机滚船犁耕作业的转弯稳定性研究

为了解决机滚船犁耕作业转弯时的横向倾翻问题,采用理论计算与水田试验相结合的方法,通过对机滚船犁耕作业时的运动学和动力学分析,从稳定性角度出发,建立数学模型。经过分析和计算,求出了机滚船犁耕作业时最小转弯半径的关系表达式,将其运用到1BG-0.9型带铧式犁机滚船上,计算出了该机滚船的最小转弯半径。通过水田试验,确定了该机滚船转弯时不发生横向倾翻的最小转弯半径和最大转向角,保证了其转弯稳定性。研究结果为该类机滚船的设计开发提供了充分的理论依据。     

小型无线遥控和实时配药喷施机的研制

为解决某些需要小型质保机械作业,而人工喷施农药工效较低且喷施过程中农药对操作人员身体的危害等问题,该文设计了以单片机为处理核心的无线遥控农药喷施机,并采取边喷施边配制的工作方式。该喷施机由蓄水箱、喷施系统、喷杆调节系统、行进系统、供电系统、无线遥控系统等组成,样机机身质量约为41.5kg,并对样机进行测试。测试结果表明,该农药喷施机行进速度最快可达1500m/h,性能平稳且可靠,最大可喷施面积为8000m2/h(而传统的手工喷施面积为1000～3000m2/h),喷施工效约是人工喷施的2～3倍,且通过远距离遥控完成喷施过程,保证了操作人员的安全,又因边施边配可避免喷施药液配制过多而造成农药的浪费及对环境的污染。     

无线遥控步行插秧机的设计与试验

无线遥控步行插秧机有广阔的市场前景和应用价值,在不借助人力的情况下,田间地头原地180°转向是一大难题.为此,作者发明了一种具有升降功能的辅助行走机构,在田间地头借助大幅度升降功使浮板能够完全脱离泥面,减少转向阻力.在分析了该机构的结构特点及工作原理基础上,建立了机构的运动学模型,开发了基于Visual Basic6.0的计算机辅助优化设计与分析软件,并结合"参数导引"启发式优化算法快速优化求解得到满足辅助行走机构工作要求的一组参数,基于优化所得参数进行结构设计,并进行了物理样机加工试制与装配.同时,开发了末端气动执行系统和基于串口通信的无线遥控系统.在规格为10m×20m,泥脚深度为15~25cm的水田中进行田间试验,将插秧机的行走速度设定为0.45和0.90m/s,试验结果表明,在无线遥控状态下,该机型可以完成插秧、直线行驶、全自动90°转向和田间地头原地180°转向.辅助行走机构和控制系统满足无线遥控步行插秧机在田间正常作业要求,验证了机构和控制系统的可行性.     

高地隙施药机自动驾驶系统研制与试验

针对农业自动导航、电动自动转向、农机自动控制、精量施药控制等关键技术的集成应用问题,该研究以高地隙喷杆喷雾机为平台,基于机电液一体化控制与软硬件标准化,研制了用于高地隙施药机的自动驾驶系统。根据底盘机构和工作原理设计了电控执行机构,实现发动机启停、转向、油门调节、车速调节、液泵启停、喷杆伸缩的自动控制。设计了基于CAN总线的整车通信控制网络,实现手动遥控和自动导航2种模式的自由切换。设计了基于姿态测量的定位误差校正方法,补偿导航定位过程中因机体倾斜造成的位置测量误差,提出地头转弯过程中的直线作业路径规划方法,以提高调头的准确性并保证邻接行的上线精度。在验证自动操控机构和通信控制网络稳定性的基础上进行了手动遥控和自动导航的对比试验。结果表明:作业速度3.6km/h时,遥控操作和自动导航2种模式下横向偏差最大值分别为20.81和8.84 cm,航向偏角最大值为7.86°和2.48°、横向偏差的均方根误差最大值为7.47和4.66 cm。该研究设计的高地隙施药机自动驾驶系统能够实时准确执行手动遥控和自动导航2种模式下的操作指令,自动导航模式下的路径跟踪精度较高,满足田间施药作业需求。     

