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。     

智能农机GNSS/INS组合导航系统设计

为提高自动导航农机的定位精度和可靠性,该研究设计了基于全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)的智能农机组合导航系统,该系统根据来自INS的三轴姿态角速度、加速度信息以及高精度定位板卡...     

拖拉机线控液压转向系统的双通道 PID控制仿真与试验

拖拉机线控液压转向系统采用的单杆液压缸具有非对称性,为了提高转向系统的控制精度,提出了双通道PID(proportional integral derivative)控制方法,对液压缸活塞杆伸出和缩回的运动进行分通道控制。基于Sim Hydraulics模块建立线控液压转向系统的物理模型,对转向轮的跟随响应、阶跃响应进行仿真试验;同时搭建了线控液压转向系统试验台,进行台架试验,从而分析双通道PID控制对转向系统的影响。仿真试验得出双通道PID控制的跟随误差为0.473°、响应时间为0.273 s,且左、右转向跟随误差基本一致,均优于单通道PID控制,台架试验结果与仿真试验的效果一致。结果表明,线控液压转向系统在双通道PID控制下响应快,跟随误差更小,具有良好的跟随性和较高的控制精度。     

基于自主导航和全方位转向的农用机器人设计

为了提高农业作业的自动化程度,在对传感器技术、信息技术、自动导航技术等进行研究的基础上,设计了一种自动导航农用轮式移动机器人.针对目前农业机器人存在的操纵、路径跟踪等技术问题,机器人采用四轮全方位转向,操纵灵活;利用CAN总线使导航、控制等模块的通讯效率得以改善;选用模糊控制模仿人在路径跟踪控制时的控制策略,提高了移动机器人的智能化程度.仿真和试验表明机器人有较好的转向性能且在速度为1 m/s时跟踪路径的偏差为0.1 m左右.     

基于Raspberry Pi的拖拉机通用自动驾驶系统

为了改善现阶段拖拉机自动化驾驶系统主要针对单个特定型号的拖拉机进行开发的局限性,该文设计了一套采用分布式控制方式的拖拉机自动化驾驶系统。该系统的作用在于同SAFAR系统（software architecture for agricultural robot,农业机器人的软件体系结构）整合,成为一个能够进行实际工作的系统。系统采用Raspberry Pi微型计算机作为系统的电子控制单元（electronic control unit,ECU）,在不同的ECU上分别处理不同的任务,利用通讯协议传输控制协议/互联网络协议来进行ECU之间的通讯。为了保障系统的安全,该系统采用激光测距传感器R2100来保障车辆和周围环境的安全,采用Heart Beat（心跳）检测机制来探测系统故障。该系统可以接收来自SAFAR的控制信号,并对拖拉机进行相应的操作来实现拖拉机的自动化驾驶。除此之外,该系统还提供了无线遥控的功能,能够方便操作人员进行简单、直观的操控。经过测试,该系统能够正确、快速地响应来自操作人员或SAFAR的控制,控制系统的响应时间低于0.5 s,电机转向角误差小于0.06;舵机角度偏差4°左右;系统各个ECU之间通讯稳定可靠,可在试验设定的4 h内稳定工作,每0.25 s检测一次工作环境并给予响应。该研究对农业机械自动化的实现提供了参考。     

基于GNSS的农机自动导航路径搜索及转向控制

为提高农机自动导航系统性能,提出了一种基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的农机自动导航路径搜索方法和基于预瞄点搜索的纯追踪模型。根据农机不同作业需求,导航系统可选择直线路径搜索或曲线路径搜索,实现农机直线和曲线自动导航作业;建立基于预瞄点搜索的纯追踪模型,并将其用于农机转向控制,该模型不涉及复杂的控制理论,适用性较强。为验证路径搜索方法和纯追踪模型性能,以John Deere拖拉机为试验平台,进行了农机直线跟踪和转向控制导航试验。结果表明:直线路径跟踪导航试验,车速为0.8、1.0和1.2 m/s时,导航均方根误差分别为3.79、4.28和5.39 cm;转向导航试验,车速为0.6 m/s时,在弓形转弯和梨形转弯导航方式下,导航均方根误差分别为25.23和14.42 cm;与模糊控制方法对比试验,直线路径导航方式下,应用该文方法和模糊控制方法的导航均方根误差分别为4.30和5.95 cm,在曲线路径导航方式下,应用该文方法和模糊控制方法的导航均方根误差分别为13.73和21.40 cm;基于GNSS的农机自动导航路径搜索方法和预瞄点搜索的纯追踪模型可以得到较好的定位控制精度,可满足田间实际作业的要求。     

