水稻插秧机导航控制器设计与路径追踪仿真研究

为了实现水稻插秧机部分或完全自主行走,需要设计合适的导航控制器代替驾驶员分析插秧机与预定义路径的位姿信息后,决策出转向方向和角度控制插秧机按照预定义路径行走。采用基于驾驶员模拟技术,设计了以航向偏差和横向位置偏差作为输入变量,插秧机转向轮期望转角作为输出变量,总结并模拟驾驶员驾驶经验采用模糊控制算法制定模糊规则,构建二维模糊导航控制器;在MATLAB/Simulink下使用简化的二轮车运动学模型进行路径追踪斜坡响应和阶跃响应仿真研究,分析该二维模糊导航控制器控制水稻插秧机追踪预定义路径能力。仿真结果表明水稻插秧机路径追踪斜坡响应最大误差为1.23m,追踪距离为3.45m,稳态误差为0.41m;在此过程中航向追踪信号的超调量MP为17.5°,调整时间ts为7.15s,稳态误差ess为0.2°。水稻插秧机路径追踪30cm阶跃响应的超调量MP为0.8cm,调整时间ts为30.2s,稳态误差ess为0.5cm。水稻插秧机路径追踪仿真结果说明本研究设计的二维模糊导航控制器的转向决策成功控制水稻插秧机追踪预定义路径,该控制系统响应的快速性、平稳性、精确性均良好,为实现水稻插秧机自主行走提供理论支撑。     

基于UWB定位的农业机械辅助导航系统设计与试验

【目的】低成本实现南方中小型田块中农业机械田间精确定位,降低农机操作人员劳动强度、提高农机作业效率。【方法】采用超宽带(Ultra wide band,UWB)技术对作业机械进行实时定位,通过位置解算算法,得到定位标签的三维精确位置坐标;利用位置校正算法,修正作业机械车身倾斜引起的田间定位误差;设计基于AB线的路径规划算法,实时规划作业路径并计算作业偏差;通过可视化人机交互界面为农机操作人员提供实时辅助驾驶信息。【结果】水田环境中,分别以0.5、1.0和1.5 m/s的速度沿规划路径行驶时,系统平均横向定位偏差均小于7 cm;当行驶速度大于1.0 m/s时,利用位置校正算法平均横向定位偏差降低了52.79%,标准差降低了49.82%,最大横向定位偏差降低了50.04%。搭载辅助导航系统进行田间插秧试验,各行作业轨迹与自身行拟合直线的平均横向偏差为5.90 cm,标准差为3.64 cm;各行作业轨迹与其规划直线路径的平均横向偏差为6.98 cm,标准差为4.95 cm。【结论】辅助导航系统具有较高的定位精度和良好的稳定性,成本低且通用性强,能够满足南方中小型田块中农业机械田间作业要求。研...     

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。     

油菜直播机组自动对厢作业控制器设计与试验

针对基于视觉的油菜直播机组自动对厢作业控制,本研究提出了结合模糊控制和带死区的PD控制的组合控制器,其中模糊控制器作为对厢作业路径跟踪控制器,带死区的PD控制器作为直播机组转向控制器。根据直播机组运动模型和相机成像模型,分析了图像路径参数跟随直播机组运动的变化规律,并设计模糊控制器的控制规则。同时,在图像中将直播机组与目标厢沟相对位置没有偏差时的图像路径标定出来作为图像目标路径,据此以图像实时检测路径与图像目标路径的角度偏差和截距偏差设计为模糊控制器输入,前轮目标转角为模糊控制器输出。对直播机组前轮转向控制则设计了带死区的PD控制器,通过两者的有机结合实现了直播机组的自动对厢作业。田间试验结果表明:油菜直播机以0.5或0.8m/s的速度行驶时,直线导航跟踪的横向偏差小于6cm,以1.0m/s的速度行驶时,横向偏差小于10cm。     

基于视觉补充的水稻插秧机多传感器组合定位研究

为改善基于GNSS/INS组合定位的水稻插秧机在遇到遮挡、电磁干扰、传感器失效等情况时的导航效果,在原有GNSS/INS组合定位的基础上,提出一种视觉导航系统（vision navigation system,VNS）补充的水稻插秧机多传感器组合定位方法。首先设计改进的Otsu法和改进的Hough变换算法用于视觉定位信息提取,并构建插秧机和相机坐标系关系方程以求解位姿值;然后采用具有容错功能的联邦卡尔曼滤波算法将VNS输出的定位信息和GNSS、INS输出的定位信息进行融合;最后分别在水泥地和水田进行试验。结果显示,空旷水泥地场景下,GNSS/INS/VNS组合定位和GNSS/INS组合定位精度相近,而在遮挡水泥地场景下,GNSS/INS/VNS组合定位解算出的位置误差和航向误差的平均值分别为1.77 cm和0.99°,相较于GNSS/INS组合定位方法分别提高46.8%和61.5%;水田试验中,经过视觉补充后导航系统的横向偏差和航向偏差平均值分别降低45.7%和67.9%,横向偏差平均值为1.97 cm,航向偏差平均值为0.49°。试验结果表明,基于视觉补充的多传感器组合定位方法能有效降低导航系统的定位误差和跟踪偏差,满足插秧机自动驾驶作业的要求。     

