基于路径弯曲度动态预瞄搜索算法的车辆路径跟踪控制软件系统设计

为实现农业机械田间作业时的路径跟踪控制,在无人驾驶高速插秧机硬件系统基础上,采用基于规划路径弯曲度的动态搜索预瞄算法设计了路径跟踪控制软件。该算法以作业机械横向偏差和航向偏差作为航向模糊控制器的输入变量,以前轮转角期望值为输出变量,设计航向模糊控制器,实现航向控制;同时结合转向模糊免疫PID控制器对步进电机的PWM频率进行控制,实现水田作业机械的方向改变,从而完成作业机械沿规划路径自动行驶跟踪,并用Matlab/Simulink仿真平台对所采用的路径跟踪控制原理和所设计的模糊控制器进行了有效性验证,结果表明所采用的控制方法是可行的。经试验,插秧机以1 m/s的速度进行直线跟踪时最大的跟踪偏差只有4 cm,且始终围绕零值附近上下波动,计算平均跟踪偏差为0.84 cm,能够满足水田作业机械路径跟踪控制的要求。     

蟹塘梳草船驱动系统设计与试验

水草管理是河蟹养殖的重要环节,为降低水草收集设备操控劳动强度,降低人员使用量,研发梳草船的风机驱动系统。该驱动系统主要由风机叶片、防护装置、支架、电机、减速传动和防水密封罩等组成。通过CFD流体仿真计算并验证实体船的阻力情况,进行风机选型,其额定功率为1 100 W,工作电压48 V,叶片最大宽度100 mm,叶根倾斜角28°,设计具有自锁功能的转向系统。使用该驱动系统在河蟹养殖塘进行测试表明：48 V/24 Ah动力电池下其连续工作时间为1.5 h;无水草情况下空载和满载船速分别为1.14和0.43 m/s;轻度水草（水草顶端距离水面>3 cm且<8 cm）情况下空载和满载的最大船速分别为1.06和0.26 m/s;密集水草（水草顶端距离水面≤3 cm）情况下空载和满载的最大船速分别为0.71和0.12 m/s,同时可以保持前进姿态持续打捞水草;平均转弯半径1.2 m。现场应用表明该驱动系统满足蟹塘实际水草环境下梳草船的驱动需求,单位时间内与人工清理水草质量相比提高94.3%,为实现自动化水草管理打下了基础。     

水产养殖机器鱼设计与三维路径跟踪控制

为方便监测水质与水下鱼群活动,本研究设计了一款面向全水域实时监测的水产养殖机器鱼,并搭建了机器鱼控制系统,开展了机器鱼三维路径跟踪控制研究。在Serret-Frenet坐标系下建立了机器鱼三维空间路径跟踪误差模型,并基于LOS制导律和李雅普诺夫理论设计了一种模糊滑模控制器,最后利用Matlab仿真对本研究提出的控制算法的有效性进行验证。仿真结果表明：所设计的控制器能使机器鱼在模型参数不确定性、外部干扰未知的情况下实现三维路径跟踪控制,其控制精度和鲁棒性明显优于常规PID与滑模控制器。     

激光导航设施管理机器人自动控制系统的研究

采用激光导航技术,以自动导航为目标,设施管理机器人完成了自主行走及导航自动化。在大棚内应用激光扫描仪采集植株的位置数据,实时监测,设计导航路径;基于PID理论的比例控制器控制管理机器人沿拟合路径自动行走,完成导航。试验数据显示,管理机器人在大棚内自动行走30 m,速度0. 35 m/s,测得最大偏差为0. 20 m。充分表明,该激光导航控制系统采集位置信息快速、准确,对于设施管理机器人的自动行走适用性强,可靠性高。     

基于改进PID控制的永磁同步电机转速仿真研究

为了提高永磁同步电机转速跟踪精度,设计了基于粒子群算法优化的PID控制系统。创建了永磁同步电机驱动控制系统流程图,定义了电机模型的内环和外环控制回路的传递函数。设计了分数阶PID控制方法,采用广义粒子群算法优化分数阶PID控制方法,设计出永磁同步电机改进PID控制方法。采用MATLAB对电机转速用改进PID控制方法输出误差进行仿真,与传统PID控制方法进行对比。仿真结果表明,与传统PID控制方法相比,采用改进PID控制方法,永磁同步电机转速跟踪误差较小,在面对外界突发波形干扰情形下,能够快速调整控制系统的响应速度。所设计的改进PID控制方法,能够提高永磁同步电机转速跟踪精度。     

