【摘要】：以農業(yè)機械為載體,以農業(yè)科技創(chuàng)新為突破,發(fā)展農業(yè)機械的自動化、信息化和智能化能夠有效地提高農業(yè)生產的效率和質量,是滿足農業(yè)生產對農業(yè)機械化的迫切需求和實現(xiàn)農業(yè)機械化高水平快速發(fā)展的有效途徑。本文以實現(xiàn)車輛自主跟隨為目的,結合自主改裝的兩輛小型電動車,搭建了自主跟隨車輛試驗平臺,深入研究了速度控制系統(tǒng)、航向跟隨控制系統(tǒng)、跟隨間距控制系統(tǒng)以及引導車與跟隨車協(xié)同控制的設計與實現(xiàn)方法。主要研究工作包括：1、搭建了自主跟隨車輛試驗平臺。試驗平臺包括引導車與跟隨車控制系統(tǒng)的主控制器、執(zhí)行機構、檢測機構與無線通信系統(tǒng)。引導車與跟隨車控制系統(tǒng)的主控制器選用數(shù)字信號處理器TMS320F28335。兩車執(zhí)行機構包括調速機構、轉向機構與制動機構,通過控制差速電機轉速實現(xiàn)車輛調速,通過控制步進電機實現(xiàn)轉向,通過控制電動推桿實現(xiàn)制動。兩車檢測機構中,增量式旋轉編碼器、絕對式旋轉編碼器和絕對式拉線位移傳感器分別用于檢測車輛的行駛速度、前輪偏轉角和電動推桿行程；反射型紅外傳感器和超聲波測距傳感器分別用于檢測跟隨車相對于引導車的航向偏轉角與跟隨間距。兩車無線通信系統(tǒng)通過無線傳輸模塊UTC-1212組建,實現(xiàn)兩車之間狀態(tài)信息的通訊。并配備了RTK-DGPS系統(tǒng)記錄車輛的行駛軌跡,驗證系統(tǒng)的運行效果。2、完成了兩車速度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。根據實驗數(shù)據得出差速電機驅動系統(tǒng)的數(shù)學模型,設計了速度閉環(huán)控制結構,根據控制結構設計了基于PI的速度閉環(huán)控制器,并對控制器進行了仿真驗證和參數(shù)整定,結合制動機構協(xié)助調速,完成了速度控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和實際性能測試。3、完成了跟隨車輛航向控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。提出了一種基于反射型紅外傳感器檢測跟隨車相對于引導車的航向偏角的方法和結構設計,對其檢測原理進行了詳細的分析。通過對跟隨車輛運動學分析,推導出前輪偏轉角與航向偏轉角的數(shù)學關系,設計了步進電機驅動下的轉向系統(tǒng)控制模型,并在Matlab-Simulink環(huán)境下進行了仿真研究,完成了基于PD的航向跟隨控制器的設計和參數(shù)整定,并完成了實際運行環(huán)境下的性能測試。4、完成了跟隨間距控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。提出了一種基于超聲波測距的車輛間距控制方法,設計了基于PD的跟隨間距控制器,控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結構,內環(huán)為速度控制環(huán),外環(huán)為跟隨間距控制環(huán)。對控制器進行仿真驗證和參數(shù)整定,并完成了實際運行環(huán)境下的性能測試。5、設計了引導車與跟隨車協(xié)同控制算法。針對組建的兩車無線通信系統(tǒng),結合自定義的協(xié)同控制命令語句格式與內容,設計了兩車協(xié)同控制算法。利用Matlab軟件開發(fā)了車輛行駛狀態(tài)信息監(jiān)測的上位機軟件,實現(xiàn)了自主跟隨中兩車行駛狀態(tài)信息的實時顯示與存儲。在軟硬件設計的基礎上,開展了系列性能測試試驗,試驗結果如下：1、速度控制性能試驗。實驗結果：設定行駛速度為1.11m/s(4Km/h),平整水泥路面下的調節(jié)時間為0.87s,穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.07m/s,與目標值之間的相對誤差為3.6%,穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.04m/s；變路況下的調節(jié)時間為0.85s,穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.06m/s,與目標值之間的相對誤差為4.5%,穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.05m/s；草泥路面下的調節(jié)時間為0.97s,穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.04m/s,與目標值之間的相對誤差為6.3%,穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.09m/s。實驗結果表明：控制系統(tǒng)在實際路況下運行時具有較快的響應速度,較高的準確性和良好的穩(wěn)定性。2、航向跟隨控制性能試驗。實驗結果：設定目標航向偏轉角分別為±5°、±10°、±15°和±20°時,調節(jié)時間最大為3.3s,其中±5°和±10°的控制響應無超調,±15°的控制響應超調量為3.3%,±20°的控制響應超調量為5%。實驗結果表明：航向跟隨實際控制效果與仿真結果基本一致,具有良好的穩(wěn)定性和準確性。3、自主跟隨控制整體性能試驗。水泥路況下,設定跟隨間距為1.5m,分別開展了跟隨速度為2Km/h和5Km/h的實驗,實驗結果：兩車行駛路徑的最大橫向偏差為8.1cm,平均橫向偏差的最大值為2.8cm,方差的最大值為4.5cm2；跟隨間距的最大偏差為7cm,平均值的最大值為152.6cm,方差的最大值為7.4 cm2；果園路徑下的自主跟隨控制實驗結果：兩車行駛路徑的最大橫向偏差為9.2cm,平均偏差為3.3cm,方差為5.5cm2；跟隨間距的最大偏差為9cm,平均值為153.7cm,方差為9.2 cm2。整體實驗結果表明：本文設計的速度控制系統(tǒng)、跟隨間距控制系統(tǒng)和航向跟隨控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)車輛的自主跟隨,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,體現(xiàn)出其在復雜農業(yè)環(huán)境中的應用前景。
【學位授予單位】：南京農業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：S220.3;TP273

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本文編號：2619702