基于网络平台的植保无人机通信系统设计

以提升植保无人机的通信系统性能、改善无人机作业效率为目标,结合先进数据传输网络平台技术,对其通信系统进行了设计。在植保无人机通信系统运行原理的基础上,搭建基于网络控制与传输平台的通信模型并增设控制补偿模型,根据实现功能目标需求,针对系统进行软件模块功能设计与硬件架构配置,形成完整的植保无人机地面监控与机体飞行通信系统并进行通信试验。试验结果表明:该植保无人机通信内部数据处理丢包率、系统通信强度、无人机作业通信距离等指标均得到改善,系统有效通信距离大幅度提高,系统收发数据信号反应灵敏度较一般传统通信提高21%,系统平均丢包率由1.5%可提升至1.36%,并实现了分级、分功能的数据准确传输与显示,为无人机进行远距离作业提供通信数据传输控制便利,可为类似农机设备通信系统优化提供参考。     

基于聚类算法的农用无人机远程监控系统研究

为进一步提高我国农用无人机远程监控系统数据监测的精准性,引入基于网格与密度的聚类算法对其进行设计。充分考虑农用无人机作业特点,以监控系统数据技术特征为切入点,融入聚类算法模型进而形成远程监控系统的数据流标准传递途径,设计整体监控系统组件与程序并进行试验。试验结果表明:传统算法控制的无人机远程监控系统机体往返距离和往返时间较长,航线轨迹偏离为0.44m,而聚类算法监控下的机体航线轨迹偏离可缩小至0.17m。聚类算法在数据计算精度、信息获取时限、状态反馈等方面具有很好的优越性,大大降低了数据传输误分率。该远程监控系统界面更加人性化,可实时准确显示飞行速度与航角等信息,为操作者灵活操纵无人机提供便利,具有较好的推广价值。     

无人机RTK测绘技术在农业生产中的应用

无人机的应用可以帮助农业生产人员监测大面积的农作物,生成清晰的影像数据,分析农作物的生长状态和病虫害情况,保障农作物的健康成长,提高产量和质量。基于此,笔者概述了地形的三维模型重建技术,分析了无人机RTK测绘的硬件系统和软件系统的构建,探讨了无人机RTK测绘技术在农业生产中的具体应用情况。研究结果表明,无人机RTK测绘技术的监测精度符合要求,能够监测复杂的地形,提高对农作物监测的准确性和安全性。     

基于力传感器重力补偿的机器人柔顺控制研究

基于力觉控制的机器人运动系统能够通过感知外界环境的接触力,实现机器人作业过程中对力和位置的双重控制。为了提高机器人对接触力的感知精度,实现准确的柔顺控制,提出一种基于力传感器重力补偿的机器人柔顺控制方法。首先,通过调整机器人末端姿态,采集机器人不同位姿下力传感器数据,计算机器人底座安装倾角、力传感器零点数据、末端工具重力及重心坐标等参数;然后,利用机器人姿态变换矩阵,实现对力传感器的重力补偿,为机器人柔顺控制提供准确的受力感知;最后,采用导纳控制,实现机器人对物体的抓取搬运。进行了力传感器重力补偿实验及机器人柔顺放置实验,结果表明,该方法能够提高机器人对外界环境感知的精准度,实现精准的机器人柔顺控制。     

基于多速率卡尔曼滤波的植保无人机仿地飞行方法

针对四旋翼植保无人机坡地适应性差、作业时定高精度低的问题,提出了一种融合立体视觉、气压计及惯性测量单元(IMU)的多速率卡尔曼滤波估计无人机高度的仿地飞行方法。首先基于无人机实时高度、姿态与最佳视觉检测区域之间的关系,提出了视觉检测区域自适应算法;然后融合多传感器信息建立多速率卡尔曼滤波模型用以估计无人机对地高度;最后通过自主飞行实验对无人机高度估计算法与仿地飞行方法进行验证。实验结果表明,当飞行高度为2 m,飞行速度为1、2、3 m/s时,植保无人机在平坦地面与15°缓坡区域均可实现高度估计平均绝对误差小于20 mm,高度估计标准差小于30 mm;高度控制平均绝对误差小于30 mm,高度控制标准差小于30 mm;本文验证了植保无人机在地形变化场景下仿地飞行的有效性,为植保无人机在复杂地形自动化作业奠定了基础。     

