果园自走式智能移动平台研究

摘要

林果业发展迅猛，但是对应的移动平台大多是半人力机械设备，或者是还处于理论研究阶段的高造价、高难度设计与操作的智能化装备。本课题针对上述现象，研究设计集自动导航、智能避障于一体的果园智能移动平台。此平台能够帮助果园提高工作效率、减少人工劳动，并且能够促进智能化果园业的普及。 本移动平台的智能化主要体现在:自走式导航、行间避障以及地头自主转弯，主要的研究内容和结果如下: (1)制定了智能移动平台的设计指标和要求，完成了移动平台机械本体的设计。确定了移动平台的移动机构、轮子的类型、驱动方式等，设计了可实现手动和电控模式自由切换的转向机构。 (2)为了提高移动平台智能化水平，引入基于GPS的自主导航系统，并通过卡尔曼滤波算法、PD控制算法来提高导航精度。试验结果表明:移动平台进行稳定的直线导航时，横向偏差的最大值为0.141m，平均值为0.070m;移动平台进行终点转向导航试验时，横向偏差的最大值为0.227m，平均值为0.092m。建立的移动平台导航系统可以紧紧跟随预设路径，满足了果园作业的要求。 (3)针对轮式智能移动平台进行了运动学分析，推导出轮式移动平台在世界坐标系中的最终运动模型，并且规划了平台在果园工作时候的导航路径。 (4)根据移动平台的实际情况来选择最为合适的电机类型以及电机型号，并借用MATLAB/Simulink模块对电机的瞬态过程进行仿真分析。仿真结果表明，在高速、低转矩条件下，MTPA和（Id=0）控制方式都可以使电机较快达到稳定状态，转矩波动较小。在果园特殊的工作环境下，采用MTPA控制的方式要比(Id=0)控制方式好，电机输出力矩响应快，同等输出力矩下电流要小，耗电量更小。 (5)行间导航避障针对的是果树以及其他障碍物，比较判断前端三个对称的超声波传感器回馈的信号，规划避障路线。试验测得最佳行间避障距离为2m，避障成功率为90％;避障花费时间最大值为11.8s，均值为10.6s，方差为0.698;避障期间最大横向偏差达到了1.132m，稳定后的绝对横向偏差均值为0.078m,均方差为0.069。由于避障时间的测定受很多因素影响，所以波动较大。但是从稳定后的横向偏差来看，移动平台的避障操作对后面的导航并没有多大的影响，系统的自我修正能力很高，满足实际应用要求。 (6)完成了导航系统的软件设计，创建了人机交互界面。通过对GPS信号数据的接受与解析完成GPS定位信息提取、滤波以及坐标转换，根据直线和转向的导航控制方法完成整个导航系统的程序开发，实现移动平台的智能直线行走以及转向功能。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景及意义

1．2国内外研究进展

1．2．1国外智能移动平台研究进展

1．2．2国内智能移动平台研究进展

1．3智能移动平台研究思路

第二章果园智能移动平台机械系统设计

2．1目前果园栽培模式

2．2移动平台整体方案设计

2．3机械系统主要工作部件设计

2．3．1轮式移动平台

2．3．2转向机构设计

2．3．3防碰撞结构设计

2．3．4末端可挂载结构设计

2．4驱动模块设计与仿真

2．4．1驱动功率计算及电机选型

2．4．2电机瞬态过程仿真

2．4．3电机瞬态仿真结果分析

2．5供电模块

2．6本章小结

第三章基于GPS自主导航设计

3．1轮式移动平台运动模型建立及导航轨迹规划

3．1．1智能移动平台运动模型建立

3．1．2果树行间轨迹规划

3．2 GPS定位原理

3．2．1 GPS定位原理及数学模型

3．2．2经纬度信息采集与提取

3．2．3高斯-克吕格投影坐标转换

3．3卡尔曼滤波算法及MATLAB仿真

3．3．1卡尔曼滤波算法

3．3．2卡尔曼滤波仿真试验

3．4导航控制策略

3．4．1行间直线导航

3．4．2地头转弯导航

3．6本章小结

第四章果园智能移动平台控制系统设计

4．1果园智能移动平台控制系统总体方案

4．2平台移动控制策略

4．2．1行间避障设计

4．2．3转向控制

4．3控制系统硬件

4．3．1运动控制卡

4．3．2数据采集卡

4．3．3其他部分硬件

4．4控制系统软件

4．4．1自动导航模式

4．4．2手动调试模式

4．5 GPS定位试验

4．5．1定点定位试验

4．5．2定点距离试验

4．6本章小结

第五章果园自走式智能移动平台试验

5．1超声波避障试验

5．1．1超声波避障试验

5．1．2试验结果分析

5．2果园智能移动平台导航试验

5．2．1智能移动平台导航试验

5．2．2试验结果分析

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1研究结论

6．2不足之处以及展望

参考文献

致谢