东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统

该文在东方红X-804拖拉机上开发了基于RTK-DGPS的自动导航控制系统。系统主要包括RTK-DGPS接收机、导航控制器、转向操纵控制器、电控液压转向装置和转向轮偏角检测传感器。其中转向操纵控制器、转向轮偏角检测传感器和电控液压转向装置构成转向轮偏角的闭环控制回路,该回路可根据导航控制器提供的期望转向轮偏角实现偏转角的随动控制。将拖拉机运动学模型和转向操纵控制模型相结合,建立了拖拉机直线跟踪的导航控制传递函数模型,模型的输入是横向跟踪误差,输出是期望的转向轮偏角。设计了基于PID算法的导航控制器,仿真分析了系统稳定性和动态响应性能,确定了PID控制参数的较佳取值。针对东方红X-804拖拉机转弯半径大的特点,采用跨行地头转向控制方式,提出了具体的控制流程及算法。田间试验结果表明：采用所设计的DGPS自动导航控制系统,在拖拉机行进速度为0.8 m/s时,直线跟踪的最大误差小于0.15 m,平均跟踪误差小于0.03 m,所提出的跨行地头转向控制方法对试验拖拉机具有良好的适用性。     

基于GNSS姿态与电机编码器的农机转向角度测量系统研制

典型的农业机械自动驾驶系统需要在车辆转向轮上安装角度传感器测量转向角度,存在安装不便与可靠性差问题。该研究提出一种基于GNSS模块和电机编码器组合的转向轮转向角度测量系统。该系统通过组合利用GNSS姿态测量值与运动模型得到转向轮期望角度,利用电机转向速度和全液压转向阀的传递模型推算转向角度变化值,经卡尔曼滤波融合解算得到车辆转向轮的实时转向角度。与霍尔式绝对角度传感器对比的动态测试结果表明,该系统在直线行驶时的测量标准方差小于0.91°,在转向轮-10°～+10°区间,测量标准方差小于1.0°;直线自动驾驶作业时的导航误差小于2.5 cm,曲线作业自动驾驶的导航误差小于9.0 cm,满足农机自动调头等场景应用。     

毒饵喷撒机排毒饵控制系统的设计及试验

毒饵喷撒机作业过程中,经常会出现落料器堵塞或排毒饵器卡滞等现象,若该现象未能及时发现和排除,会影响毒饵喷撒机的正常工作。为了提高毒饵喷撒机适用性和整体工作性能,该文在原毒饵喷撒机相关研究的基础上,设计了一套全新的排毒饵控制系统,包括自动控制系统和手动遥控系统。自动控制系统对毒饵喷撒机的工作运行状态进行实时监测和故障的准确报警,手动遥控系统方便维修检查,从而实现了排毒饵器的实时控制,提高了毒饵喷撒机的工作性能,为实现草原鼠害防治机械智能化作业提供参考。     

基于Labview的遥控无人机操控测试系统

该系统利用航姿参考系统IG-500N采集无人机实时飞行状态信息,通过无线数传模块传输至地面PC机。飞行状态信息包括:三轴姿态角、三轴加速度、三轴角速度、三轴速度、GPS经纬度、GPS海拔高度、温度和气压等信息。之后利用Labview设计的程序分割提取各个测试项目所对应的数据信息,并计算对应测试项目的用时、位置偏差和姿态稳定行,进而得到遥控无人机操控水平指标,导入生成测试报告。用于评估操控手在操控无人机起飞、航线飞行、定点悬停和降落过程中的操控水平。试验结果表明测试系统可靠。该研究可用于为无人机操控手的水平评估和自主飞行无人机的飞行性能优化提供参考。     

FP2500A型有机肥翻抛机的研制(简报)