直线型植保无人机航姿UKF两级估计算法

针对直线型植保无人机航姿测量受磁场干扰严重、磁力计校准动态性能差、航姿估计精度低等问题,提出了一种基于磁力计实时校准的无人机航姿两级解算方法。依据地磁场矢量变化小的特点,利用列文伯格-马夸特（Levenberg-Marquardt,LM）算法和磁力计误差模型,建立磁力计实时校准模型,实时计算磁力计误差参数。考虑运动加速度、电机磁场以及环境磁场干扰,采用无迹卡尔曼滤波器（Unscented Kalman filter,UKF）融合陀螺仪和加速度计实现一级航姿估计,通过四元数精准解析出横滚角和俯仰角姿态信息;然后融合磁力计实时校准数据和陀螺仪修正航向角完成二级航姿估计,最终实现无人机姿态和航向的精准估计。试验结果表明,在外部磁场干扰高达30.97μT时,实时校准算法仍可快速计算出磁力计校准参数,模长均方根误差为0.59μT,减小了航向观测信息噪声。本文的航姿测量系统姿态角均方根误差不大于0.75°,航向角均方根误差为1.40°,较互补滤波算法,姿态角精度提高约0.6%,航向角估计精度提高1.38°;动态飞行试验中,姿态估计算法大幅减弱了磁干扰影响,航姿跟踪准确,航向角快速收敛,稳态精度更高。     

移栽机自适应仿形系统研究与试验

为提高移栽机的仿形精度,对其自适应仿形系统进行了设计。使用水平倾角传感器和位移传感器分别测定水平姿态和离地间隙,以电动推杆作为执行元件实现自适应仿形。为验证自适应仿形系统作业效果,设计了液压试验台并对液压系统进行了仿真,结果表明:压力补偿系统确保了液压缸的速度稳定可控。对自适应仿形系统进行了试验,结果表明:水平倾角正向最大值和负向最大值分别为1.40°和-0.86°,水平倾角误差绝对平均值为0.54°,垂向位移误差最大值为7.85mm,垂向位移误差绝对平均值为4.91mm,满足自适应仿形系统的使用要求。     

水田自走式喷雾机喷杆自动调平系统设计与试验

为提高水田自走式喷雾机喷施作业均匀性,设计了喷杆自动调平系统,包括自动调平机械结构、喷雾机车身倾角传感器和控制器,以及车身倾角传感器和控制器的硬件系统和软件系统,并研究了对加速度计和陀螺仪数据进行融合的卡尔曼滤波算法和喷杆自动调平PID控制算法。以井关JKB18C型喷雾机为平台,采用叉车调节喷雾机车身倾斜角度,用2台MTI-300高精度惯性传感器分别测量喷雾机车身和喷杆倾角,并进行了测试试验。结果表明:随着车身倾角变化速率的增加,喷杆倾斜角度的平均绝对误差、均方根误差和最大误差增大,平均绝对误差最大为0. 90°,均方根误差最大为1. 39°,最大误差为1. 70°,车身倾角变化速率对喷杆控制精度影响较大。为检测喷杆自动调平控制系统的田间作业性能,采用双天线RTK-GNSS导航定位系统测量喷雾机作业过程中喷杆水平倾角,并进行了田间试验。试验结果表明:喷杆相对于水平面的平均绝对误差最大为0.79°,均方根误差最大为0. 85°,最大误差为1. 70°,喷杆自动调平控制系统可以有效地控制喷杆的水平姿态。     

