基于低成本惯导和运动约束的农机高精度定位系统研究

北斗定位系统(BDS)能够实现厘米级的定位,在农机导航系统中获得了广泛应用。然而,单纯的卫星定位系统存在一些局限性,比如易受外界遮挡、数据频率低等。因此,在导航系统中集成惯性元件并发展组合导航技术成为重要研究方向。考虑到高性能惯导成本很高,不利于推广应用,本文研究了农业场景下,使用低成本惯导和BDS构成组合导航系统。为提高定位精度,解决由BDS中断导致误差发散的问题,设计了零速修正。同时,分析了BDS/INS组合导航系统中航向角误差不可观测的原因和误差来源,设计了航向约束方法。当BDS信息可用时,利用双天线航向角信息来抑制航向角误差的累积;当BDS中断时,使用零角速度修正。通过现场实验验证,当BDS可用时,零速修正可以将位置、速度和水平姿态的精度分别提高20%、40%和15%以上,航向约束可以将航向角精度提高90%以上;BDS中断时,零速修正可以将位置、速度的精度提高90%以上,水平姿态的精度提高80%以上,航向约束可以将航向角精度提高40%以上。     

基于状态空间建模的智能农机模型辨识与柔化控制

农机行驶速度切变通常会导致自动导航系统控制精度和稳定性下降、导向轮摆动幅度增大、影响作业效果等问题。本文从建模和控制的角度对上述问题进行了研究改进,设计了智能控制器、转角传感器、RTK基准站等关键设备,建立包含横摆动力学的状态空间模型,实现了能够适应较大速度变化的状态反馈控制器。并以东风DF1004-2型轮式拖拉机为实验平台,进行了智能化改装和实验验证。智能农机路径跟踪控制一般假设速度为常数,基于运动学模型设计反馈控制或者追踪控制,由于没有对横摆角速率状态加以利用,偏差纠正收敛较慢,偏差较大,且速度发生切变时,导向轮调整幅度变大,精度和稳定性均会下降。通过对农机进行系统辨识,建立农机横摆运动的动力学模型,然后运用辨识出的动力学模型设计基于LQR算法的柔化反馈控制,较好地解决了上述问题。在农田中实验结果表明,农机自主导航系统在无速度切变时控制精度达到0.03m,速度发生切变时为0.05m,未发生失稳现象,能够满足农机日常生产工作需求。