基于ISO 11783的拖拉机导航控制系统设计与试

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     

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.     

无人驾驶导航控制系统设计

针对国内无人驾驶拖拉机导航控制系统的控制精度问题,设计了一种基于GPS/BDS定位系统的横向偏差跟踪算法和PID控制方式的复合导航控制算法。首先介绍了拖拉机无人驾驶系统的组成原理;其次介绍了导航控制系统算法的组成同时对拖拉机进行运动学建模,并采用横向偏差跟踪算法和PID控制方式的复合导航控制算法设计拖拉机无人驾驶导航控制器;最后仿真结果表明,该算法具有较好的横向误差控制精度,能够有效提高无人驾驶拖拉机的工作效率。     

拖拉机自动转向系统设计研究

在对自动转向系统研究方案进行详细论证的基础上,提出步进电机输出轴固定有摩擦装置,驱动拖拉机转向盘转向控制系统。该转向系统由上位机(笔记本电脑)、下位机(转向控制器)、步进电机、步进电机驱动器、角位移传感器、摩擦轮等装置组成。系统工作时,上位机调出预存的期望路径与定位传感器接收的当前位置信号进行比较,得到期望路径相对于当前位置的偏差信号,将偏差信号发送到下位机(转向控制器),通过控制算法计算得到步进电机转向和转速的控制信号从而执行转向,缩小偏差。     

基于PID控制的拖拉机自动转向系统

为了提高自动行驶车辆转向系统的控制性能,以福田欧豹4040型拖拉机为研究对象进行拖拉机转向控制系统研究,以车辆目标前轮转角和实际转角的偏差为输入变量,设计车辆转向PID控制器,通过对转向驱动电机的控制实现拖拉机转向控制.仿真和实验结果表明,所设计的控制器具有良好的快速性和准确性,能够满足拖拉机转向控制的需求.     

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。     

基于不同电机的拖拉机自动导航转向控制系统性能对比

为了提高拖拉机在农田环境中自主导航作业的控制精度,设计开发了3种基于不同类型电机的方向盘转向控制系统,在分析步进电机、伺服电机和步进伺服电机3种电机的参数及其性能差异的基础上,设计了拖拉机自动转向执行机构,并配备了工控机PC、PLC控制器、前轮转角检测机构和GNSS定位系统等设备。设计了工控机车载终端软件,能够实现自动导航的嵌套双闭环控制及相应PID控制算法,设计了控制系统的电气原理图和PLC转向程序,在混凝土路面和田间播种作业两种工况下进行了拖拉机自动导航实验。实验结果表明,当拖拉机作业速度为0. 8 m/s时,两种实验条件下,步进电机导航系统的均方根误差分别为8. 81 cm和12. 09 cm,伺服电机导航系统的均方根误差分别为4. 85 cm和10. 55 cm,步进伺服电机导航系统的均方根误差分别为4. 54 cm和5. 53 cm,步进伺服电机在方向盘转向控制系统中自动导航效果较好。     

田间轮式机器人的导航控制系统设计

设计了一种基于预瞄准纯追踪模型及模糊控制的轨迹追踪控制算法、基于液压系统及PID算法的自动转向控制系统。为测试轨迹追踪控制算法和自动转向控制系统的效果,以田间作业轮式机器人为试验平台,进行农机轨迹跟踪和转向控制试验。结果表明：轨迹追踪试验中车速为0.6m/s时,横向偏差最大为0.07m,平均横向偏差为0.05m左右;转向控制试验中,转向角响应时间不超过1.5s,超调量小于5%。     

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。     

轮式AGV沿葡萄园垄道行驶避障导航算法与模拟试验

针对轮式AGV沿葡萄园垄道循迹受到障碍物阻碍的问题,应用滚动优化原理提出了基于超声波测距与航向角检测的AGV防碰避障导航算法。采用交叉布置的8路超声波传感器检测垄道边界与障碍物,提出了同一障碍物匹配与类型判据及动态障碍物轨迹预测模型。以AGV横向位置偏差和航向偏角作为模糊控制器输入,获得AGV前轮期望导向角,为AGV绕行障碍物提供参考航向角。基于滚动优化原理提出了调节绕行偏角和调节车速的避障导航策略,设计了AGV绕行静态障碍物、减速或停车避让动态障碍物的导航算法。试验系统的上位机采用Lab VIEW开发的避障导航算法程序,实时将导航数据发送到下位机PLC来控制AGV转向。模拟试验结果表明,该导航算法实现AGV沿垄道预设路径纠偏行驶的同时,可导引AGV避免与垄道上的障碍物发生碰撞,验证了防碰避障导航算法的有效性,可为无人化轮式拖拉机等前轮导向车辆沿垄道循迹的防碰预警与避障技术提供参考。     