雷沃ZP9500高地隙喷雾机的GNSS自动导航作业系统设计

为减少农药喷雾作业对人体造成的化学损害,该研究以雷沃高地隙喷杆喷雾机为平台,基于GNSS开发了自动导航作业系统,实现喷雾机在极少人工干预情况下的自动导航作业。通过对平台的机-电-液改造,实现了喷雾机作业系统的电气化控制。基于简化的二自由度车辆转向模型设计了以位置偏差和航向偏差为状态变量的直线路径跟踪控制算法,基于纯追踪模型设计了曲线路径跟踪控制算法。根据喷雾机田间作业需要设计了喷雾机一体化自动导航作业控制方法,使系统能够自动控制喷雾机完成直线、地头转弯行驶和喷雾作业,油门调节以及车辆启停控制。在1.3 m/s左右的前进速度条件下,分别在水泥路面、旱田、水田环境中进行了试验,测试结果表明:水泥路面车身横滚在–1.6?~1.5?范围,直线路径跟踪误差最大值为3.9 cm,平均值为-0.15 cm,标准差为1.0 cm;旱田地块车身横滚在–1.4?~3.3?范围,跟踪误差最大值为9.8 cm,平均值为1.3 cm,标准差为3.3 cm;水田环境车身横滚在–2.4?~5.2?范围,跟踪误差最大值为17.5 cm,平均值为2.2 cm,标准差为4.4 cm。试验数据表明,所设计的自动导航作业系统初始上线快速、地头转弯对行平顺、各设计功能执行可靠;导航系统具有良好的稳定性和控制精度,能够满足水田、旱田环境下的喷雾作业要求。     

基于电动方向盘的拖拉机自动导航转向控制方法

为提高轮式拖拉机自动导航过程中转向控制的精度与稳定性,该研究以雷沃欧豹M704-2H拖拉机作为试验平台,采用电动方向盘作为转向执行机构,分析转向机械间隙对控制精度的影响,针对转向间隙特性设计转向控制算法。首先,为了获得准确的转向角,利用GNSS(global navigation satellite system)与二轮车模型快速标定虚拟轮转角,标定结果表明：虚拟轮转角的最大误差为1.3°,平均误差为0.11°。然后,对转向系统的机械间隙进行分析,设计一种带有间隙补偿的模糊PD(proportional derivative)转向控制算法,并在Simulink中验证算法的可行性。实车试验结果表明,该算法跟踪方波转角信号的响应时间为1.1 s,最大稳态误差为0.65°,平均稳态绝对误差为0.132°。跟踪正弦波转角信号的平均延时为0.5 s,最大误差为1.91°,平均绝对误差为1.09°。与无间隙补偿算法相比,有间隙补偿算法跟踪方波信号最大稳态误差减小了0.022°,平均稳态绝对误差减少了0.112°,角度误差在±0.2°内的时间提升了71%;跟踪正弦波信号最大误差减小了0.68°,平均绝对误差减小0.23°。田间直线导航转向控制试验结果表明,转角跟踪的绝对平均误差为0.61°,最大跟踪误差为2.82°,转向控制跟踪精度较高,稳定性好,满足导航作业需求。     

基于自适应有限冲激响应-卡尔曼滤波算法的GPS/INS导航

导航定位系统一般采用卡尔曼滤波算法提高定位精度。传统卡尔曼滤波算法的性能很大程度上依赖观测噪声的先验统计信息,不精确的统计特性将会降低定位精度。针对此问题,该文提出一种基于FIR(finite impulse response)预测模型的卡尔曼滤波算法。将FIR预测模型与卡尔曼滤波结合,FIR预测模型的系数可以通过求解一个凸二次规划问题得到。该凸二次规划以目标的多项式运动规律为约束条件,以最小白噪声增益为目标函数,具有闭式解。仿真试验和实测结果均表明,在相同的参数设置条件下,基于FIR预测模型的卡尔曼滤波算法比传统的卡尔曼滤波算法具有更高的估计精度,仿真结果表明定位精度提高29.54%,实测结果表明X方向定位精度提高21.71%,Y方向定位精度提高22.62%。该算法可应用于GPS接收信号的降噪处理,提高目标状态的定位精度。     

