智能水稻穴直播机导航控制系统的研究

发布时间：2020-06-04 14:45

【摘要】：农机装备被列入“中国制造2025”重点研究领域,而自动导航技术是农机装备智能化发展的趋势之一。自动导航农业机械能有效提高作业效率和质量、减轻农民劳动强度,但是成本高、作业环境复杂等因素限制了其应用推广。针对水田农业机械智能化程度低、作业环境复杂而难以精确控制的问题,本文对传统水稻穴直播机机头进行了自动化改造,并围绕导航控制系统的全覆盖路径规划和路径跟踪控制算法进行了研究。主要研究内容如下:(1)对传统的水田作业拖拉机进行自动化改造。针对传统农机电控程度低的问题,以洋马VP6E型水稻穴直播机机头为实验平台,通过对转向系统并联步进电机、油门控制系统并联电动推杆装置实现了自动化改造,满足自动导航控制系统对执行机构的电控要求。(2)研究了农田全覆盖路径规划算法。对于作业区域最佳作业方向求解的问题,提出了地头转弯面积最小的优化目标函数。对于地头转弯区域路径规划的问题,采用五阶贝塞尔曲线拟合农机转弯路径,考虑农机转向运动学约束,以长度最短为最优目标建立非线性有约束的最优化数学模型;最后采用差分进化算法对最优化模型进行求解。(3)针对纯追踪模型路径跟踪系统在车身速度较快时容易发生振荡的问题,提出了基于模糊控制的稳定性优化方法。在考虑自动转向系统为一阶惯性环节的情况下,建立农机运动学模型,分析了跟踪直线时纯追踪模型的稳定性条件;基于此稳定性条件,以速度和横向偏差为输入,建立模糊控制模型来实时调整纯追踪模型的前视距离。实验结果显示,该方法在在低速0.3m/s时能快速上线,在高速1.0m/s时超调较传统方法更小,对速度具有一定的适应能力,有效了提高路径跟踪系统的稳定性。(4)针对传感器零偏误差等扰动导致系统控制精度低的问题,提出了基于线性自抗扰控制器的路径跟踪方法。首先对农机运动学进行线性化,设计跟踪微分器对横向偏差进行滤波和获取微分信号,设计线性扩张状态观测器实现对所有干扰总和的估计和农机运动状态的估计,用干扰估计量补偿线性PD控制器。该方法只需要测量农机的横向偏差而不需航向角偏差,减少了导航系统成本。实验结果表明,该方法最大平均误差为-0.23cm,能有效抑制系统稳态误差。
【图文】：

插秧机,农机,自动导航,导航设备

(a)自动转向方向盘 (b)显示屏 (c)GPS 接收机图 1-1 约翰迪尔自动导航系统Fig.1-1Automatic navigation system of John Deere水田农业机械自动导航系统的研究，主要集中于中国和日本。日本国家的 Nagasaka 于 1997 年开始从事自动导航插秧机的研究，利用定位精度为为 10Hz 的 RTK-GPS(实时动态载波相位差分全球定位系统)来测量农机，利用光纤陀螺仪(FOG)来测量航向信息，以简单的比例控制器来跟踪直实现了自动驾驶功能[16-19]。京都大学在水稻收获机械上开发了一种机器与农场工人合作的集成算法，联合机器人能够通过周期性地重复收获、归和重新启动操作来实现自主收获[20,21]。国内关于水田自动驾驶农机的研包括农机试验平台、所使用的导航设备、实验环境以及直线跟踪精度，所示。华南农业大学是国内最早开始研究水田自动导航农机的机构，200文院士团队以 GPS 和电子罗盘为导航设备，在久保田 SPU-68 型插秧机基于模糊自适应 PID 算法的导航控制系统，可以使插秧机在水泥路面上度沿预定路线行走，，直线行走速度为 0.75m/s 时平均误差为 4cm、最大误[22,23]

直播机,转向系统

第二章水稻穴直播机自动导航系统阀的动作来实现转向的自动化控制，这种方式能提供应复杂的农田环境，但是需要原液压油路提供可并联动化改造方案，一般是在转向轴上直接并联一套电机转动，扭矩通过一定的放大之后直接传到转向轴，之作的一致。由于空间的限制，这种改造方案能选择的电往往不高，但是在空间足够的情况下能适用所有形式用的洋马 VP6E 型水稻穴直播机的转向系统如图 2-向盘、扭矩发生器、油泵、减速器以及连杆转向机构扭矩发生器的阀口打开，油泵驱使液压油进入扭矩发减速器传递到连杆转向机构从而实现转向。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S223.2;TP273

【参考文献】