农机自动导航驾驶系统在苏州市的试验研究及推广建议

该文通过在苏州市开展农机自动导航驾驶试验研究,探索拓普康System 150自动导航驾驶系统应用于相关农机作业的适用性、可靠性、经济性。试验结果表明:农机自动导航驾驶系统应用于拖拉机上时,能符合自动导航RTK(±2.5 cm)指标要求,且行驶速度越快,采样点绝对偏差平均值就越大。应用于插秧机上时,深翻条件下自动导航邻接行宽绝对偏差平均值达到13.3 cm,适应性相对较差;旋耕条件下自动导航邻接行宽绝对偏差平均值均小于5 cm,作业质量相对稳定,适应性较好。使用自动导航驾驶系统可提高作业效率,实现节本增效。该技术在苏州市具有推广价值。     

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。     

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。     

基于东风1204拖拉机自动导航转向控制系统设计

以东风1204拖拉机为原型,通过分析拖拉机自动导航与车道偏离预警系统(LDWS)的异同,以LDWS转向控制模型为基础,推导出拖拉机动力学模型。通过分析液压转向机构工作原理,制定了液压自动转向机构的改装方案,并利用Sim Hydraulics工具箱搭建了液压自动转向系统模型,且基于此转向模型设计了自动导航拖拉机液压转向系统模糊控制器,在Mat Lab/Simulink中进行仿真试验。结果表明:所设计的转向系统模糊控制器具有良好的转向跟踪精度,其最大跟踪误差小于1°,控制效果良好。     

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。     

面向自动导航拖拉机的农田障碍物识别研究

实现农田障碍物的精确识别与有效避让是提高自动导航拖拉机智能化、保障作业安全的关键技术。为此,论述了基于激光测距传感器的自动导航拖拉机行进前方障碍物检测与识别方法。在自动导航拖拉机上加装LMS2 0 0激光测距传感器,构建避障测试平台,通过对激光数据解析、坐标系转换及障碍物边缘拟合,实现了障碍物方位、距离、宽度等特征信息的有效识别。针对典型农田障碍物—树木和障碍拖拉机,进行了障碍物检测试验。采用RTK-GPS接收机的定位数据标定障碍物,并进行了识别精度检验。树木的方位、距离和宽度的识别精度分别为0.5°、0.03m、0.03m。障碍拖拉机的方位、距离和宽度的识别精度分别为1.88°、0.13m、0.39m。试验结果表明:避障测试平台能够有效地识别自动导航拖拉机前方的障碍物。     

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。     

拖拉机自动驾驶监控系统软件设计

随着农业装备机械化、自动化水平的提高,推广和应用拖拉机自动驾驶技术,对提高大田耕作精度与效率,降低劳动强度具有重要意义。为此,基于Win CE嵌入式智能终端、多线程技术及CAN总线技术,在研究拖拉机自动驾驶工作原理的基础之上,设计了拖拉机自动驾驶监控软件系统,采用AB直线路径规划方法,能实时接收、显示和保存导航信息和控制拖拉机运行状态。试验测试结果表明:该系统运行稳定、通信可靠、系统实时性高,系统路径规划方法设计合理,接行相对测量误差的绝对平均值为9.7cm。     

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.     

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。     

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。     

基于深度图像和神经网络的拖拉机识别与定位方法

针对多机协同导航作业中本机前方的拖拉机识别精度低、相对定位困难,难以保障自主作业安全的问题,提出了一种基于深度图像和神经网络的拖拉机识别与定位方法。该方法通过建立YOLO-ZED神经网络识别模型,识别并提取拖拉机特征;运用双目定位原理计算拖拉机相对本机的空间位置坐标。对拖拉机进行定点识别与定位试验,分别沿着拖拉机纵向、宽度方向和S形曲线方向测量拖拉机的识别与定位结果。试验结果表明：本文方法能够在3~10m景深范围内快速、准确地识别并定位拖拉机的空间位置,平均识别定位速度为19f/s;在相机景深方向和宽度方向定位拖拉机的最大绝对误差分别为0.720m和0.090m,最大相对误差分别为7.48%和8.00%,标准差均小于0.030m,能够满足多机协同导航作业对拖拉机目标识别的精度和速度要求。     

作物数字化管理实现重大突破

<正>在国家863计划支持下,科研人员通过"智能化农机技术与装备"重大项目和"农业精准作业技术与装备"主题项目,在自动导航,种、肥、药精准施用,作物数字化管理等方面实现了重大突破。研究人员突破了农机自动导航关键技术,研发了国产化农机自动导航产品并应用转化;研制了基于电机和电液控制的自动转向驱动装置,开发了国产化农机自动导航产品,田间作业导航和直线跟踪精度控制在5 cm以内;农机自动导航技术产品的研发,打破了国外同类产品的垄断,价格降低了1/3。日前,自动导航技术产品在新疆、黑龙江、上海等地应用,与福田雷沃国际重工股份有限公司合作已开始批量生产。     

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.     

