1_6插秧机的dgps自动导航控制系统研究.pdf

摘 要 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”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”2(040B加701001)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DPGS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Kall刀an滤波算法组成。 利用亚米级DGps(TrimbleAg132)、H恻J3000电子罗盘、ADXRs30o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 法具有良好的抗千扰能力，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。该滤波器以一致性阐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XEr，误差大大减小。在完全DPGS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Matlba/simulnki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。一57n岁5，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45 以内，超调量大约在35.% 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65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PDI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，PDI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Pm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 PDI 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PDI控制和模糊逻辑控制相结合的方法，和单独使用PDI控制方法相比， 直线跟踪的平均跟踪误差从0.5m减小到住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减小到住Zm。 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