论述了FP2500A型有机肥翻抛机的整体配置、工作原理、技术特点以及关键部件结构设计与参数选定等,所述翻抛机主要由翻抛粉碎系统、作业驱动系统、行走系统、操控系统和机架等组成,其翻抛粉碎系统采用卧式双向对置、组合链动刮板抛送粉碎结构,行走系统采用电力四轮驱动自走式结构;生产试验结果表明该设备具有作业顺畅、运行可靠、效率高、自平衡性能高等特点,实际处理能力155m3/h,翻堆宽度2500mm,翻堆高度850mm,可翻抛的最大团块直径120mm;翻抛后料粒直径小于20mm。     

基于CAN总线的分布式插秧机导航控制系统设计

为了提高插秧机自动导航系统的可靠性,设计了一种基于CAN总线的分布式控制系统。系统由1个主控节点和3个从节点组成。主控节点采用AT91SAM9261 ARM处理器,负责根据RTK GPS数据和电子罗盘数据决策适当的控制指令;3个从节点选用C8051F040单片机,分别实现转向控制、变速控制以及插秧机具升降控制;并根据CAN2.0总线协议,制定了插秧机自动导航系统主从节点数据传输通信协议。控制系统在久保田SPU－68型插秧机上进行了道路跟踪试验和田间作业试验,结果表明,采用基于CAN总线的嵌入式分布式导航控制系统保证了数据实时传输,插秧机能够自主完成路径跟踪、转向、变速以及插秧等操作。其中道路直线跟踪误差小于0.05 m,田间作业试验直线跟踪误差不大于0.2 m,插秧行距为30 cm,能基本满足水田插秧作业要求。     

农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统设计与试验

针对一般农用轮式机器人转向方式单一、难以适应田间复杂作业环境以及推广应用成本较高等问题,该文设计了一种农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统,采用模块化设计方法构建了该控制系统的底层硬件部分,结合控制器局域网络(controller area network,CAN)总线、串口通讯和传感器技术实现了该机器人移动轮转角、转速等数据的采集功能且应用了有效的硬件电路隔离保护方案;基于低速阿克曼四轮转向模型与比例积分微分(proportion,integration,differentiation,PID)控制算法分析并验证了该机器人四轮独立转向驱动控制策略的有效性。试验结果表明:该机器人能够通过上位机或遥控器实现其四轮独立转向与转速控制功能,移动轮在0~360°转向过程中,控制效果鲁棒性强、稳定且转角控制的最大平均绝对误差为0.10°,通过上位机设定转速后经0.5~1 s左右,移动轮转速达到稳态,并具有较高转速控制精度。该研究为农用轮式机器人的四轮独立转向驱动控制方法提供了参考。     

拖拉机电控液压动力转向系统的研究

以铁牛654l拖拉机为实验平台设计了一种电控液压动力转向系统,提出了双通道PD控制方法,利用目标转角和实际转角的偏差作为控制器输入,控制器通过判断左右转向调整PD控制参数以补偿转向油缸的不对称性对转向系统造成的影响,从而使左右转向获得相同的转向特性。台架试验结果表明：该方法很好的解决了转向油缸不对称造成的左右转向不对称问题。提高了系统的稳定性,控制精度和快速响应特性,可以作为自动或辅助驾驶车辆的转向执行机构。     

桁架式可移动作物生长远程监控系统设计

针对固定式图像采集设备终端在实时采集过程中存在的采集角度和范围有限等问题,研究开发了一种固定桁架式地面移动多点作物图像远程获取系统。系统采用网络摄像机和电动变焦镜头作为图像摄取设备,通过全方位智能控制云台、螺旋四杆机构和水平滑块导轨机构的设计与选型,建立了作物图像摄取设备的水平移动、垂直移动、360°空间转动、俯仰运动等子系统。开发了远程控制软件,建立了作物图像数据库和远程管理系统,实现了监测区域内所有植株不同部位图像信息的远程控制获取和管理。系统在温室中进行了运行测试,运行正常可靠。该系统可为作物远程在线水肥诊断提供了一种空间移动多点实时监测和远程管理平台。     