双导航模式果园运输机器人设计与试验

为解决果园苹果采后运输设备自主导航模式单一、无法在任意点起步或停车等问题,设计了一种双导航模式小型果园运输机器人,可根据需求选择行人引领导航或定点导航。根据选择的导航模式,采用基于OpenPose人体姿态识别的目标跟踪控制方法或基于RTK-GNSS(Real time kinematic-global navigation satellite system)的距离-方向控制方法,实现果园环境下的行人引领导航和定点导航。该运输机器人以额定负载为200 kg、速度为0.5 m/s的条件参数在果园自主作业时,行人引领导航模式下目标跟踪误差平均值小于9 cm,其标准差小于4 cm;定点导航模式下到达目标点的相对误差小于13 cm,其标准差小于1.5 cm,绝对误差小于7 cm,其标准差小于0.5 cm;定点导航模式下机器人急停避障的行驶路径与理想行驶路径间的横向偏差小于56 cm,航向偏差小于8°。试验结果表明,该机器人能满足果园自主运输和安全避障的需求。     

基于SVR逆向模型的拖拉机导航纯追踪控制方法

针对行驶过程中轮胎侧滑量、路面性质等不确定性因素导致传统拖拉机二轮运动学模型难以准确描述拖拉机运动轨迹的问题,提出了一种基于SVR(Support vector regression)逆向模型的拖拉机导航纯追踪控制方法。采用粒度支持向量回归(Granular support vector regression,GSVR)方法建立了拖拉机前进航向的逆向模型,实时获得实际转弯曲率与运动学理论转弯曲率的函数关系,逆向模型对纯追踪导航模型输出进行,校正提高了纯追踪导航控制方法的适应性和动态性能。拖拉机导航系统的路径追踪路面试验结果表明:当行驶距离大于125 m、行驶速度为1.2 m/s时,直线追踪最大横向偏差小于0.061 4 m,较常规纯追踪模型导航方法具有更好的直线追踪性能;田间试验结果表明:该导航控制方法适用于2BFQ-6型油菜精量联合直播机自动对行作业。     

XDNZ630型水稻插秧机GPS自动导航系统

以XDNZ630型水稻插秧机为试验平台,采用RTK-GPS定位技术,进行农业机械自动导航试验.增加了插秧机转向机构、变速机构和栽插机构的电控功能,实现了自动控制.根据GPS接收机与车载传感器获取车辆姿态信息,采用PID控制方法,构建转向闭环控制系统,实现插秧机的自动对行导航及地头转向,并进行了插秧机路面与田间导航跟踪试验.试验结果表明,在插秧机对行导航作业中,车辆行进速度不大于0.6m/s时,对行跟踪误差小于10cm,完全可以满足插秧作业精度要求.     

约翰迪尔AutoTrac自动导航系统通用性应用研究

针对约翰迪尔AutoTrac自动导航系统不适用于普通车辆的问题,提出一种基于XUV825i型全地形车的机械改装方法,主要解决AutoTrac自动导航系统中ATU（AutoTrac universal）方向盘无法在全地形车上安装的问题。该机械改装方法为：在全地形车转向轴与ATU方向盘之间加装一个特制的万向节,利用万向节的特性避免两者之间因同心度精度过低导致导航精度下降的问题,使得全地形车在AutoTrac自动导航系统的控制下能够进行自动导航。XUV825i型全地形车结构与普通车辆一致,所以该机械改装方案也适用于一般车辆。最后基于改装后的全地形车,进行自定义路径导航试验。试验过程中全地形车自动导航的路径轨迹与初始路径基本重合,而且在路况良好以及系统经过调试的情况下,其自动导航横向偏差平均值小于2 cm,说明该机械改装方法并未降低该套系统的导航精度,该机械改装方法正确,安装在全地形车上的AutoTrac自动导航系统能够正常工作。同时说明该机械改装方法适用于普通车辆,AutoTrac自动导航系统能够在普通车辆上正常使用。