智能烟叶烤房控制系统的设计

为了提高烟叶的烘烤质量,实现烤房的智能化控制,设计了智能烟叶烤房控制系统。采用模糊控制理论,对PID参数进行实时校正,使系统控制性能处于最优控制状态,实现对PID参数的在线智能校正。同时介绍了主要软件及硬件电路的设计方法。试验和实际运行表明,提高了烤房的温湿度控制精度和烟叶烘烤质量。     

基于模糊控制的农机自动导航控制系统研究

为实现农用拖拉机的自动导航控制,提高农用拖拉机智能化、自动化水平,以福田雷沃M1000-D拖拉机为平台,研究农机路径导航的自适应模糊控制策略,开发农机自动导航系统的CAN数据收发模块、北斗定位模块、角度信息采集模块以及转向控制模块等关键CAN节点的软硬件技术。现场试验表明,运用模糊控制算法策略,设计的农机自动导航控制系统能够快速、准确地跟踪预设路径。     

基于DGPS定位与双闭环转向控制的农业自动导航系统

以东方红X-804拖拉机为平台,开发了一种基于RTK-DGPS定位和双闭环转向控制相组合的农业自动导航系统。系统主要包括RTK-DGPS接收机、姿态航向参考系统(AHRS)、转向控制器、电控液压转向装置和转向角检测传感器。设计了Kalman滤波器对定位数据进行平滑处理,同时实现航向角的校正。为实现自动转向,在拖拉机原有手动控制系统基础上加上电控比例液压阀,并设计电控单元。然后,推导了转向系统的数学模型,通过Matlab仿真工具箱得到传递函数的参数,设计了双闭环转向控制算法。最后,进行了算法验证试验和田间试验,结果表明,双闭环控制方法较好抑制了稳态时的震荡现象,方波信号的角度跟踪稳态时最大误差0.60°,平均误差0.40°,平均延时为0.20 s;设计的Kalman滤波器有助于提高定位系统的精度,横向跟踪误差不超过0.09 m,转向角度平均跟踪误差为0.43°,延时0.25 s。     

田间管理机路径跟踪系统设计及试验

为了解决田间管理机前轮转向时内轮差造成的农作物损失问题,本研究提出了一种基于四轮转向田间管理机的路径跟踪算法。以3WPZ-750田间管理机样机为研究对象,设计了一套路径跟踪控制系统,阐述了该田间管理机转向支腿机械结构设计和自动液压转向系统原理,概述了在原有控制系统基础上路径跟踪上位机控制系统的技术路线;基于四轮转向模型,进行纯追踪算法车轮转向角控制研究;基于微软集成开发环境(visual studio)编写了路径跟踪控制界面;并分别于水泥路面和南方水田环境下进行直线路径跟踪试验与曲线路径跟踪试验。结果表明:在0.5 m/s的车速下,田间管理机在水泥路面上的路径跟踪误差均值为6.92 cm,标准差为4.84 cm;定曲率曲线路径跟踪误差均值为12.49 cm,标准差为9.16 cm。在0.2 m/s车速下,在南方水田环境下的路径跟踪误差均值为2.25 cm,标准差为1.35 cm;定曲率曲线路径跟踪误差均值为8.72 cm,标准差为5.59 cm。说明本研究设计的路径跟踪系统能够满足田间管理机行驶以及田间作业需要,为农业机械自动驾驶提供了一定依据。     

基于模糊控制的拖拉机转向跟踪控制研究

【目的】对拖拉机转向跟踪控制进行研究,寻求提高转向跟踪控制精度的方法。【方法】以福田欧豹4040型拖拉机为研究对象,以车辆航向角偏差和前轮转角为输入变量,转向驱动电机转速为输出变量,设计车辆转向控制模糊控制器,并用于拖拉机航向角的控制。【结果】拖拉机以0.53 m/s的速度行驶时,航向角偏差可控制在1°以内;拖拉机在50 m行驶距离内,最大横向偏差为0.16 m。【结论】所设计的控制器能够满足拖拉机转向跟踪控制的要求。     

