本文關(guān)鍵詞：拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)的研究

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【摘要】：河南省及中原地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)多以中小型農(nóng)機(jī)裝備為主,農(nóng)田作業(yè)面積較小,因此廣泛應(yīng)用由中小型拖拉機(jī)和作業(yè)機(jī)具構(gòu)成作業(yè)機(jī)組。在機(jī)組的作業(yè)過程中,拖拉機(jī)的行駛路徑是否符合農(nóng)機(jī)作業(yè)規(guī)范和要求直接影響到農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)整體的質(zhì)量和效率。本文根據(jù)河南地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點并以提高田間作業(yè)的信息化水平為切入點,圍繞拖拉機(jī)的田間作業(yè)路徑的規(guī)劃方法和輔助導(dǎo)航駕駛技術(shù)兩個關(guān)鍵問題展開研究試驗,開發(fā)了“拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)”,并進(jìn)行了田間的應(yīng)用試驗。本研究主要包括以下幾個方面:(1)根據(jù)拖拉機(jī)的運(yùn)動學(xué)模型將其抽象為剛體,確定了拖拉機(jī)的定位基準(zhǔn)點和隨體坐標(biāo)系,從而得到其最小轉(zhuǎn)彎半徑與通過空間等的計算方法;建立大地固定坐標(biāo)系表示拖拉機(jī)的位置和姿態(tài)信息,得到了使用姿態(tài)參數(shù)對位置參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償以及降低姿態(tài)傳感器系統(tǒng)安裝誤差的計算方法;應(yīng)用高斯投影原理及其正算公式獲得拖拉機(jī)平面坐標(biāo),闡明了RTK和ARHS設(shè)備的通信協(xié)議內(nèi)容和信息格式。(2)根據(jù)拖拉機(jī)典型轉(zhuǎn)彎方式,建立了轉(zhuǎn)彎路徑的數(shù)學(xué)解析模型,從而得到轉(zhuǎn)路徑所必需的地頭轉(zhuǎn)彎區(qū)域?qū)挾群蜁r間成本等參數(shù)的計算方法;闡述了使用農(nóng)田邊界形狀以及自定義等多種方式確定直線作業(yè)路徑的方法和流程;提出使用全排列算法確定直線路徑在路徑規(guī)劃方案中的先后順序,通過數(shù)值計算試驗總結(jié)和歸納出直線路徑遍歷順序的規(guī)律。(3)設(shè)計開發(fā)了“拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)”應(yīng)用軟件,其功能涵蓋了從采集農(nóng)田地理信息數(shù)據(jù)到規(guī)劃作業(yè)路徑,再到拖拉機(jī)輔助導(dǎo)航駕駛等田間作業(yè)的主要環(huán)節(jié);建立了RTK和ARHS與計算機(jī)系統(tǒng)之間的串口通信,根據(jù)通訊協(xié)議解析實現(xiàn)了兩者之間的雙向數(shù)據(jù)通信;設(shè)計開發(fā)了電子地圖和輔助導(dǎo)航交互界面,為駕駛員提供作業(yè)機(jī)組的實時位置姿態(tài)和導(dǎo)航駕駛指示參考信息。(4)采用拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)軟件在試驗田進(jìn)行了作業(yè)路徑規(guī)劃試驗和小麥玉米的播種試驗,路徑規(guī)劃試驗數(shù)據(jù)表明軟件系統(tǒng)所生成的路徑規(guī)劃方案中轉(zhuǎn)彎路徑消耗的時間較其他行走方式至少降低50%;小麥玉米的播種試驗數(shù)據(jù)表明:在輔助導(dǎo)航和光靶導(dǎo)航時拖拉機(jī)行駛軌跡相對于直線路徑的最大橫向偏差要小于自動導(dǎo)航,而自動導(dǎo)航時的行駛軌跡相對于自身擬合直線的最大橫向偏差遠(yuǎn)小于輔助導(dǎo)航和光靶導(dǎo)航。
【關(guān)鍵詞】：RTK 高斯投影 定位測姿 路徑規(guī)劃 輔助導(dǎo)航
【學(xué)位授予單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S219
【目錄】：

