统模糊控制的优点,又有效改善了系统的控制品质;仿真和田间试验结果表明,该方法可以迅速消除跟踪误差,响应速度快,超调小,系统工作稳定,稳态跟踪误差不超过10 cm.     

基于高斯混合模型的履带拖拉机转弯半径控制方法

履带拖拉机采用差速转向，转向可控性差，影响自动导航性能，为提高履带拖拉机自动导航的性能，以液压传动控制行星差速转向履带拖拉机为研究对象，建立履带拖拉机转弯半径数学模型。构建每个控制量下转弯半径均值和方差计算方法，建立基于卡尔曼滤波和局部加权回归的转弯半径均值和方差更新方法。分别针对直线路径跟踪和掉头建立基于高斯混合模型的履带拖拉机转弯半径控制方法。采用纯跟踪算法分别以不同的初始位置偏差进行自动导航仿真试验，得到导航轨迹、位置偏差和角度偏差。以农夫NF-702型履带拖拉机为平台，分别以不同车速进行导航试验，试验结果表明，在初始航向角为0，车速分别为1.0、1.5m/s时，导航平均误差分别为-0.62cm和0.28cm，导航误差绝对值极值分别为10.14cm和8.10cm，导航误差绝对值均值分别为2.34cm和2.57cm，导航均方根误差分别为3.77cm和3.99cm。本文提出的基于高斯混合模型的履带拖拉机转弯半径控制方法可应用到液压传动控制行星差速转向履带拖拉机自动导航领域，满足实际田间作业需求。     

玉米中耕除草复合导航系统设计与试验

为了实现玉米中耕除草过程中的自动导航作业,提高自动除草的效率和准确性,设计了一种玉米中耕除草复合导航系统。系统由基于GNSS的农机自动导航部分和基于机器视觉的农具自动导航部分组成,可通过GNSS位置信息进行农机自动导航,同时根据摄像头获取的玉米作物行信息控制农具铲刀进行行间除草。对农机的转向控制部分和前轮转角检测部分进行了机械改装,以PLC和步进电机驱动器为基础设计了农机转向控制电路和农具液压控制电路;以横向偏差和横向偏差变化率作为模糊控制的输入变量设计了自适应模糊控制方法;采用摄像头获取玉米作物行,通过扫描滤波方法进行作物行检测。农机独立导航除草试验和农机具复合导航试验结果表明：在车速为0.6 m/s时,农机自动导航最大横向偏差为10.04 cm,平均偏差为4.62 cm;农机具复合导航时的最大偏差为6.35 cm,平均偏差为2.73 cm;农机具复合导航系统能较好地满足玉米中耕除草的要求。     

基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统

阐述了一种基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统。由PLC、电控开关液压阀和比例方向液压阀组成自动转向控制系统,设计了PD转向控制算法;为提高拖拉机自动导航的精度和稳定性,提出了一种基于遗传算法的自适应模糊控制方法,采用遗传算法在线优化模糊控制规则以及输出比例因子,既保留了传统模糊控制的优点,又有效改善了系统的控制品质;仿真和田间试验结果表明,该方法可以迅速消除跟踪误差,响应速度快,超调小,系统工作稳定,稳态跟踪误差不超过     

拖拉机电液与电机两种自动转向方式对比试验

以约翰迪尔904型拖拉机为载体,搭建拖拉机自动导航试验平台,测试分析了电液驱动式和电机驱动式两种转向装置的控制效果。在水泥路面空载、农田地块空载、农田地块旋耕作业3种条件下,电机驱动式自动导航系统的精度比电液驱动式自动导航系统的精度分别高0.169、0.187、0.233cm,电机驱动式自动导航系统的稳定性比电液驱动式自动导航系统的稳定性分别高0.107、0.178、0.099cm。可见,在相同条件下,电机驱动式转向装置在控制精度和工作稳定性方面效果略好。     