基于GPS和机器视觉的组合导航定位方法

准确、可靠的位置信息是进行农业机械自动导航的前提。该文构建了一个基于GPS和机器视觉的多传感器组合导航定位系统。在此系统中,采用GPS获取导航车的绝对位置信息、航向角度和行驶速度;机器视觉通过图像处理获取导航基准线,并得到代表作物行特征的点;UKF（unscented kalman filter,无迹卡尔曼滤波）滤波器用来对上述传感器获取的信息进行滤波,并以电瓶车为平台,对滤波前后的定位效果进行对比。试验结果表明,使用UKF滤波后的定位精度和稳定性得到了改善,X方向和Y方向标准偏差分别为2.43、0.07 m,定位曲线得到了平滑,克服了使用单一传感器进行定位的弊端,能够满足自动导航系统的要求。     

基于DSP的小型农用无人机导航控制系统设计

为适应农业信息化要求,针对农业用小型无人机要求体积小、质量轻、稳定、可靠、低空低速飞行的特点,该文提出了一种小型无人机导航控制系统,其导航控制与数据采集采用单独DSP芯片进行处理,以降低导航控制系统的复杂度。系统以TMS320F2812芯片为核心,集成了GPS、红外传感器和电子罗盘,并扩展了DSP芯片异步串行通信接口,保证了数据通信的实时性、完整性和可靠性,实现了无人机的自主导航控制。飞行试验表明,该设计方案具有较高的可靠性。该研究可为农业用小型无人机的设计与应用提供参考。     

农业机械自动导航技术研究进展

农业机械自动导航是精准农业技术体系中的一项核心关键技术,广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。农机位置测量方法、农机模型与导航路径跟踪控制方法是农业机械自动导航技术的研究重点,受到国内外科研人员的广泛关注。农机位置测量主要有相对测量和绝对测量二类方法,前者以基于机器视觉的测量方法为代表,主要利用图像处理技术识别作物行,进而确定导航基准线,实现农机与作物的相对位置与航向信息的测量;后者则以基于全球导航卫星系统的测量方法为代表,利用卫星定位技术实现农机位置的高精度测量,在农业生产中应用最为广泛;而面对复杂的田间环境变化,在位置测量中应用多传感器数据融合技术通常可以得到更好的测量结果。导航路径跟踪控制通常以农机运动学模型或动力学模型为核心,多采用最优控制、最优估计、自适应控制、人工神经网络、模糊控制、鲁棒控制等现代控制理论与方法;而无模型控制方法则可以避免建模不准确或者模型参数剧烈变化对农机路径跟踪控制性能所产生的负面影响。该文从上述2个方面综述分析了农业机械自动导航技术的研究现状及存在的问题,并对未来农机导航技术的发展做出了展望,指出采用卫星导航技术,开展农机地头自动转向控制、障碍物探测及主动避障、多机协同导航等高级导航技术研究,以及引入先进的物联网技术,是现代农机自动导航技术发展的主要趋势。     

基于ARM的农业装备共性参数测控系统

为满足多种信号实时采集与控制,分析了农业装备性能参数的特性,基于ARM嵌入式技术研制了具有共性参数检测能力、可满足农业装备综合性能参数检测需要的数据采集与控制系统。在S3C2410A和外围硬件电路构成的硬件平台上,利用多线程技术,开发了具有友好人机交互界面的应用软件。系统最多可提供34个测控通道,经计量和田间试验验证,模拟通道线性误差为0.38%、计数和计频通道误差为1Hz,其测试精度和可靠性满足农业装备的性能参数测量需要。该系统的研制有效提升了农业装备的性能检测手段,具有较高的实用性。     

农业机械导航路径跟踪控制方法研究进展

路径跟踪控制技术作为农业机械导航的核心,是提高控制系统控制精度和对环境适应性的关键,可提高农机具作业精度和效率,同时可避免重复作业和遗漏现象,减少农业生产资料浪费。该文根据农业机械导航路径跟踪控制方法中是否涉及农机模型,将路径跟踪控制技术分为与农机运动学模型相关、与农机动力学模型相关以及与模型无关的路径跟踪控制方法。通过对原理的解析明确了各类控制方法的优缺点,及对现有解决方案进行了总结分析,指出了现有方案存在共性或个性问题,由此完成了对现阶段国内外针对农业机械导航路径跟踪控制方法的研究进展的阐述。通过对各类控制方法适用性及农机导航产品发展现状的分析,提出了农机导航路径跟踪控制方法的发展展望,以期为后续路径跟踪控制方法的研究提供指导性方向和有针对性的参考,具体如下：1）明确了现有模型对农机运动过程描述的局限性,指出高精度农机模型研究的必要性;2）为提升控制方法自适应性和鲁棒性,研究需从常规工况向极限工况和复杂工况拓展;3）明确单一控制方法的局限性,明确多方法融合控制的发展趋势。     

