设施农业环境下移动作业平台导航控制系统研究

摘要

设施农业是现代化农业的主要生产方式之一，设施农业装备智能化程度体现了农业现代化水平。设计通用的移动作业平台搭载不同的作业模块来配合不同的生产过程，对实现自动化作业具有重要意义。在设施农业环境下通用移动作业平台的设计中，自动导航控制技术作为其自主移动作业的关键技术之一，可以有效提高作业效率和精度。自动导航控制原理是指在完全无人参与的情况下，通过其自身传感器感知周围环境信息，再根据预先规划的路径，由导航控制器决策，控制移动作业平台自动沿预设路径行驶。　　本文主要研究移动作业平台在设施农业环境下实现自动导航，并且保证其对设施农业环境适配的灵活性，选用超宽带导航定位方法，并分别对路径追踪控制方法和转向控制系统进行了仿真和试验研究。主要工作内容如下：　　（1）基于实用性和对设施农业环境适配的灵活性，进行了设施农业环境移动作业平台系统方案设计。分析移动作业平台的系统设计要求，并给出包括机械结构、定位系统、控制系统在内的总体设计方案。　　（2）对比分析了设施农业环境下履带式和轮式行走机构，建立了轮式行走机构的运动学模型，通过对转向推杆和驱动轮电机的控制从而实时控制移动作业平台沿预设路径行驶。　　（3）针对在具有狭窄、复杂特点的设施农业环境中实现移动作业平台自主导航的问题，采用超宽带导航方式和纯追踪算法开发了一种简单有效的移动作业平台导航控制器，实现其自动导航的目的。　　移动作业平台作为设施农业中的重要技术装备，代表着设施农业现代化发展方向，对提升我国设施农业的相关生产装备自动化具有深远影响。本文试验结果表明：超宽带定位系统精度在7cm以内，移动作业平台直线路径行驶平均横向偏差在13cm以内，矩形路径行驶时平均横向偏差在14cm以内，表明本文所设计的移动作业平台自动导航控制系统具有较高的导航精度。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 自动导航控制在国内外研究现状

1.2.1 GPS导航

1.2.2 激光导航

1.2.3 视觉导航

1.2.4 超宽带导航

1.2.5 电磁导航

1.2.6 惯性导航

1.2.7 多传感器融合

1.3 各导航方式优缺点对比

1.4.1 技术路线

1.4.2 研究内容

2 移动作业平台总体方案设计

2.1 移动作业平台技术指标

2.2 移动作业平台系统结构设计

2.3移动作业平台硬件设计与实现

2.3.1驱动方式选择

2.3.2 移动作业平台轮系结构布局设计

2.3.3 传动系统结构

2.3.4 电机选型

2.3.5移动作业平台转向系统设计

2.4本章小结

3 移动作业平台位置与姿态获取

3.1 超宽带定位技术及理论概述

3.2 超宽带定位方法分类

3.2.1 非距离测量定位方法

3.2.2 基于测距的定位方法

3.2.3 超宽带多基站融合定位算法

3.2.4定位系统误差来源分析

3.3 静态定位试验

3.3.1 静态测距试验

3.3.2 静态定位精度测试

3.4姿态信息获取

3.5本章小结

4 移动作业平台路径追踪方法研究

4.1 路径追踪方法概述

4.2 导航控制原理

4.3 运动偏差模型分析

4.4 纯追踪算法

4.4.1 纯追踪算法介绍

4.4.2 前视距离的确定

4.5 Matlab仿真

4.5.1 直线路径仿真试验

4.5.2 矩形路径仿真试验

4.6 本章小结

5 实车试验及结果分析

5.1 速度测试试验

5.2 路径追踪试验

5.2.1 直线行驶试验

5.2.2矩形路径行驶试验

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 不足与展望

参考文献

致谢