论文部分内容阅读
实施精细农业的现代化农业机械装备，应该是一个高度自动化，高度信息化，高度智能化的作业平台。实现现代农业机械装备导航控制的自动化，是其高度自动化的重要内容之一，是实施定位处方农作和定位信息采集的有效支持技术。本文的研究内容是国家自然科学基金项目“基于多源信息融合的蔗田农药精确喷施研究”(60574029)和广东省科技计划项目“精细农业田间作业平台的开发研制”(2004B20701001)的部分内容，主要以久保田插秧机为研究平台，对农业机械的DGPS导航定位、导航控制及系统集成技术进行了研究。
一、导航定位方面
从农业机械DGPS导航控制的实际需要出发，提出了一种多传感器组合定位的方法。该方法主要由航向角度的自适应加权融合估计算法和位置信息的Kalman滤波算法组成。利用亚米级DGPS(TrimbleAg132)、HMR3000电子罗盘、ADXRS300微机械陀螺和光电接近式速度传感器，在久保田插秧机上建立了多传感器组合定位的实验系统。
电子罗盘和微机械陀螺主要用于插秧机的航向角度估计。提出了基于自协方差的加窗估计算法，用于在线估计电子罗盘和微机械陀螺的测量方差。自适应加权融合估计算法根据电子罗盘和微机械陀螺传感器的在线估计方差，以自适应的方式寻找各个传感器的最优加权因子，使融合后的估计值达到最优。实验结果表明：自适应加权融合估计算法具有良好的抗干扰能力，可以平滑和滤除电子罗盘测试噪声，为导航定位、导航控制提供更为精确和可靠的航向角度估计数据。
利用航向角度的自适应加权融合估计结果，结合航位推算算法，设计了自适应卡尔曼滤波器，以融合DGPS信息、航向角度和速度信息，为插秧机提供更为精确的位置估计。该滤波器以一致性阈值判断方法滤除异常定位结果，以新息协方差在线估计测量噪声协方差矩阵，从而提高其自适应能力。仿真结果表明，该卡尔曼滤波器既适用于直线跟踪，也适用于曲线跟踪，对原始DGPS定位结果具有一定的平滑和稳定作用。在GPS差分信号丢失的情况下，可有效避免GPS动态定位的异常结果，最大XTE(横向跟踪误差)和平均XTE误差大大减小。在完全DGPS定位情况下，该卡尔曼滤波器对DGPS定位精度可控制在亚米级范围内，最大XTE误差大大减小，平均XTE误差在一定程度上得到减小。
二、导航控制方面
利用直流电机作为动力源，设计了插秧机的自动转向驱动机构，建立了插秧机的自动转向控制系统。以航向跟踪控制和路径跟踪控制为目标，深入研究了农业机械的导航控制方法。
在对转向控制的PD参数进行整定的基础上，提出了速度自适应PD转向控制方法，以实现插秧机的航向跟踪控制。利用简化二轮车模型，在Matlab/Simulink环境下，对插秧机的转向控制系统进行航向跟踪的仿真。结果表明：速度恒定为0.75m/s，在90度航向跟踪过程中，转向控制系统动态响应的上升时间大约在4s以内，超调量大约在3.5％以内；在180度航向跟踪过程中，转向控制系统动态响应的上升时间大约在6s以内，超调量大约在10％以内。转向控制系统在大角度转向控制过程中表现出较好的动态响应特性。转向控制系统对小角度高频率阶跃变化信号也具有良好的跟踪能力。转向控制系统的设计与仿真为后续路径跟踪、地头转弯控制和DGPS导航控制提供了理论基础。
基于预瞄跟随理论，提出了一种前视距离、预瞄点的确定方法，设计了PID转向轮偏角决策和模糊逻辑偏角决策相结合的导航控制算法模型，以实现插秧机的路径跟踪控制。以简化二轮车模型为控制对象，利用提出的导航控制算法对直线和正弦曲线进行跟踪仿真。结果表明，PID控制方法有利于提高路径跟踪的稳态精度，但不能提高路径跟踪的稳定性，抗干扰能力较差；模糊逻辑方法的稳态跟踪精度不及PID控制方法，但对定位误差的跳变具有一定的抑制作用，稳态跟踪表现出良好的稳定性。基于预瞄跟随的PID控制方法和模糊逻辑方法对曲线跟踪均具有良好的适用性。在定位有随机干扰误差的情况下，使用PID控制和模糊逻辑控制相结合的方法，和单独使用PID控制方法相比，直线跟踪的平均跟踪误差从0.5m减小到0.3m，曲线跟踪的平均跟踪误差从0.4m减小到0.2m；和单独使用模糊控制方法相比，直线跟踪的平均跟踪误差从0.4m减小到0.3m，曲线跟踪的平均跟踪误差从0.3m减小到0.2m。
三、系统集成方面
将插秧机的自动转向控制系统和多传感器组合定位的实验系统进行组装集成，优化结构，为DGPS导航控制系统提供了良好的硬件平台；以导航控制算法的实现为主线，结合GIS技术，对DGPS导航控制软件系统进行了详细的设计和开发。重点论述了GIS在DGPS导航控制软件系统中的应用、基于多线程的系统主控流程、系统集成方法等。将GIS技术应用于DGPS导航控制系统，实现了路径跟踪轨迹的可视化，为实验数据分析提供了便利。
四、实验研究方面
对插秧机DGPS导航控制系统的试验研究主要包括三个方面，传感器与驱动电机的标定、插秧机自动转向控制系统的动态响应特性测试和路径跟踪效果测试实验。驱动电机的动态响应测试试验结果表明：可调速永磁无刷直流电机具有良好的动态响应特性，电动机在1.96V-4V调节电压下工作时，调速电压和电机转速基本上成线性关系。
对转向操纵控制器的动态响应特性进行了实验测试，前轮偏角对周期为20s的20°方波信号具有良好的跟踪能力，从-20°到+20°的跟踪时间大约为5s，稳定后最大跟踪误差为8％。在0.5m/s、0.75m/s速度条件下进行90°转向控制的航向跟踪实验结果表明，在从360°到270°的90°转向过程中，上升时间大约需要10s，超调量20％以内，稳定后航向跟踪误差在5°之内。采用Trimble4700RTK-DGPS高精度接收机记录了插秧机转向轨迹，验证了航向跟踪控制算法的有效性和实用性。
路径跟踪的实验结果表明，本文所采用的基于常速度模型的卡尔曼滤波器可在线估计测量噪声协方差矩阵，使滤波达到最佳并抑制发散，Ag132定位结果有所改善。使用Trimble4700RTK-DGPS接收机作为导航传感器进行路径跟踪，以0.75m/s速度直线行走，最大横向跟踪误差0.136m，平均误差0.044m；以0.33m/s速度曲线行走，最大横向跟踪误差0.088m，平均误差0.041m。同样条件下，使用TrimbleAg132-DGPS接收机作为导航传感器进行路径跟踪，不采用Kalman滤波处理时，直线行走的最大横向跟踪误差0.462m，平均误差0.175m，曲线行走的最大横向跟踪误差1.782m，平均误差0.664m；采用Kalman滤波处理时，直线行走的最大横向跟踪误差0.315m，平均误差0.119m，曲线行走的最大横向跟踪误差0.253m，平均误差0.121m。实验结果验证了导航控制算法的有效性、Kalman滤波算法的有效性和导航控制系统的稳定性和可靠性。