矩形农田的拖拉机导航路径规划设计

摘要

拖拉机自动导航技术可提高农业机械在农田区域的作业精度，并且可以全天候作业，受到天气等外界因素影响小，自动化控制程度较高，是达到节约资源与成本，减少环境污染，提高农业产量与作业质量的高科技技术。本研究基于华中农业大学智能导航控制平台，通过处理和分析农田区域的北斗卫星导航系统（BDS——BeiDou Navigation Satellite System）二维数据信息，计算农田边界信息，以高土地利用率与高有效路径作业比为目标，利用数学建模的方法和最优规划理论，对基于北斗定位技术的导航路径规划方法进行了研究。
　　设计了针对矩形农田基于BDS的拖拉机导航路径规划系统，以车载计算机为载体，通过串口接收卫星导航接收机发出的定位信息；利用多线程技术，解析转换坐标信息、能够对矩形农田地块进行自动边界识别，并结合农机参数（作业幅宽与拖拉机最小转弯半径）规划出适合自动化作业的高精度作业路径。通过试验表明，开发的基于BDS的拖拉机导航路径规划系统工作可靠、运行稳定，满足既定目标。
　　提出了一种旋转极限法，实现了从BDS数据采集点中对农田矩形边界的快速识别。研究了算法的实时性，旋转角度仅从0~90度，旋转范围小，运行时间与采集点个数呈线性关系。对于矩形边界的识别，鲁棒性好，即使局部信息不完整，只要有三条边的坐标信息即可完成，利用这一特性可进一步减少前期工作量的同时提高算法实时性。
　　提出了一种单元套行算法，实现了适合自动化作业的田间路径规划。算法首先结合农田几何参数与农机参数计算作业行数与作业单元数。作业单元以满足套行走法的最小偶数个作业行为基准，以处于最中间的作业行中点为单元起点开始作业，经过作业行先走套行小弯再走套行大弯完成一个作业环，作业环之间环环相扣，完成一个个作业单元，作业单元终点一般也在单元起点的附近。该算法克服了原有套行法的缺点，覆盖率高、作业路径有效比高，单元模块化的设计也有利于计算机编程实现与自动化操作。
　　利用基于BDS的拖拉机路径规划系统进行了实地试验，试验结果表明该系统能稳定完成BDS数据的接收与分析、农田矩形边界识别并规划出较为合理的作业路径的任务，表现出很好的鲁棒性与适应协调性，实时性也较好。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目标与研究内容

第二章 拖拉机导航路径规划系统总体设计

2.1 矩形农田的拖拉机导航路径规划系统工作流程

2.2 路径规划系统设计

2.3 系统关键技术

2.4 本章小结

第三章 北斗定位信息的数据处理

3.1 数据来源与分析

3.2 BDS定位信息解析

3.3 矩形田块边界的识别

3.4 本章小结

第四章 拖拉机矩形田块作业路径规划

4.1 路径规划的设计原则

4.2 路径规划方法

4.3 基于BDS的路径规划方法建模过程

4.4 本章小结

第五章 平台试验验证与评估

5.1 平台试验地点

5.2 平台试验系统操作

5.3 平台试验结果与评估

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