基于BDS（北斗）的油菜直播机组作业导航技术研究

摘要

随着精准农业发展和需求，智能化农机装备成为农机技术的发展方向。油菜精量联合直播机智能化技术主要包括自动导航技术、田间播种实时监测与自动补种技术等。作业自动导航技术能够精确控制厢宽和播种机组行走直线度，最大限度利用油菜种植田块资源，为油菜中期智能化田间管理监控和后期机械化收获提供标准化的作业环境，同时减轻油菜播种、收获等田间作业的人工劳动强度，提高作业效率和播种质量。针对油菜精量联合直播机组田间导航播种对直线行走的要求，开展了油菜精量联合直播机组自动导航关键技术及其控制方法的研究，包括导航定位方法、导航控制策略、前轮转向控制方法和便携式转向执行机构的研制及其相关试验研究，对其关键技术进行了试验验证与适用性测试，具体研究内容如下:
　　(1)设计了定位数据与IMU融合的Kalman滤波器，提高了定位精度。BDS定位技术是油菜直播机导航系统的输入环节，针对定位数据获取和油菜直播机行驶振动引起的观测噪声，设计了BDS-RTK定位系统的解码投影转换器，完成定位数据采集;设计了数据融合Kalman滤波器，确定了滤波器各项参数，用于融合BDS数据和IMU数据，以获得比单一定位源精确的直播机位置信息。滤波器试验使用DBS定位系统对农机直线行驶进行数据采集，同时进行Kalman滤波并采集滤波结果，结果表明:测量航向数据标准偏差为0.0654rad，滤波结果标准偏差为0.0326rad，减小50.15％;横向偏差滤波结果数据较测量横向偏差数据平滑。
　　(2)提出了一种基于SVR逆向模型的拖拉机导航纯追踪控制方法，用于降低轮胎侧滑对导航精度的影响。直线行驶控制方法是油菜直播机导航作业的核心运算方法，针对油菜直播机田间播种过程中非坚实地面导致的轮胎侧滑量、田间地表特征等不确定性因素导致传统拖拉机二轮运动学模型难以准确描述拖拉机的运动轨迹的问题，并为适应前茬作物覆盖的非坚实土壤油菜播种环境，提出了一种基于SVR逆向模型的拖拉机导航纯追踪控制方法。基于粒度支持向量回归(GSVR)方法建立了拖拉机前进航向的逆向模型，实时获得实际转弯曲率与运动学理论转弯曲率的函数关系，通过逆向模型对纯追踪导航模型输出的校正，提高了纯追踪导航控制方法的适应性和动态性能。路面直线跟踪试验结果表明:行驶距离大于125m，跟踪速度v为1.2m/s时，横向偏差最大值小于0.0614m，绝对平均偏差不大于0.0154m;速度适应性试验表明:针对0.7m/s至1.4m/s的速度进行比较试验最大横向偏差和平均横向偏差分别平均下降了42％和50％，并且速度达到1.4m/s情况下，分别下降48％和59％。导航系统田间作业直线跟踪试验表明:所设计的控制方法相比常规方法的最大横向偏差减小0.0392m(37％)，平均绝对横向偏差减小0.0192m(34％)，标准差增加0.0057m(15％)。
　　(3)建立了油菜直播机组双切圆寻线模型，获得其最优转弯与换行路径。针对油菜直播机组导航作业中田头换行、转弯等直线跟踪之间的有效衔接控制的需要，设计了一种适用于2BFQ-6型油菜精量联合直播机导航的双切圆寻线模型控制方法。该方法对初始偏差较大时拖拉机的寻线路径进行定量分析，获得最优寻线路径与直播机转弯半径的几何关系，依据该关系构建控制决策方法。所建决策方法根据拖拉机位姿状态选择相匹配的控制方程组，计算获得前轮转角以实现导航控制。开展了双切圆寻线模型参数仿真优化和性能与适应性仿真试验。使用该模型控制器进行拖拉机路面导航试验，结果表明:当行驶速度为0.7m/s，设定拖拉机到目标直线初始距离为7m，初始航向偏角为90°时，控制器横向偏差响应的超调量不超过3％，上升时间小于14s，调节时间不大于19s，较纯追踪模型方法的超调量和调节时间减小。