农机具自动调平控制系统设计与试验

为了使农机具在田间作业时保持水平,该文设计了一种农机具自动调平控制系统。采用拖拉机横向倾角卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺仪2个传感器数据获得拖拉机实时倾斜角度,直线位移传感器测量调平液压油缸伸长量并建立农机具和拖拉机的相对倾斜角度转换函数,通过控制电磁换向阀实现农机具水平控制。在三轴多功能转台上对拖拉机倾角实时测量算法进行了测试,并在田间对农机具自动调平系统进行了试验,结果表明,拖拉机横滚角传感系统能在动态条件下准确地测量拖拉机实时倾角,在转台上测量角度平均绝对误差≤0.15°,均方根误差≤0.18°,在水田激光平地机作业时测量角度平均绝对误差0.40°;自动调平控制系统能较好地实现平地铲调平控制,平地铲倾斜角度平均绝对误差0.52°,均方根误差0.24°,最大误差1.15°,相对于原水田激光平地机水平控制系统控制精度提高了0.5°。该研究为农机具水平自动调平提供了方法,能够提升农机具作业质量。     

基于预瞄追踪模型的农机导航路径跟踪控制方法

农机导航系统的上线性能和复杂路面抗干扰能力影响着农田作业的质量和效率,为提高农机导航系统的上线速度、上线稳定性和对复杂路面的适应性,提出了一种预瞄追踪模型的农机导航路径跟踪控制方法。该方法实质是对农机运动学模型方法的改进,针对农机运动学模型小角度线性化算法中近似条件的缺点,采用预瞄追踪辅助直线引导农机快速稳定跟踪规划路径。该文参考农机运动学模型极点最优配置算法证明过程,分3步证明了该控制方法的可行性,并通过仿真和试验验证了该方法的有效性。仿真结果显示在不同的初始位置偏差和航向偏差条件下该方法都可以迅速消除偏差以稳定跟踪规划路径,位置偏差校正曲线平滑且超调量微小,说明预瞄追踪模型方法对提高农机导航系统的上线性能和抗干扰能力是有效的。田间试验结果:在初始航向偏差为0,初始位置偏差分别为0.5、1、1.5 m条件下,上线时间分别为6.8、8.2、9.4 s,上线距离分别为6.73、8.11、9.33 m,超调量分别为5.2、7.0、8.5 cm;颠簸不平旱地路面直线路径跟踪的最大误差不超过4.23 cm,误差绝对值的平均值为1 cm,标准差为1.25 cm。数据表明采用该文提出的控制方法具有良好的上线和直线路径跟踪效果,满足农业机械的导航作业要求。     

基于时间序列分析的卡尔曼滤波组合导航算法

GPS广泛用于农业机械导航研究中,其定位误差信号一般存在明显的自相关性,不能满足组合导航中常用的卡尔曼滤波算法观测噪声为高斯白噪声的要求。为此,建立了GPS定位误差AR模型,结合卡尔曼估计结果来预测和修正GPS定位误差,再将修正后的GPS定位信息应用于组合导航中的卡尔曼滤波过程。试验结果表明,无论GPS接收机是在静止还是在运动条件下,处理后的定位误差信号自相关性都明显降低,近似为白噪声;目标路径直线时的最大跟踪误差约为0.15 m,为曲线时,最大跟踪误差约为0.3 m。该方法为低精度GPS应用于农业机械导航提供了可行途径。     

东方红拖拉机自动转向控制器设计及试验

以东方红-X804拖拉机为试验平台,设计了基于双闭环控制方法的转向控制器,以提高农业机械导航的精度。首先阐述了系统整体结构及工作原理,使用角度传感器KMA199和角速率传感器ADIS16300分别测量转向角度、转向角速率,电控液压阀、换挡电磁阀和溢流阀作为执行单元实现自动转向。建立了数学模型,介绍了转向控制器的硬件电路实现,设计了CAN总线网络功能节点。结合拖拉机田间作业过程中系统非线性特性,提出了以角速度控制为内环、转向角度控制为外环的双闭环控制方法,给出了控制算法的推导过程,并使用Matlab工具箱进行系统辨识得到传递函数的参数。试验结果表明:ADIS16300角速度积分的角度值有较高准确度,平均误差为0.53°。方波信号的角度跟踪稳态时平均误差为0.40°,平均跟踪时间为1.3 s,角速率跟踪稳态时平均误差为1.25(°)/s,延时时间平均值为0.2 s;双闭环控制方法较好抑制了稳态时的震荡现象。