• 致謝4-8
• 摘要8-9
• 1 緒論9-20
• 1.1 課題背景和研究意義9-10
• 1.2 課題來源和研究目標(biāo)10-11
• 1.3 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的技術(shù)發(fā)展11-15
• 1.3.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的內(nèi)涵11
• 1.3.2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的國外發(fā)展和應(yīng)用11-12
• 1.3.3 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的國內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用12-15
• 1.4 農(nóng)機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4.1 國外研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀16
• 1.5 拖拉機(jī)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀16-18
• 1.5.1 拖拉機(jī)自動導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀16-17
• 1.5.2 拖拉機(jī)輔助導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀17-18
• 1.6 研究內(nèi)容和技術(shù)路線18-19
• 1.6.1 研究內(nèi)容18-19
• 1.6.2 技術(shù)路線19
• 1.7 本章小結(jié)19-20
• 2 拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)總體方案20-27
• 2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計20-23
• 2.1.1 拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃系統(tǒng)方案設(shè)計20-21
• 2.1.2 拖拉機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)方案設(shè)計21-23
• 2.2 系統(tǒng)開發(fā)平臺23-25
• 2.2.1 硬件部分23-24
• 2.2.2 軟件部分24-25
• 2.3 系統(tǒng)功能25-26
• 2.4 本章小結(jié)26-27
• 3 拖拉機(jī)定位測姿方法的研究27-37
• 3.1 拖拉機(jī)平面運(yùn)動學(xué)模型27-28
• 3.2 拖拉機(jī)的定位姿態(tài)參數(shù)28-29
• 3.3 定位補(bǔ)償與姿態(tài)校準(zhǔn)29-30
• 3.3.1 RTK天線的定位補(bǔ)償29-30
• 3.3.2 ARHS的姿態(tài)校準(zhǔn)30
• 3.4 高斯投影的應(yīng)用30-33
• 3.4.1 高斯投影原理30-31
• 3.4.2 高斯投影正算公式31-33
• 3.5 傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信33-36
• 3.5.1 NMEA-0183 通信協(xié)議33-34
• 3.5.2 ARHS系統(tǒng)的通信協(xié)議34-36
• 3.6 本章小結(jié)36-37
• 4 拖拉機(jī)田間作業(yè)路徑規(guī)劃方法的研究37-50
• 4.1 轉(zhuǎn)彎路徑的規(guī)劃方法37-42
• 4.1.1 轉(zhuǎn)彎路徑的解析與表示38-40
• 4.1.2 轉(zhuǎn)彎路徑耗時成本40-41
• 4.1.3 轉(zhuǎn)彎路徑的地頭區(qū)域最小寬度41-42
• 4.2 直線路徑的規(guī)劃方法42-44
• 4.2.1 作業(yè)方向的確定42-43
• 4.2.2 直線路徑的解析與表達(dá)43-44
• 4.3 直線路徑跟蹤偏差的計算44-45
• 4.4 路徑規(guī)劃方案45-49
• 4.4.1 全排列算法46-47
• 4.4.2 直線路徑的遍歷順序47-49
• 4.5 本章小結(jié)49-50
• 5 拖拉機(jī)作業(yè)路徑規(guī)劃與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)軟件的設(shè)計開發(fā)50-67
• 5.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計思路50-53
• 5.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)50-51
• 5.1.2 標(biāo)準(zhǔn)模塊51-52
• 5.1.3 主界面設(shè)計52-53
• 5.2 串口通信子系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)53-55
• 5.2.1 通信參數(shù)設(shè)置對話框的設(shè)計54
• 5.2.2 MSComm控件及其屬性設(shè)置54
• 5.2.3 定位姿態(tài)數(shù)據(jù)的解析54-55
• 5.3 路徑規(guī)劃子系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)55-61
• 5.3.1 農(nóng)田作業(yè)信息和設(shè)備參數(shù)設(shè)置對話框的設(shè)計56-57
• 5.3.2 作業(yè)路徑規(guī)劃計算57-61
• 5.4 電子地圖子系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)61-63
• 5.4.1 電子地圖的初始化61-62
• 5.4.2 顯示靜態(tài)元素62-63
• 5.4.3 顯示動態(tài)元素63
• 5.5 輔助導(dǎo)航子系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)63-66
• 5.5.1 計算跟蹤偏差64
• 5.5.2 人機(jī)交互界面的設(shè)計開發(fā)64-66
• 5.6 本章小結(jié)66-67
• 6 田間試驗與數(shù)據(jù)處理67-77
• 6.1 作業(yè)路徑規(guī)劃試驗67-68
• 6.2 導(dǎo)航系統(tǒng)田間試驗68-76
• 6.2.1 拖拉機(jī)輔助導(dǎo)航田間試驗68-71
• 6.2.2 拖拉機(jī)自動導(dǎo)航田間試驗71-74
• 6.2.3 拖拉機(jī)光靶輔助導(dǎo)航田間試驗74-76
• 6.3 本章小結(jié)76-77
• 7 結(jié)論與展望77-79
• 7.1 結(jié)論77-78
• 7.2 展望78-79
• 參考文獻(xiàn)79-83
• 附錄A：程序代碼（部分）83-91
• 附錄B 攻讀碩士期間完成的科研工作91-92
• 英文摘要92-93

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本文編號：1127955