以角速度为转向动作反馈的拖拉机自动导航控制系统

针对传统农机导航控制系统中转向角度传感器安装麻烦、可靠性较低的缺点,采用角速度计作为拖拉机转向动作的反馈传感器,结合拖拉机加装的基于CAN总线结构的导航控制装置,设计了串级PID自动导航控制系统,内环PID控制器用于转向控制,外环PID控制器用于路径跟踪控制。由于角速度计噪声误差较大,为避免对角速度的积分运算引起误差持续累积增大,角速度计的测量数据仅直接用作内环PID控制器的反馈;外环PID控制器的控制量也设计为角速度值。因此,在以转向角为控制量的比例控制算法基础上,本文又推导、设计了以角速度为控制量的外环PID控制算法。路面实验结果表明,本文设计的以角速度为转向动作反馈的拖拉机自动导航控制系统,直线路径的稳态跟踪误差平均值约为4.1cm,误差绝对值最大为12.9cm,验证了角速度计在农机导航控制系统中应用的可行性及所提控制方法的正确性。     

拖拉机无人自动驾驶技术应用

正近年来,随着精准农业的推进,信息化成为推动农机化发展的新动能,加装导航及自动作业系统的农机逐渐成为市场的新宠,让现代农业生产更加高效、智能、精准。一、拖拉机无人驾驶技术应用的优势智能拖拉机利用导航辅助自动驾驶系统,在无人驾驶的情况下能完成土地耕整、精密播种等作业,电动方向盘北斗导航系统可实现直线精度±10cm,液压控制转向北斗导航系统可实现直线精度±2.5cm,接行精度±2.5cm,根据2D地形补偿(横滚、航向),可以确保土地耕种、精密播种时起伏地面的作业效果。     

自动驾驶系统在尖山农场的应用

GPS是全球定位系统的简称,GPS卫星导航是近年来迅速兴起的高新技术,具有广阔的发展前景。2010年,尖山农场由精准农业向数字农业转变,引进拖拉机GPS卫星导航自动驾驶系统技术,安装GPS的拖拉机不需要驾驶员再操作方向盘,通过卫星和信号基站定位就可以实现农作物播种、喷药、整地等机械化精准作业,作业精度1 km误差不差3 cm,结合线误差±3 cm,极大地提高了机车作业效率,减少了土地资源的浪费。GPS全球卫星定位信息系统用于各种农机化作业,每台自动导航系统国家财政补贴3万元。该项技术已经广泛应用于播种、施肥、起垄和整地等示范范基地作业,通过示范取得了很好的效果,现已全面积普及,截至到目前尖山农场已安装各类型卫星导航系统70套。     

农业自动导航系统移动试验平台的研制

为评价农业自动导航系统的稳定性和导航精度,大量的田间试验必不可少。若采用拖拉机、联合收获机等大型农业机械进行导航试验测试,在机械日常维护、控制系统开发及试验材料准备等方面的成本较高。为此,以易于操作的四轮电动车为车辆原型研制了用于农业自动导航系统测试的移动试验平台,其自动转向系统以直流电机为动力源,采用精密电位计测量前轮转向角。自动巡航系统由速度控制器监测实际车速,利用数字PID算法控制驱动电机的输出,保证试验平台以设定车速行驶。为便于接收导航系统的控制指令,基于CAN总线通信网络对各子系统进行模块化设计,预留CAN总线通信控制接口。试验测试表明:转向控制的角度分辨率小于0.4°、控制误差小于1.0°,自动巡航的速度控制误差小于0. 3m/s,控制精度和稳定性满足农业自动导航系统测试的基本要求。     

基于BDS的果园施药机自动导航控制系统

根据果园施药机自动导航喷药作业需求,设计了一种基于北斗卫星导航系统(BDS)的施药机自动导航控制系统。该系统主要包括RTK-BDS接收机、导航控制器、转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘。其中转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘构成转向角闭环控制回路,该回路可根据导航控制器发送的施药机期望转向角实现转向角的随动控制。将施药机的运动学模型和纯追踪模型相结合,设计了施药机直线跟踪导航控制器,输入为位置坐标和方位角,输出为期望转向角。针对果园地形特点对施药机进行了导航路径规划,并在果园进行现场试验。试验结果表明:所设计的导航控制系统,在施药机行进速度为2 km/h时,直线跟踪最大误差不大于0.13 m,平均跟踪误差不大于0.03 m,能满足果园自动导航作业精度要求。     