　　(4)以油菜精量联合直播机组配套动力东方红-LX854型拖拉机为平台，针对研发的电控全液压转向系统导航作业时转向控制稳定性和准确性差的问题，设计了自适应变论域模糊控制器。论文应用旋升优选法对模糊控制器参数仿真分析，获得了不同波形、幅值和周期激励信号下的最优参数组合，运用窗口Fourier变换和自卷积法设计了响应类型的实时识别方法，依据识别的结果和仿真寻优获得的参数优化基础模糊器规则的论域。在油菜精量联合直播机组配套动力东方红-LX854型拖拉机电控全液压转向系统上试验结果表明:变论域模糊控制器对转向20°的阶跃响应的调节时间为2s，平均稳态误差为0.18°，无稳态振荡现象;跟踪正弦信号平均延时为0.3s;与定论域模糊控制器相比获得的转向性能更优。
　　(5)针对油菜直播机导航系统中使用的传统农机组前轮转向驱动子系统机构复杂、装卸不便等问题，设计了一种适用于2BFQ-6型油菜精量联合直播机组的摩擦轮式转向驱动系统。摩擦轮式转向驱动系统主要由驱动装置和相匹配的自适应模糊转向控制器组成。驱动装置采用平行四连杆机构以实现工作模式的快速切换，使用夹持方式固定以实现便捷装卸。搭建了试验台架以获取摩擦轮驱动装置的滑移特性数据，同时设计适用于该驱动装置的自适应模糊转向控制器，基于液压系统离散传递函数和滑移特性数据建立了驱动系统递推仿真模型，采用该仿真模型构建遗传算法参数优化器对控制器参数进行在线优化。进行了仿真模型验证试验、遗传算法参数优化器性能对比试验和驱动系统性能试验，结果表明:仿真模型与实际系统基本一致;经过遗传算法参数优化后控制器阶跃响应上升时间减少15％，稳态误差达到3％标准所需调节时间减少29％，消除了振荡现象;所设计驱动系统的2°阶跃响应平均绝对稳态误差为0.197°，平均上升时间为2.0s，稳态误差达到3％标准的平均调节时间为2.4s，农机组前轮控制效果良好。
　　(6)开展了上述各类别的试验研究，验证与评估了各关键技术的各项性能指标。针对油菜精量联合直播机组自动导航系统应用问题，综合上述研究成果设计了导航试验平台，其中包括转向执行机构设计、控制终端设计和导航测控软件系统设计。为验证导航系统的性能和实用性，于华中农业大学现代农业科技试验基地进行了田间作业试验和套行路径跟踪试验。导航系统田间作业直线跟踪试验表明:相比常规方法，所设计的控制方法最大横向偏差减小0.0392m，平均绝对横向偏差减小0.0192m，标准差增加0.0057m;套行路径跟踪试验可实现复杂路径的连续跟踪，直线跟踪部分与转弯跟踪部分衔接良好;直线跟踪部分线性度高，平均绝对横向偏差为0.167m;转弯跟踪部分路径平滑，平均超调量小于1％，上升时间为11.4s，调节时间为13.8s。上述试验结果进一步验证了所研发的油菜精量联合直播机组导航系统的实用性。
　　创新点1:提出了一种基于SVR逆向模型的油菜直播机组导航纯追踪控制方法，该方法采用支持向量回归方法构建逆向模型以修正运动学方程预测值与实际行驶误差，从而可有效提高直线跟踪精度。
　　创新点2:构建了一种双切圆寻线模型，并设计了基于该模型的油菜直播机组导航田头控制方法，该模型依据油菜直播机组寻线几何原理构建，用于提高油菜直播机转弯和换行等田头操作的导航质量。
　　创新点3:提出了一种前轮转向变论域模糊控制方法，该方法能够实时识别前轮转向状态，并依据状态实时调节模糊控制器论域，从而提高油菜直播机前轮转向控制精度。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外农机导航研究现状与分析