单旋翼植保无人机喷杆悬架机构设计与分析

传统单旋翼植保无人机其喷杆固定在悬架上,作业时随无人机飞行姿态变化,喷杆倾角也发生相应的变化,为研究其对喷雾效果的影响程度,改进喷杆连接方式是研究的首要任务。根据建湖田间试验采集得到的单旋翼植保无人机飞行姿态谱,采用欧拉角法和四元数法解算出单旋翼植保无人机在作业过程中pitch方向的角度变化范围为-18°～18°,roll方向的角度变化范围为-15°～14°,并根据机身姿态变化范围、无人机机身结构和最佳旋翼风场条件建立喷杆悬架机构模型,其中对喷杆角度调节范围进行合理放大,时roll方向的角度调节范围为-20°～20°,pitch方向的角度调节范围为-30°～30°。使用ANSYS workbench对机构模型进行静力学分析和模态分析,在静力学分析中得到机构的最大应力发生在俯仰支架上,且最大应力为13.33 MPa,而铝合金的许用应力为280 MPa,表明结构满足要求;在模态分析中可以得出,从第5阶开始机构的固有频率明显增大,从振型云图上可以看出除喷杆的最大变形为60.153 mm,而其他连接结构变形较小,满足振动要求。     

植保无人机飞控系统与航线规划研究进展分析

应用无人机开展植保作业是有效防治病虫害的重要途径。本文对植保无人机行业发展和相关应用研究进行了综述,分别从植保无人机飞控系统、单机作业航线规划、多机作业调度场景及优化方法 3个角度进行了阐述,以增强植保无人机作业效果与提高作业效率为目标,分析了植保无人机飞行控制系统及航线规划与调度的研究现状。针对植保无人机因作业精度要求高而导致其飞控系统制造成本高的问题,提出应研发低成本、高精度、可适应植保无人机作业需求的测姿器件,开发相应的姿态估计算法;针对植保无人机航线规划、优化调度模型与实际作业需求不匹配的情况,总结了单机作业航线规划与多机调度优化场景、约束条件与优化方法。最后,提出应研发植保无人机自动补给平台,构建基于多机协同的作业管理与调度优化模型,以增强植保无人机在复杂作业环境中的作业效果,提高作业效率。     

机载式农田三维地形测量系统设计与试

设计了一种机载式农田三维地形测量系统.该系统主要由激光测量接收器、GPS接收机、控制器和液压系统等组成,除了可以进行地形测量外,系统还可以实现激光平地作业.其测量原理是利用测量接收器获取测量点的高程信息,利用GPS接收机获取测量点的平面位置信息,将两者在控制器中进行数据融合,从而得到测量点的三维地形信息.在田间试验条件下,对机载式农田三维地形测量系统进行了不同行进速度下的试验研究,并与采用定点测量方法获取的数据进行了比较.试验结果表明,该系统在低速行驶条件下与定点测量方法具有较好的一致性.     

农机驾驶座椅水平调节系统设计

针对地表不平时驾驶座椅倾斜,影响作业安全、危害驾驶人员身体健康等问题,采用机电一体化技术,设计了一种依据农机作业时横向倾斜程度自动调节驾驶座椅的水平调节系统,该系统采用两个倾角传感器分别用以采集座椅和机身的倾角信息,作为调平和报警的依据。试验表明:该系统能够依据农机座椅的横向倾斜度,在2°～13°范围内横向自动调节,使驾驶座椅保持水平。     

基于人机工效学的农机座椅自动调平系统设计与试验

针对拖拉机在高低垄犁地作业过程,驾驶舱倾斜导致驾驶员坐姿变化,影响驾驶员乘坐舒适性的问题,设计了结构紧凑的座椅椅面调平机械装置,并基于单片机开发了调平装置控制器,调平精度为0.67°。为了提高调平过程中驾驶员的乘坐舒适性,搭建了模拟拖拉机座椅倾斜状态试验台,研究了试验台中座椅倾斜不同角度情况下对驾驶员上躯干姿态的影响。试验结果表明人体胸椎和腰椎投影偏移随着座椅倾斜角度的增加而增大,但座椅倾斜3°时投影偏移远小于倾斜5°时投影偏移,由此确定座椅调平系统工作阈值为3°。通过主观评价试验,确定座椅调平的速度为6~8mm/s时,驾驶员的舒适性较高。在东方红LX754型拖拉机上开展实车试验,结果表明,座椅调平后驾驶员的腰部受力更加均匀、调平系统对于驾驶员的操作性及适应性有促进作用,验证了该系统的实用性。     