蟹塘双体投饵船行驶阻力分析及船型优化

采用双体投饵船是实现蟹塘遍撒投饵的可行方案之一。在航道存在水草的情况下,为减小巡航阻力、提升投饵船续航能力,设计尖底和圆棱底2种新型船底型线,并基于雷诺平均方程,构建船体在不同吃水深度和速度下的动力学计算模型。以平底船为对照船体,对比分析CFD数值计算与水池试验阻力,数据误差在9.6%以内,显示了计算模型的有效性。计算结果表明:圆棱底船在船速0.50~2.00 m/s时具有更好的减阻效果,与平底船相比减阻率在3.92%~16.27%;圆棱底船能减小底面与水草的滑动摩擦阻力;投饵船经济船速应小于1.50 m/s,经济吃水深度应小于0.18 m。所研发的圆棱底船的进一步测试结果表明了所提优化方案的有效性。     

水产品全产业链物联网追溯体系研究与实践

为确保水产品的质量安全和实现水产品全产业链全程可追溯,本文以水产品产业链为视角,阐述和分析了我国水产品存在的主要质量安全问题,通过引入无线射频识别、二维码、全球定位系统和地理位置信息系统等物联网的理念和技术,提出了基于物联网的水产全产业链追溯体系,并阐述了其在产业链中各个环节的实现方法。依此,构建了面向企业、政府和消费者的政府水产品全产业链追溯监管云服务,并提出了一种基于RFID和EPC的水产品信息追溯机制,列举了溯源信息范本和EPC编码范例,从而实现从水产品全产业链的全时空静态溯源和动态追溯。最后,本文所提出的基于物联网的水产品追溯体系在上海—台湾中华绒螯蟹种输台任务中得以实践和应用,帮助225家台湾养殖户对77万只中华绒螯蟹蟹种进行溯源和投塘,形成蟹种质量全程动态追溯体系。     

基于星基增强精密单点定位的农机自动导航系统开发与测试

目的 开发基于星基增强精密单点定位的农机自动导航系统。方法 以国产雷沃TX1204拖拉机为平台,采用国产星基增强定位板卡的输出数据作为农机位置反馈量,设计位速卡尔曼滤波器对定位数据进行滤波处理,开发预瞄跟随PID路径跟踪控制算法进行导航控制,整定不同行驶速度条件下的模型控制参数,采用地基增强RTK高精度定位接收机输出数据作为参考量,搭建农机自动导航测试系统并开展系统性能测试。结果 在直线跟踪误差方面,所开发的农机自动导航系统平均误差为?0.0009436 m,标准差为0.02452 m,最大误差绝对值为0.08472 m;在邻接行误差方面,平均误差为0.0007128 m,标准差为0.02986 m,最大误差绝对值为0.15444 m。这一精度可满足大部分农机自动导航作业需求。结论 将国产星基增强精密单点定位技术用于农机自动导航是可行的;本文设计的预瞄跟随PID路径跟踪控制模型和提出的不同速度条件下PID参数与前视距离的整定方法,提高了系统对不同速度的自适应能力。     

果园割草机器人路径规划与轨迹跟踪控制研究

以果园割草机器人为研究对象,设计了一种区域化往复式全覆盖路径规划策略,提出了基于横向偏差修正算法的轨迹跟踪控制方法,进行了路径规划与轨迹跟踪仿真试验。研究结果表明:与传统往复式路径规划方法相比,区域化往复式方法的漏割率降低了2.3%,重复率降低了1.7%;与传统纯跟踪算法相比,改进纯跟踪算法转角范围增宽了0.2rad,横向误差降低了0.063m,有效降低了跟踪误差。     