基于ISO 11783的拖拉机导航控制系统设计与试验

基于ISO 11783标准构建了拖拉机自动导航控制系统,系统包括5个电子控制单元(ECU),其中转向ECU节点可以根据从总线上接收到的转向指令来控制前轮转向.对自动导航控制系统的网络服务性能进行了分析,并进行了使用该系统的拖拉机直线路径跟踪试验.试验表明,基于ISO 11783的拖拉机自动导航控制系统能满足实时性要求,并能较好地实现路线跟踪,直线跟踪最大横向偏差为11cm.     

拖拉机前轮转角自动控制系统设计

为减少对人工驾驶的依赖和提高作业质量、实现拖拉机自动转向,提出一种基于IMC-PID的拖拉机前轮转角自动控制系统,阐述系统整体结构,介绍系统的组成、工作原理和硬件设计方案。通过分析拖拉机自动转向系统的需求和整体控制策略,基于转向系统模型设计拖拉机前轮转角控制器,详细阐述IMC-PID转角控制算法的设计过程,应用Matlab/Simulink工具箱搭建仿真模型验证算法的可行性,并结合双力704型拖拉机进行实车试验。仿真试验和实测结果表明:所设计的控制系统信号跟踪的最大误差为1°,平均误差为0.4°,响应时间小于0.2 s;在模型误差20%时,系统仍保持良好的跟踪性能和抗扰动性。研究表明:前轮转角自动控制系统具有较好的动态响应和良好的跟踪效果,能基本满足田间导航的作业需求。     

接触式拖拉机导航控制系统

为提高接触式拖拉机导航系统性能和导航精度,针对玉米秸秆行间作业,设计了双层控制器接触式导航控制系统.在分析接触式导航传感器检测信号的基础上,以触杆转角为输入、前轮目标转角为输出设计了模糊控制器作为导航控制的上层控制.下层控制针对电液系统的非线性,采用带非线性补偿的PID控制器实现对拖拉机前轮转向角的控制.该导航控制方法在Matlab/Simulink平台上进行了仿真,导航控制系统在秸秆行间进行了试验验证.仿真和田间试验结果表明,导航控制算法的响应快、稳定性好.当行驶速度不超过1 m/s时,拖拉机导航精度在50 mm以内,平均误差15 mm,能满足玉米秸秆行间作业要求.     

拖拉机导航系统中转向操纵控制精度的试验研究

转向操纵控制系统执行效果的优劣决定了导航车辆工作的准确性和稳定性。为此,以试验的方法对现有导航系统中转向操纵控制平台进行硬件测试、角度传感器标定、步进电机测试和角度传感器精度测试试验,提出从硬件上提高精度的方法。同时,根据转向操纵控制器中执行机构步进电机存在的小角度难以响应的问题,进行了控制电路设计和仿真,实现了对小角度信号的快速响应,为提高导航操纵控制器精度提供了思路。     

基于全站仪的插秧机卫星导航作业精度检验方法

由于田间作业环境复杂,插秧机卫星自动导航工作时GPS数据不能准确反映秧苗位置,达不到相应的作业要求。为此,提出一种利用全站仪检验秧苗路径的方法,检验插秧机的作业精度。通过研究全站仪单点静态测量所获取的秧苗点数据,得到秧苗路径的直线度和秧苗路径的对行精度,进而评估插秧机的作业精度。对相关数据进行分析可得:秧苗路径直线度的最小值和最大值分别为3. 08、4. 93 cm,最小和最大均方根误差分别为4. 299、6. 263 cm;秧苗路径的对行精度最小值和最大值分别为5. 17、15. 53 cm,最小和最大均方根误差分别为4. 29、5. 43 cm。结果表明,该方法可实现对农机田间自动导航作业精度的量化评估。     