线性时变模型预测控制器提高农业车辆导航路径自动跟踪精度

为提高农业车辆导航路径自动跟踪精度,提出一种基于线性时变模型预测控制的路径跟踪方法。该方法将农业车辆非线性运动学模型线性化和离散化处理,作为控制器预测方程;建立以系统控制增量为状态量的目标函数,为防止无可行解,引入松弛因子;设计系统控制量、控制增量和状态量约束条件,并将目标函数求解转为带约束的二次规划问题;采用内点法进行求解,将求得的控制输入增量第一个元素作用于系统;重复以上过程,实现优化控制。基于Matlab/Simulink平台进行了模型预测控制器设计,并分别进行了导航坐标系下的直线和圆形路径跟踪试验。结果表明,所设计的控制器能够实现直线路径的完全跟踪(误差始终为0);跟踪圆形路径时,1 m/s时的横向平均跟踪误差为7.5 cm,3 m/s时的横向平均跟踪误差为10 cm;整个跟踪过程,前轮转角始终被限定在约束范围内。不同控制器参数下的仿真结果表明,增大预测时域和控制周期能够减小跟踪误差和前轮转角变化幅度,控制时域的变化对控制器路径跟踪响应速度影响较小。同时基于设计的模型预测控制器进行了场地试验。结果表明,试验小车以1m/s的速度跟踪直线路径时,横向最大误差均值为1.622 cm,横向平均误差均值为0.865 cm;跟踪圆形路径时,当行走速度低于1 m/s时,横向最大误差小于10 cm。     

基于PLC的液压无级调速变量施肥控制系统的研究

设计了以PLC为控制核心、液压马达为执行机构的变量施肥控制系统。该系统由PLC控制器、信号采集单元、液压传动控制组成,通过使用step7-Mico/win32 V3.2编程软件实现了手动控制、GPS导航定位和无GPS定位三种变量施肥工作模式,并对其进行了控制精度试验。试验表明：在机具速度为6km/h,施肥量为300~1280kg/ha范围内时,马达转速的系统控制误差≤8%。     

轮式农业机械自动转向控制系统研究

以日本久保田SPU－60型插秧机为对象进行轮式农业机械自动转向控制研究,提出了基于速度的自适应PD控制方法,利用航向偏差作为控制器输入,控制器可根据插秧机行进速度在线调整其PD参数,进而输出前轮期望偏角。仿真和试验结果表明,该方法可以较好地适应农业机械作业速度的变化,提高其转向的快速响应特性和稳定性,航向跟踪效果好。该研究为进一步开展轮式农业机械自动导航控制研究提供了依据。     

拖拉机自动转向最优控制方法的研究

该文讨论了拖拉机自动驾驶(自动转向)控制点的选择，并且在此基础上建立了拖拉机跟踪直线行驶时的运动学与动力学模型，分别对基于这两种模型的拖拉机自动驾驶最优控制方法进行了研究，分析了参数选择对控制方法的影响。由于拖拉机是一个具有大延迟、高度非线性的复杂系统，为了减少试验确定参数时的试凑次数，提高其最优控制参数的整定精度，提出一种融合运动学与动力学模型各自特点的控制参数的确定方法，对拖拉机自动驾驶试验时控制参数的整定具有指导意义。结果表明，所提出的方法用于拖拉机自动驾驶是可行的。     

基于模糊控制的三轴车辆全轮转向性能仿真

为了提高三轴车辆在极限工况下的稳定性,充分考虑轮胎的非线性特点以及车辆转向过程中轮胎垂直载荷的转移情况,建立了三轴车辆全轮转向的非线性二自由度整车动力学模型,以车辆的质心侧偏角为零为控制目标,基于模糊控制理论,采用前馈加状态反馈的控制方法设计了零质心侧偏角比例前馈加质心侧偏角反馈的全轮转向模糊控制系统,最后利用MATLAB/Simulink建立了该控制系统的仿真模型,对控制系统在车辆极限转向工况下的控制性能进行了仿真验证。结果表明,全轮转向模糊控制方法可使三轴车辆的质心侧偏角基本为0,横摆角速度和侧向加速度均能很快达到稳态值,因而可有效防止车辆在极限转向工况下发生侧滑失稳,可显著提高车辆的主动安全性。