1．2．1 基于绝对定位导航方法研究概况

1．2．2 基于机器视觉定位导航方法研究概况

1．2．3 导航转向系统研究概况

1．2．4 导航控制系统研究概况

1．3 油菜精量联合直播机组作业导航研究背景

1．3．1 油菜精量联合直播机组作业导航的影响要素

1．3．2 油菜精量联合直播机导航播种基本要求与关键技术

1．3．3 导航系统总体技术指标分析

1．4 研究内容与研究方法

1．4．1 技术路线和研究内容

1．4．2 研究方法

1．5 本章小结

第二章 油菜精量联合直播机组作业导航系统总体设计

2．1 引言

2．2 油菜精量联合直播机组作业导航系统设计方案

2．3 BDS定位系统数据接口设计

2．3．1 导航定位数据获取与转换

2．3．2 Kalman滤波器设计

2．4 导航路径规划系统设计

2．5 油菜精量联合直播机组作业导航系统性能指标分析

2．6 本章小结

第三章 基于SVR逆向模型的直线导航纯追踪控制方法

3．1 引言

3．2 导航系统模型基础

3．2．1 轮式载具运动学模型

3．2．2 纯追踪模型与改进

3．3 基于SVR逆向模型纯追踪控制方法设计

3．4 粒度支持向量逆向模型构建

3．4．1 逆向模型原理

3．4．2 动态高斯粒度处理

3．4．3 SVR支持向量回归应用

3．4．4 逆向建模

3．4．5 GSVR逆向模型仿真验证

3．5 基于SVR逆向模型纯追踪控制器试验

3．5．1 导航控制系统性能试验与分析

3．5．2 导航控制系统比较试验与分析

3．6 本章小结

第四章 基于双切圆寻线模型的机组导航田头控制方法

4．1 引言

4．2 双切圆寻线路径分析

4．2．1 第一类双切圆寻线路径分析

4．2．2 第二类双切圆寻线路径分析

4．2．3 第三类双切圆寻线路径分析

4．3 双切圆寻线模型设计

4．3．1 双切圆寻线模型控制方程构建

4．3．2 双切圆寻线模型决策方法

4．4 双切圆寻线模型仿真分析

4．4．1 仿真模型构建

4．4．2 仿真模型验证

4．4．3 双切圆寻线模型门限值仿真优化

4．4．4 双切圆寻线模型性能对比仿真试验

4．4．5 双切圆寻线模型适应性仿真试验

4．5 寻线模型性能试验

4．6 本章小结

5．1 引言

5．2 前轮转向系统模型

5．2．1 前轮转向系统结构

5．2．2 前轮转向系统模型辨识

5．3 前轮转向系统仿真

5．3．1 转向系统Simulink仿真模型建立

5．3．2 仿真模型验证

5．3．3 控制器参数仿真优化

5．4 变论域模糊控制器设计

5．4．1 基础模糊控制器设计

5．4．2 自适应模糊参数整定器设计与优化

5．4．3 信号实时识别分类方法

5．4．4 信号模式识别分类器识别试验

5．5 变论域模糊控制器试验

5．5．1 控制器性能试验

5．5．2 控制器比较试验

5．6 本章小结

6．1 引言

6．2 摩擦轮式转向系统总体设计

6．3 摩擦轮式转向驱动装置设计

6．3．1 驱动原理

6．3．2 转向驱动装置结构设计

6．4 摩擦驱动装置滑移特性分析与试验

6．4．1 滑移原理分析

6．4．2 滑移特性试验

6．5 自适应模糊转向控制器设计

6．5．1 卡尔曼滤波器参数设置

6．5．2 摩擦轮式农机组转向驱动系统仿真模型

6．5．3 参数优化遗传算法架构

6．6 摩擦轮式转向驱动系统性能试验与分析

6．6．1 比较试验

6．6．2 性能试验

6．7 本章小结

第七章 油菜精量联合直播机组作业导航系统试验研究

7．1 引言

7．2 油菜精量联合直播机组作业导航试验平台

7．2．1 作业导航试验硬件平台

7．2．2 并联全液压转向执行机构

7．2．3 导航系统控制终端设计

7．2．4 导航测控软件系统

7．3 油菜精量联合直播机组自动作业导航试验与分析

7．3．1 导航系统田间作业试验

7．3．2 套行路径跟踪试验与分析

7．4 本章小结

8．1 总结

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

附录

致谢