【摘要】：農(nóng)機(jī)裝備被列入“中國制造2025”重點(diǎn)研究領(lǐng)域,而自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)是農(nóng)機(jī)裝備智能化發(fā)展的趨勢之一。自動(dòng)導(dǎo)航農(nóng)業(yè)機(jī)械能有效提高作業(yè)效率和質(zhì)量、減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度,但是成本高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜等因素限制了其應(yīng)用推廣。針對水田農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化程度低、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜而難以精確控制的問題,本文對傳統(tǒng)水稻穴直播機(jī)機(jī)頭進(jìn)行了自動(dòng)化改造,并圍繞導(dǎo)航控制系統(tǒng)的全覆蓋路徑規(guī)劃和路徑跟蹤控制算法進(jìn)行了研究。主要研究內(nèi)容如下:(1)對傳統(tǒng)的水田作業(yè)拖拉機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化改造。針對傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)電控程度低的問題,以洋馬VP6E型水稻穴直播機(jī)機(jī)頭為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)并聯(lián)步進(jìn)電機(jī)、油門控制系統(tǒng)并聯(lián)電動(dòng)推桿裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化改造,滿足自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電控要求。(2)研究了農(nóng)田全覆蓋路徑規(guī)劃算法。對于作業(yè)區(qū)域最佳作業(yè)方向求解的問題,提出了地頭轉(zhuǎn)彎面積最小的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。對于地頭轉(zhuǎn)彎區(qū)域路徑規(guī)劃的問題,采用五階貝塞爾曲線擬合農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)彎路徑,考慮農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)學(xué)約束,以長度最短為最優(yōu)目標(biāo)建立非線性有約束的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型;最后采用差分進(jìn)化算法對最優(yōu)化模型進(jìn)行求解。(3)針對純追蹤模型路徑跟蹤系統(tǒng)在車身速度較快時(shí)容易發(fā)生振蕩的問題,提出了基于模糊控制的穩(wěn)定性優(yōu)化方法。在考慮自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為一階慣性環(huán)節(jié)的情況下,建立農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析了跟蹤直線時(shí)純追蹤模型的穩(wěn)定性條件;基于此穩(wěn)定性條件,以速度和橫向偏差為輸入,建立模糊控制模型來實(shí)時(shí)調(diào)整純追蹤模型的前視距離。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,該方法在在低速0.3m/s時(shí)能快速上線,在高速1.0m/s時(shí)超調(diào)較傳統(tǒng)方法更小,對速度具有一定的適應(yīng)能力,有效了提高路徑跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(4)針對傳感器零偏誤差等擾動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)控制精度低的問題,提出了基于線性自抗擾控制器的路徑跟蹤方法。首先對農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行線性化,設(shè)計(jì)跟蹤微分器對橫向偏差進(jìn)行濾波和獲取微分信號(hào),設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)對所有干擾總和的估計(jì)和農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的估計(jì),用干擾估計(jì)量補(bǔ)償線性PD控制器。該方法只需要測量農(nóng)機(jī)的橫向偏差而不需航向角偏差,減少了導(dǎo)航系統(tǒng)成本。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法最大平均誤差為-0.23cm,能有效抑制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。
【圖文】：

(a)自動(dòng)轉(zhuǎn)向方向盤 (b)顯示屏 (c)GPS 接收機(jī)圖 1-1 約翰迪爾自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.1-1Automatic navigation system of John Deere水田農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的研究，主要集中于中國和日本。日本國家的 Nagasaka 于 1997 年開始從事自動(dòng)導(dǎo)航插秧機(jī)的研究，利用定位精度為為 10Hz 的 RTK-GPS(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分全球定位系統(tǒng))來測量農(nóng)機(jī)，利用光纖陀螺儀(FOG)來測量航向信息，以簡單的比例控制器來跟蹤直實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛功能[16-19]。京都大學(xué)在水稻收獲機(jī)械上開發(fā)了一種機(jī)器與農(nóng)場工人合作的集成算法，聯(lián)合機(jī)器人能夠通過周期性地重復(fù)收獲、歸和重新啟動(dòng)操作來實(shí)現(xiàn)自主收獲[20,21]。國內(nèi)關(guān)于水田自動(dòng)駕駛農(nóng)機(jī)的研包括農(nóng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)、所使用的導(dǎo)航設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及直線跟蹤精度， 所示。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)是國內(nèi)最早開始研究水田自動(dòng)導(dǎo)航農(nóng)機(jī)的機(jī)構(gòu)，200文院士團(tuán)隊(duì)以 GPS 和電子羅盤為導(dǎo)航設(shè)備，在久保田 SPU-68 型插秧機(jī)基于模糊自適應(yīng) PID 算法的導(dǎo)航控制系統(tǒng)，可以使插秧機(jī)在水泥路面上度沿預(yù)定路線行走，，直線行走速度為 0.75m/s 時(shí)平均誤差為 4cm、最大誤[22,23]

第二章 水稻穴直播機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)閥的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的自動(dòng)化控制，這種方式能提供應(yīng)復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境，但是需要原液壓油路提供可并聯(lián)動(dòng)化改造方案，一般是在轉(zhuǎn)向軸上直接并聯(lián)一套電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，扭矩通過一定的放大之后直接傳到轉(zhuǎn)向軸，之作的一致。由于空間的限制，這種改造方案能選擇的電往往不高，但是在空間足夠的情況下能適用所有形式用的洋馬 VP6E 型水稻穴直播機(jī)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)如圖 2-向盤、扭矩發(fā)生器、油泵、減速器以及連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)扭矩發(fā)生器的閥口打開，油泵驅(qū)使液壓油進(jìn)入扭矩發(fā)減速器傳遞到連桿轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S223.2;TP273

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2696536