中华绒螯蟹幼蟹养殖池塘溶氧收支平衡状况

为研究中华绒螯蟹幼蟹养殖池塘溶氧收支概况,于2019年7 —10月测定了上海市松江区泖港镇6口幼蟹养殖池塘的光合作用产氧量、喜旱莲子草呼吸耗氧量、幼蟹呼吸耗氧量、底质呼吸耗氧量和水呼吸耗氧量,并通过公式计算出机械增氧量及用差减法计算出大气交换溶氧量。实验期间,幼蟹塘光合作用产氧量始终小于水呼吸耗氧量,仅幼蟹塘表层水体光合作用产氧量显著大于水呼吸耗氧量(P<0.05),中层和底层水体光合作用产氧量几乎为零。幼蟹塘各层水呼吸耗氧量无显著差异(P>0.05)。机械增氧为池塘溶氧收入的主要因子,占溶氧总收入的72.32%;光合作用产氧仅占3.66%;大气交换溶氧量占溶氧总收入的24.02%,整个实验期间均通过大气溶解获得氧。喜旱莲子草呼吸耗氧量约为光合作用产氧量的21倍,是池塘溶氧支出的主要因子,占溶氧总支出的80.51%;底质呼吸、幼蟹呼吸和水呼吸耗氧量分别占总耗氧量的4.19%、4.81%和10.49%。结果表明,幼蟹养殖池塘定期清理喜旱莲子草和合理掌握增氧机开机时间是有效维持池塘溶氧收支平衡的重要手段。     

内蒙古乌梁素海生态恢复工程试验与资源利用

在典型草型富营养化湖泊——内蒙古乌梁素海设立试验研究基地，进行了较大规模的生态恢复工程试验，实施了两项草型富营养化湖泊生态恢复技术措施：沉水植物收割工程与芦苇园田化生态管理工程。以机械化方式收割沉水植物，能够削减湖泊内源性营养物负荷的积累和释放，减少二次污染，抑制生物填平作用，改善水体环境；采用机械化技术控制芦苇蔓延、打开芦苇区通风道和通水道，可以重建湖泊绿色自然景观，提高全湖水流循环速度。研究表明，有计划、合理地运用生态恢复工程不仅可以减轻草型湖泊所面临的巨大生态压力、延缓沼泽化演化进程，而且可以在实施生态工程的同时开发利用水生植物资源，使湖泊环境与湿地综合利用得到持续发展。     

池塘养殖加料车设计

针对目前池塘养殖中投饵机大部分加料都是依靠人力完成,劳动强度大,在陡峭斜岸上对投饵船进行加料困难的现状,设计一种无动力出料的节能定量加料车。加料车使用旋转下料阀进行定量下料,使用剪叉式升降平台调整加料高度。通过设计位于下料阀出料口的球形限位旋转连接件调整加料管的倾角实现无动力出料。基于圆柱凸轮设计新型伸缩加料管。加料车通过车体的移动、剪叉式升降平台的升降、加料管倾角和长度的调整实现定向、定距、定点的饲料添加。制作加料车样机,以投饵船和固定式投饵机为加料目标进行加料试验,试验结果表明加料车对不同规格饲料具有通用性,1.2 m的伸缩长度和1.5 m的升降高度能满足投饵船和固定式投饵机的加料需求,调整灵活,加料速度为6.2 kg/min。设计的加料车使用灵活,能代替人工给投饵船和固定式投饵机加料,减轻人工劳动强度,提高养殖过程的机械化水平,为进一步实现自动化和智能化打下基础。     

河蟹生态养殖池塘溶解氧分布变化的研究

在晴天、强风和阴雨天等不同天气,对高温季节河蟹生态养殖池塘水草稀疏区和水草密集区的水体溶解氧进行昼夜测定,并对强风天,池塘上下风处溶解氧进行测定。测定结果显示,池塘水体溶解氧14:00～16:00最高,4:00～6:00最低。高温季节无风晴天10:00～16:00河蟹池塘上下水层存在热阻力现象,导致上下层溶解氧存在显著差异(P<0.05),14:00最大差值为10.4 mg/L;6:00底层溶解氧为0.2～2.5 mg/L。强风天,在风力作用下,14:00上下层溶解氧差异缩小;6:00底层溶解氧为1.2～4.9 mg/L。阴雨天,光照强度较弱,上下层溶解氧差异最小,14:00最大差值为3.4 mg/L;6:00底层溶解氧为0.6～1.0 mg/L。晴天、多云等天气,水草密集区水体溶解氧显著高于水草稀疏区(P<0.05),而阴雨天夜晚水草稀疏区溶解氧略高于水草密集区。强风天,16:00下风处溶解氧显著高于上风处(P<0.05);6:00下风处溶解氧略高于上风处,但无显著差异(P>0.05)。此结果表明河蟹生态养殖池塘内水草是主要的溶解氧生产者,也为池塘增氧设备的使用提供一定的参考。