基于人机工效学的农机座椅自动调平系统设计与试验

针对拖拉机在高低垄犁地作业过程,驾驶舱倾斜导致驾驶员坐姿变化,影响驾驶员乘坐舒适性的问题,设计了结构紧凑的座椅椅面调平机械装置,并基于单片机开发了调平装置控制器,调平精度为0.67°。为了提高调平过程中驾驶员的乘坐舒适性,搭建了模拟拖拉机座椅倾斜状态试验台,研究了试验台中座椅倾斜不同角度情况下对驾驶员上躯干姿态的影响。试验结果表明人体胸椎和腰椎投影偏移随着座椅倾斜角度的增加而增大,但座椅倾斜3°时投影偏移远小于倾斜5°时投影偏移,由此确定座椅调平系统工作阈值为3°。通过主观评价试验,确定座椅调平的速度为6～8 mm/s时,驾驶员的舒适性较高。在东方红LX754型拖拉机上开展实车试验,结果表明,座椅调平后驾驶员的腰部受力更加均匀、调平系统对于驾驶员的操作性及适应性有促进作用,验证了该系统的实用性。     

丘陵山地拖拉机机身自平衡机构稳定性分析

针对丘陵山地拖拉机坡地适应性差,易翻倾,通过性差等问题,设计一种具有自动调平机构的504型丘陵山地拖拉机。整机采用机械传动,四驱轮式行走系统,两侧独立传动转向系统,平行四杆自动调平机构,可实现拖拉机姿态自动仿形调平。基于SolidWorks对拖拉机进行整机三维建模,运用ADAMS软件对虚拟样机进行侧倾稳定性动态仿真分析。结果表明: 自动调平机构调平动作范围732 mm,可在25°的坡地上保证车身横向水平。上坡极限翻倾角及下坡极限翻倾角均为45°,上坡纵向滑移角为33.69°,下坡纵向滑移角为16°,前后驱动轮越障高度为214 mm。调平状态下车身的最大侧倾角为37.5°,与理论计算35.93°非常接近。该机前后驱动桥均可进行独立调平,保证机身始终处于水平姿态,能够满足丘陵山地生产作业要求。     

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。     

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。     

基于GNSS的农田平整定位精度优化与试验

基于全球卫星导航系统（Global navigation satellite system, GNSS）农田平整作业中,GNSS定位数据不仅是地形测量和基准面设计的基础,而且在平地作业中实时影响农田平整的精度。针对当前GNSS定位数据误差分析较少,提出一种基于联合滤波算法的GNSS定位数据分析处理方法。分析平地作业过程中GNSS定位数据的误差源,结合多路径效应和随机噪声,提出因地形起伏引起的振动误差校正方法,利用卡尔曼、小波变换联合滤波算法,校正数据误差提高定位精度,农田定位对比试验分析表明,高程定位精度明显提高,平地工作中,GNSS定位实际高度波动范围缩小20%,能够更好的指导农田平整工作。     

高地隙施药机喷杆自动调平系统设计与试验

因田间地表起伏,高地隙施药机在作业过程中车体极易发生横滚方向的倾斜,同车体刚性连接的喷杆同时倾斜,甚至与作物、地面碰触,影响喷药均匀性和作业安全性.为此基于机电液一体化控制方法,设计了高地隙施药机喷杆自动调平系统.设计电控液压调平机构,使喷杆与车体柔性联接,实现在横滚方向上喷杆与车体的相对转动.采用姿态测量方法实时检测...