基于DGPS与双闭环控制的拖拉机自动导航系统

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准确定位,以电控液压转向系统实现转向控制。分析了整体控制的策略,建立了路径跟踪的传递函数模型,阐述了双闭环转向控制算法的建立过程,以及控制器的硬件实现。试验结果表明:GPS定位数据经过校正后,平均偏差降低至0.031 m;双闭环控制算法提高了自动转向系统性能,稳态时方波信号以及正弦波信号的跟踪误差平均值为0.40°;在拖拉机田间作业跟踪过程中,路径跟踪误差平均值不超过0.019 m,转向轮偏角跟踪误差平均值为0.43°,标准差不超过0.041 m。     

大型拖拉机全液压自动转向系统设计

针对目前农用拖拉机在工作过程中转向操作费力、驾驶员劳动强度高的现象,在原拖拉机人工驾驶液压转向系统的基础上,设计了一种自动控制的液压转向系统。该系统通过电磁换向阀及反馈信号的通断实现拖拉机转向定量与变量系统的转换,进而实现人工操作和无人驾驶的自由切换。自动控制系统的导航信号采用具有GPS、GLONASS和北斗三个导航系统的基站,在工作时控制系统自动选取信号较强的导航系统,实现了位置信号准确。     

农机自动导航控制决策方法与软件系统

为实现农机自动导航控制，兼顾系统成本和作业效率，对农机自动导航控制决策方法进行了研究，并设计开发了一种导航软件系统。首先，系统根据获取的农田边界、农田形状及作业需求进行路径规划。其次，采用简化二轮车运动学模型，采用模糊控制进行导航决策控制，模糊控制器的输入参数为农机横向偏差和航向偏差，输出参数为前轮转角信息。最后，导航系统根据转角信息，由PLC控制器控制方向盘转动，从而实现导航控制。导航软件采用模块化设计思想，由串口数据通讯、数据分析与处理、数据与图形显示和数据存储4个模块构成，基于C++/MFC语言编写实现。系统还可在导航结束后，对导航偏差数据进行保存，便于试验后进行误差分析。试验结果表明：农机自动导航控制决策方法可以实现较好的控制精度，软件系统界面友好、通讯稳定、功能较为齐全，满足农机田间自动导航作业的需求。     

小麦种行肥行精准拟合变量施肥控制系统研究

针对黄淮海地区化肥施用过量和肥料利用率低的问题,基于GNSS拖拉机自动导航技术和液压控制技术,提出一种小麦种行、肥行精准拟合的新模式,设计了一种小麦种肥精准拟合变量施肥控制系统。通过安装在拖拉机上的自动导航系统进行施肥作业,记录导航线和施肥作业轨迹,根据机具幅宽和肥(种)管位置分布,对施肥导航线进行平移,从而完成导航播种作业,同时记录播种导航线和播种作业轨迹,实现种行、肥行精准对行作业。小麦种行、肥行精准拟合变量施肥控制系统可以根据用户设置的目标施肥量,实时计算液压电动机目标转速,同步将目标转速指令发送给施肥控制器,控制器根据光电编码器反馈的电动机转速信号,调节电液比例阀开度,进而驱动液压电动机带动排肥执行机构进行排肥,实现液压电动机转速的闭环控制,一次完成带施、旋耕、深层条施的同步变量施用。田间试验结果表明,种、肥精准对行误差最大为6 cm,误差在3 cm以内占90%以上,完全满足黄淮海地区宽窄行种植模式下的作业需求;浅层排肥量最大误差为2. 70%,变异系数最大为0. 05;深层排肥量最大误差为7. 95%,变异系数最大为0. 08,完全满足田间试验需要。田间试验设置常规施量、减量12%施肥二水平三重复,测产结果表明,与常规施肥3 900 kg/hm~2的产量相比,减量12%施肥的产量达到3 945 kg/hm~2。