自动导航拖拉机的农机具作业精度研究

针对自动导航拖拉机带农机具作业时农机具跟踪误差会被放大的问题,提出了1种能够提高农机具作业精度的拖拉机导航算法。采用路径跟踪误差最小的优化控制方法,研究拖拉机自动导航作业时引起机具误差大的因素及改进方法,设计具有农机具误差项的拖拉机模型预测控制算法,对该算法进行可行性试验及对比试验。试验结果表明采用带机具误差项的算法使农机具横向偏差平均降低了42.36%,横向偏差标准差平均降低了40.91%,航向角最大偏差平均降低了6.11%,航向角偏差标准差平均降低了31.04%。结果表明增加农机具误差项的模型预测控制算法能有效提升农机具的作业精度。     

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。     

基于无线定位的温室生产平台自动导航

  目的  为了提高温室内车辆自动导航的精度,提出了一种基于超宽带定位和带有自调整函数模糊控制的路径跟踪方法。  方法  首先利用超宽带(UWB)模块构建无线定位系统,采用二元三次多项式对定位误差进行拟合,并修正测量点误差;其次结合带自调整函数解析式的模糊控制器,对横向偏差与航向偏差的权重进行动态调整,输出前轮转角;最后分别进行直线和矩形路径跟踪的实车试验,并与使用纯追踪方法的结果进行对比。  结果  在进行不同初始状态的直线路径跟踪时,平均偏差均值为22.4 cm,标准差为5.8 cm,稳态偏差平均值为5.4 cm,比纯追踪模型精度分别提升了28.4%、40.2%和34.9%;进行矩形路径跟踪时,平均偏差为14.4 cm,最大偏差为46.9 cm,相比于纯追踪模型精度分别提升了46.5%和53.5%,其中最大偏差主要出现在矩形的转角处。  结论  本研究提出的方法具有较好的稳定性和控制精度,能满足生产平台在温室内自动导航作业需求。图8表3参24     

拖拉机路径跟踪的变论域模糊控制

为了提高拖拉机自动导航控制系统的精度,采用变论域理论设计纠正位置和方向偏差的自适应模糊控制器,对搭载全液压转向装置的东风DF904拖拉机进行了在无干扰平坦路面和有干扰坑洼路面按预定路径行走的试验。结果表明,在平坦路面无干扰时路径跟踪的最大偏差不超过7 cm,平均偏差小于4 cm,在遇到障碍干扰而发生路径和方向偏差时拖拉机能快速、准确地纠正偏差,返回预定路径,完全满足作业要求,验证了提出方案的可行性和有效性。     

葡萄园拖拉机自动导航系统设计与试验

【目的】为了实现拖拉机在葡萄园内的自动导航控制.【方法】设计开发了一套导航控制系统,该系统采用变论域模糊法作为导航控制决策,系统通过输入横向偏差和航向偏差的变量,改变模糊控制论域,提升系统的自适应能力,使得系统响应速度更快精度更高,提高拖拉机在葡萄园复杂的环境导航效果.【结果】试验结果表明:当拖拉机以0.25 m/s和0.35m/s的作业速度行驶时,导航的平均横向偏差分别为2.46、2.77 cm,最大偏差分别为5.36、14.68 cm,均方差分别2.92、4.79 cm.【结论】设计的导航控制系统基本满足拖拉机在葡萄园内导航作业需求.     

基于分层模糊控制的机器人局部路径规划研究

论述了未知环境下移动机器人的局部路径规划.对模糊控制器,如果输入量较多导致模糊规则数目太大,则采用分层模糊控制器.详细介绍了分层模糊控制器的设计,包括输入输出变量的模糊化以及隶属函数的确定、模糊规则的设计、推理方法的设计以及解模糊化的方法,并给出了局部路径规划的仿真结果.仿真结果验证了分层模糊控制器采用较少的规则能够实时快速地规划出一条无碰撞路径.     

