發(fā)布時間：2020-04-08 18:50

【摘要】：以農(nóng)業(yè)機(jī)械為載體,以農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新為突破,發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化、信息化和智能化能夠有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量,是滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迫切需求和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化高水平快速發(fā)展的有效途徑。本文以實(shí)現(xiàn)車輛自主跟隨為目的,結(jié)合自主改裝的兩輛小型電動車,搭建了自主跟隨車輛試驗(yàn)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(dǎo)車與跟隨車協(xié)同控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。主要研究工作包括：1、搭建了自主跟隨車輛試驗(yàn)平臺。試驗(yàn)平臺包括引導(dǎo)車與跟隨車控制系統(tǒng)的主控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)與無線通信系統(tǒng)。引導(dǎo)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(jī)構(gòu)包括調(diào)速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與制動機(jī)構(gòu),通過控制差速電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)車輛調(diào)速,通過控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向,通過控制電動推桿實(shí)現(xiàn)制動。兩車檢測機(jī)構(gòu)中,增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對式旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)車的航向偏轉(zhuǎn)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(shí)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(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行效果。2、完成了兩車速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出差速電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),根據(jù)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于PI的速度閉環(huán)控制器,并對控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和參數(shù)整定,結(jié)合制動機(jī)構(gòu)協(xié)助調(diào)速,完成了速度控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和實(shí)際性能測試。3、完成了跟隨車輛航向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(dǎo)車的航向偏角的方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對其檢測原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過對跟隨車輛運(yùn)動學(xué)分析,推導(dǎo)出前輪偏轉(zhuǎn)角與航向偏轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)關(guān)系,設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模型,并在Matlab-Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究,完成了基于PD的航向跟隨控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定,并完成了實(shí)際運(yùn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。提出了一種基于超聲波測距的車輛間距控制方法,設(shè)計(jì)了基于PD的跟隨間距控制器,控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),內(nèi)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(jìn)行仿真驗(yàn)證和參數(shù)整定,并完成了實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的性能測試。5、設(shè)計(jì)了引導(dǎo)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(jié)合自定義的協(xié)同控制命令語句格式與內(nèi)容,設(shè)計(jì)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(jī)軟件,實(shí)現(xiàn)了自主跟隨中兩車行駛狀態(tài)信息的實(shí)時顯示與存儲。在軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,開展了系列性能測試試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如下：1、速度控制性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：設(shè)定行駛速度為1.11m/s(4Km/h),平整水泥路面下的調(diào)節(jié)時間為0.87s,穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.07m/s,與目標(biāo)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(diào)節(jié)時間為0.85s,穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.06m/s,與目標(biāo)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(diào)節(jié)時間為0.97s,穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.04m/s,與目標(biāo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：控制系統(tǒng)在實(shí)際路況下運(yùn)行時具有較快的響應(yīng)速度,較高的準(zhǔn)確性和良好的穩(wěn)定性。2、航向跟隨控制性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：設(shè)定目標(biāo)航向偏轉(zhuǎn)角分別為±5°、±10°、±15°和±20°時,調(diào)節(jié)時間最大為3.3s,其中±5°和±10°的控制響應(yīng)無超調(diào),±15°的控制響應(yīng)超調(diào)量為3.3%,±20°的控制響應(yīng)超調(diào)量為5%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：航向跟隨實(shí)際控制效果與仿真結(jié)果基本一致,具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。3、自主跟隨控制整體性能試驗(yàn)。水泥路況下,設(shè)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(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)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?qū)崿F(xiàn)車輛的自主跟隨,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,體現(xiàn)出其在復(fù)雜農(nóng)業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：S220.3;TP273

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本文編號：2619702