农业机器人视觉导航技术发展与展望

概述了农业机器人主要的导航方式，综合分析了目前国内外视觉导航研究现状及存在的问题，并提出了进一步研究的方向与途径。     

基于模糊Stanley模型的农机全田块路径跟踪算法研究

为实现农业机械全田块高效自主作业,提出一种增益系数自适应的Stanley模型路径跟踪算法。以横向偏差和航向偏差为输入变量构建隶属度函数,设计模糊推理和解模糊化过程实时确定控制模型增益系数,提高Stanley模型对不同曲率路径的自适应能力。为验证所提算法有效性,以移动小车为平台开展联合收获机回字形全田块自主作业路径跟踪试验,结果表明所提算法显著改善Stanley模型路径跟踪精度,直线作业速度2.5m/s、转弯速度1m/s时,直线段和曲线段最大跟踪误差均小于3cm。大初始横向偏差路径跟踪试验表明,模糊Stanley模型较Stanley模型大幅度减小路径跟踪上线距离,满足农业机械全田块高效自动导航作业要求。     

丘陵山地农业装备与坡地作业关键技术研究综述

丘陵山区先进适用农机装备的研发是目前国内农机装备研究的热点和难点问题之一。目前,我国丘陵山区农业生产存在“无机可用,无好机用”的现实问题,并且先进适用丘陵山地农机装备(简称山地农业装备)的研发缺乏必要的理论支撑。本文重点综述了国内外山地农业装备尤其是山地拖拉机及山地农机调平技术、山地拖拉机驱动与动力系统、山地农机具及其作业性能的研究现状,阐述了农机土壤压实与坡地土壤耕作侵蚀的研究进展,总结归纳了山地农机设计及山地农机-土壤互作机理研究的计算机辅助方法。展望丘陵山地农机装备及坡地作业技术的研究重点及发展方向：山地农机-坡地土壤-作物(养分)互作机理研究;山地农机总体设计与农艺及坡地作业场景深度融合;山地农机姿态调平机构与控制策略;山地农机动力高效传递与灵便转向驱动;山地农机作业机组的智能化监测与精确自主导航。以期为我国丘陵山区农机装备的研发设计提供借鉴参考。     

基于OEM板的GPS接收机设计

利用单片机和OEM板二次设计了一种成本低又能满足性能使用要求的经济型GPS接收机。系统硬件是以Intel8051单片机为核心,采用Jupiter-TMGPS接收板二次开发、键盘、液晶显示器、RS-232电缆及其它外围器件开发设计的;应用汇编语言实现了GPS信号的提取、显示及基本的键盘控制操作等。经实验证明:该接收机单点无差分定位精度低,但比一般的手持机精度要高,需要进一步研究如何提高精度。     

基于小波分解的纹理分割的农机化应用研究

农业机械自动导航是农业自动化的重要标志之一,其中图像分割技术已成为农业机械导航的重要环节.为此,根据已收割和未收割的农作物图像具有不同纹理特征的性质,采用小波分解方法,对农作物图像的自动分割进行了大量实验研究,并且与纹理分割常用的Laws能量特征法进行了实验效果和运行效率对比.理论分析和实验结果均表明:基于小波分解的纹理分割方法,完全适用于农业机械导航中的农作物图像自动分割.     

农林环境机器视觉导航路径生成算法及应

提出两种自然环境中的路径导航线生成算法:对于矮小作物规则分布的农田场景,在标准Hough变换的基础上,预先检测共线点峰值的限定偏角阈值,以迅速检测关键信息;对于林地环境及类林地环境的高大作物农田场景,寻找树干与地面的交点,形成机器人行走的左右边界,再求两边交点的中值产生一列点簇.对该列点簇进行Hough变换检测直线作为导航线,或应用最小二乘法拟合左右边界,求其中线作为路径导航线.Matlab对比仿真表明,几种算法对各自适用的场景具有可靠稳定的路径辨识能力,可对图像进行有效的批量处理.     

基于Kalman滤波和纯追踪模型的农业机械导航控制

以KUBOTA SPU-68水田插秧机为试验平台,以RTK-DGPS为主要导航方式,辅以航向姿态参考系统AHRS500GA-227,研究提高农业机械导航控制精度的方法.在重点对GPS倾斜误差校正的基础上,设计了Kalman滤波器对定位数据进行平滑处理,同时实现磁航向传感器偏移误差的在线辨识与航向校正.采用纯追踪模型实现农业机械直线跟踪控制,基于ITAE优化准则,仿真研究了最佳前视距离的确定方法.试验结果表明:GPS倾斜误差校正和Kalman滤波后的导航参数可以更真实地反映插秧机水田实际运动状态;纯追踪模型可以用于插秧机田间作业直线导航,当行进速度0.6m/s时,直线跟踪最大误差小于0.17m,平均误差小于0.02m.     

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。     

农用车辆自动导航定位方法

农用车辆自动导航技术可有效提高作业精度、实现农田规模化生产。该文以电瓶车为试验平台,使用 RTK DGPS、RTD GPS 和电子罗盘分别采集电瓶车的位置信息和航向角度信息,对农用车辆的导航定位方法进行了研究。试验时,以 RTK DGPS 采集的数据作为标准轨迹。在对试验数据进行空间配准后,采用 Kalman 滤波技术对 RTD GPS 和电子罗盘的数据进行了融合;通过计算综合权重值,对单 GPS 系统和融合系统的性能进行测试与评估,其值分别为 0.006、0.002。由此可知,采用 Kalman 滤波的电子罗盘和 RTD GPS 的组合导航系统,定位精度相对较高,稳定性较好,整体性能优于单 GPS 系统。     

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。