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。     

农用无人机多机多田块作业路径规划算法

针对含障碍物多田块条件下的多台农用无人机路径规划问题,研究提出一套完整的多无人机协同作业路径优化算法解决方案。以最小转移路径长度为作业优化目标,先基于多边形扫描填充算法计算出水平航向条件的初始覆盖作业航线,对航线间危险转移过程进行安全边界相交性测试,每单一田块分别采用凸多边形“最小跨度法”和非凸多边形“步进旋转法”优化作业航向。然后建立航线调度及航次规划数学模型,并基于Google OR Tools开源优化软件套件进行求解。对比不同航线组合调度策略下的作业效果,以及考虑消耗品补给时的OR Tools 5种优化搜索策略算法与无人机沿航向方向等面积划分算法的作业优化效果。针对4组假想田块和真实田块的算例仿真试验表明,该算法能够有效地实现多田块在满足各种约束条件下的多机协同路径规划,算法耗时70~552 s,相比于等面积划分算法,航线间转移路径总长度下降24.86%~47.10%。     

基于工作目标区图的大蒜播种机器人的路径规划

[目的]实现大蒜播种机器人作业效率和精确度最优化。[方法]基于工作目标区图的农业机器人导航跟踪原理设置大蒜播种机器人作业的路径规划,经试验验证其可行性。[结果]根据工作目标区图,给出大蒜播种机器人作业路径规划方程。采用由32位单片机控制的4轮机器人完成作业,选用激光待感器测距,采样周期为1 kHz/ms。经多次试验实测,证实机器人的0.4 m/s速度行驶,其最大横向偏差为0.038 m,说明其精度较高。[结论]该作业方案原始数据处理简洁、运算快,节约系统资源,跟踪速度快,精度高、种植效果好。     

拖拉机转向跟踪复合模糊PID控制研究

为提高拖拉机在自主导航行驶中转向跟踪控制的响应特性和稳定性,设计了以拖拉机前轮转角偏差和偏差变化率为输入,以电机控制电压和PID 3个控制参数为输出的模糊控制器,结合PID控制器实现前轮转角偏差大于10°时采用模糊控制和转角偏差小于等于10°时采用自适应模糊PID控制。仿真结果表明,采用复合模糊PID控制器在前轮转角偏差较大变化范围内均能实现快速和准确的转向跟踪。     

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。     

基于无模型自适应控制的设施园艺自动导航车辆路径跟踪

为实现设施园艺内农业机械的自动导航,提出一种基于无模型自适应控制(model-free adaptive control,简称MFAC)车辆路径跟踪方法.采用4个超宽带(UWB)基站组建室内无线定位系统,并与WT901 C光纤陀螺仪组合使用,获取试验样车与期望路径之间的横向偏差和航向偏差.建立预瞄偏差模型,并采用无模型...     

基于模糊算法与3σ法则的比例遥控系统研究

为实现水田作业机械的遥控操作,设计了1套基于模糊控制算法与3σ法则的水田作业机械比例遥控驾驶系统.该系统运用3σ法则,通过无线数据收发模块精确传输模拟量与开关量控制信息,接收处理模块运用模糊算法控制设备.田间试验结果表明,设计的系统无线数据传输稳定,模拟量数据输出平滑,具备良好的实时响应效果和鲁棒性,能满足水田作业机械的遥控要求.     

自动导航插秧机作业性能试验研究

农业机械自动导航技术日渐成熟,导航产品带来了较好的经济效益,但这些导航产品只与部分车型的旱地拖拉机配套使用,仍缺少一套适用于水田拖拉机作业的自动导航产品。现提出一种改装方法,将一套旱地拖拉机导航系统安装至水田插秧机上,分别在广东和黑龙江进行田间试验,利用全球定位系统(global positioning system,简称GPS)分别采集记录插秧机自动导航作业与驾驶员人工作业时的数据,分析两者作业轨迹的直线度,比较两者的作业效果,探究该导航系统在插秧机上的作业性能。结果表明,驾驶员直线作业轨迹的平均绝对横向偏差为4.46~4.50 cm,横向偏差的标准差为2.69~3.36 cm。自动导航的平均绝对横向偏差为2.29~2.70 cm,横向偏差的标准差为1.63~1.90 cm,说明该自动导航插秧机的作业精度以及稳定性比人工驾驶高,通过这一改装方法将自动导航系统安装至水田拖拉机上后在水田作业过程中依然保持良好的作业性能,其安装方法简单而且可靠性高,为后续水田拖拉机自动导航系统的开发与研究提供参考。     

梳草船导航控制系统设计与试验

梳草船已逐步成为河蟹养殖池塘水草管理的重要装备,为实现梳草船运行的自动化,设计开发了一款以风机作为驱动装置的梳草船导航控制系统。针对梳草船设计了一套软硬件控制系统,建立了梳草船运动模型并进行了试验验证,采用航向预估PID控制方法和LOS视圆法实现了梳草船的运动控制与路径跟踪,在实际养殖场进行了航速测试,路径跟踪和水草收割试验。结果表明,在所设计的导航系统控制下,梳草船的最大运行速度可达1.14 m/s,PID航向控制方法和LOS视圆法可以准确实现梳草船的路径点跟踪,在天气条件良好的情况下,路径跟踪的平均误差小于0.96 m,与人工方式相比,单位时间内水草清理质量提高94.3%,有效降低了水草收割的劳动强度,提高蟹塘水草管理自动化水平。