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与人工驾驶相比，自主导航农业车辆可以显著提高作业效率、保证作业质量、降低作业成本。因此，北美、欧洲和亚洲的部分发达国家都在积极开展自主导航农业车辆相关技术研究。本文的研究工作是中央高校基本科研业务专项基金项目“智能化农业车辆关键技术研究”(KYZ201006)的子课题。 为了实现智能化农业车辆的自主导航，以东方红SG250型拖拉机为试验平台，采用多普勒测速、网络通信与总线通信、机器视觉、数字图像处理、多传感器数据融合、自动控制等技术对车辆进行功能性改造，对导航系统中若干关键技术进行重点研究。主要研究内容和结论包括: 1、给出了导航系统总体设计方案，并按照该方案对系统进行了模块化设计与系统集成。在总体设计中，提出了基于分层结构的数据采集系统设计理念，同时也为设备控制系统提供了详细的设计流程。在模块化设计中，分别为转角信号采集模块、多普勒测速模块、航姿检测模块、全球定位模块、视觉感知模块、转向油路模块、手/自动转向切换模块、电控转向模块和数据通信模块进行了设备选型及安装、接口电路与驱动程序设计等。模块化设计完成后，对所有模块进行系统集成和联合调试。 2、对车辆的测速系统进行了研究，提出了分辨率自适应测速方案。为测速系统系统设计了硬件电路和数据采集程序。为了保证测量精度和降低分辨率发生器对系统资源消耗，为测速系统设计了分辨率自适应机制。通过速度分级和可变滑窗二重预测，为自适应方案进行优化。最后进行了匀速试验和变速试验，以检验系统性能。试验表明:启动分辨率自适应机制后，车辆速度为0.2m/s时，测量误差百分比降到1.45％，分辨率发生器工作频率降低76.7％;车辆速度为0.8m/s时，测量误差百分比低到0.61％，分辨率发生器工作频率降低90.0％。变速运动过程中，能够获得9.6Hz的稳定输出频率，同时分辨率发生器工作频率降低50.3％～91.4％。 3、对车辆的运动检测方法进行了研究，提出了一种基于机器视觉的实时运动检测方案。通过图像拆分和多线程特征点检测提高传统SIFT特征检测算法的效率，通过归一化综合距离法剔除误匹配的特征点，最后通过相邻时刻同一特征点坐标的变化反推车辆的运动。试验表明:多线程SIFT特征点检测能够使检测时间平均缩短40.7％。归一化综合距离法能够有效剔除传统SIFT算法的误匹配点。当车速为0.8m/s，图像采集频率为5Hz时，车辆在x方向和z方向单次测量误差小于0.0045m，当持续运动时间达到10s时，两个方向累计测量误差均小于0.15m。 4、对农业车辆的同时定位与地图创建理论进行了研究，提出了Gray-EKFSLAM算法。将灰色预测理论和扩展卡尔曼滤波融合，提出了基于灰色扩展卡尔曼滤波的同时定位与地图创建算法。算法在传统的扩展卡尔曼滤波基础上，通过改进的滑窗灰色预测理论建立传感器的GM(1，1)观测预测模型，进而完成新息的计算。为了提高观测精度和抗干扰能力，系统使用了三目摄像机作为观测传感器，并提出了一种简易的权值标定算法。试验表明:精度权值标定后的三目摄像机具有较高的测量精度，16组测量数据中有12组的测量误差小于1％，并能减小由于干扰造成的误差。当路标个数为30时，车辆对路标x和y方向的观测误差均值分别为0.074和0.073m，自身定位误差为0.140m，误差均方差为0.048。当路标个数增加到60时，车辆对路标x和y方向的观测误差均值分别为0.061和0.068m，自身定位误差为0.109m，误差均方差为0.038。 5、设计了车辆转向控制系统，并对车辆的转向性能进行了试验与分析。通过车辆的零状态阶跃响应，建立了车辆的转向模型。通过仿真和试验，得出了PD转向控制器的最佳工作参数。试验表明:使用PD转向控制器后，速度为0.5m/s时，阶跃响应稳态误差为0.32°，误差2.3％，系统超调量为1.86°，超调13.7％;斜坡响应信号平均延迟时间为0.82s，稳态误差为0.25°;正弦响应信号平均延迟时间为0.78s，稳态误差为0.17°。使用速度自适应PD转向控制器后，速度为0.3m/s时，系统平均延迟为0.81s，稳态误差为0.25°;速度为0.7m/s时，系统平均延迟0.84s，稳态误差为0.41°。 6、设计了车辆导航控制系统，并对导航控制系统的整体性能进行了试验与分析。提出了一种DMC-PD串级导航控制器设计方法，并通过试验法对控制器进行参数整定。分别为直线跟踪、视觉避障和终点转向三种常见的导航任务建立了基于航线漂移理论的导航控制策略，最后进行了导航试验。试验结果表明:直线跟踪试验过程中，初始距离为1.2±0.1m时，车辆稳定后，横向偏差最大值为-0.134m，均值为-0.037m，均方差为0.0687。视觉避障试验时，车辆在行驶中能够检测到前方存在的障碍物，并能够通过航线漂移法绕过障碍物。绕过障碍物后，车辆能够继续对原始航线直线跟踪。稳定后，横向偏差最大值为0.102m，均值为-0.012m，均方差为0.0312。终点转向试验时，车辆能够用航线漂移法在终点不间断地进行跨行转向。在转向完毕后的直线跟踪过程中，横向偏差最大值为-0.082m，平均值为0.056m，均方差为0.0975。