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。     

基于双切圆寻线模型的农机导航控制方法

针对油菜直播机组导航作业中田头换行、转弯等直线跟踪之间的衔接控制问题,设计了一种适用于2BFQ-6型油菜精量联合直播机导航的双切圆寻线模型控制方法。对初始偏差较大时拖拉机的寻线路径进行了定量分析,获得最优寻线路径的几何关系,依据该关系构建控制决策方法。所建决策方法根据拖拉机位姿状态选择相匹配的控制方程组,计算获得前轮转角以实现导航控制。进行了双切圆寻线模型参数仿真优化和性能与适应性仿真试验。使用该模型控制器进行拖拉机路面导航试验,结果表明:当行驶速度为0.7 m/s,拖拉机与目标直线初始横向偏差为7 m,初始航向偏角为90°时,控制器横向偏差响应的超调量不超过3%,上升时间小于14 s,调节时间不大于19 s,较纯追踪模型方法的超调量和调节时间更小;田间和路面试验结果表明:该模型控制方法对2BFQ-6型油菜精量联合直播机导航作业过程中的对行播种起始位姿调整和套行作业自动转弯操作具有指导价值。     

基于神经网络PID的丘陵山地拖拉机姿态同步控制系统

针对现有丘陵山地拖拉机姿态调整精度和可靠性难以满足实际使用需求的问题，基于神经网络PID算法设计了丘陵山地拖拉机车身和机具姿态同步控制系统。根据车身和机具不同的姿态调整要求，设计了相应的控制系统，并对其进行动力学建模，进而采用了基于神经网络PID的同步控制算法。以常规的PID控制算法作为对照，进行了仿真分析，仿真结果表明，基于神经网络PID算法的同步控制系统有效，且控制性能优于PID控制算法。在固定坡度路面和随机坡度路面上进行了作业试验，结果表明，其于神经网络PID控制算法的精度和稳定性均优于PID控制算法：在固定坡度路面上，车身横向倾角最大误差为0.8640°，左右摆角绝对值差最大误差为0.9600°，机具横向倾角最大误差为0.6497°；在随机坡度路面上，车身横向倾角最大误差为2.8740°，左右摆角绝对值最大误差为4.2800°，机具横向倾角最大误差为1.7620°。说明本文提出的方法具有较好的控制精度和稳定性，能够满足丘陵山地拖拉机的实际使用需求。     

基于最优控制的导航拖拉机速度与航向联合控制方法

为提高自动导航拖拉机工作效率和作业质量,以自动变速系统和自动转向系统为硬件支撑,结合最优控制理论,设计了基于速度和转向角的双参数最优控制算法.针对耙地作业要求,设计了直线路径跟踪与地头转弯路径跟踪控制器,运用Matlab软件对所设计的控制器进行了仿真分析,通过田间试验对所设计的控制器进行了验证.试验结果表明:控制器的横向偏差小于0.12m,航向偏差小于1.1°,速度偏差小于0.2 m/s,满足自动导航作业要求.     

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。     

太阳能渠道式喷灌机自主导航研究

以自行研制的太阳能渠道式多喷头喷灌机为试验平台,利用偏角传感器和电子罗盘进行农业机械装备的自动导航研究。增加了喷灌机精准灌溉控制系统、喷洒域可控系统,实现了喷灌机的自动控制。根据偏角传感器、电子罗盘和车轮转速传感器获取的喷灌机姿态信息,构建了喷灌机自主导航模糊控制器。喷灌机通过调节两侧驱动轮转速差的方式实现转向闭环控制,完成了喷灌机沿渠道的自动行走,并进行了导航跟踪试验。试验结果表明,喷灌机在以0.5 m/min和1.0 m/min速度进行自主导航过程中均能消除横向偏差,具有一定的精度和可靠性,可满足喷灌机作业使用要求。     

轮式拖拉机械诱导导航技术研究

为实现果园机械自动化,开发了一种结构简单的拖拉机机械式导航系统.以车辆的航向偏差、横向偏差和前轮转角为输入量,转向驱动电机的转速为输出量,设计了车辆直线跟踪的PID控制器.实验结果表明,当拖拉机行驶速度为0.53m/s时,最大横向偏差小于0.1m,能够满足拖拉机果园作业的要求.     

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     

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。