基于GNSS的农机自动导航控制系统设计.docx

基于GNSS的农机自动导航控制系统设计康1周志峰1王永泉2陈宁1陈(1．上海工程技术大学机械工程学院，上海201600;2．上海司南卫星导航技术有限公司，上海201100)摘要以NewHollandT1554为平台，采用ＲTK-GNSS技术，设计了一种农机自动导航控制系统。系统包括基准站、接收机、无线电台、工控机、触摸屏、切换方向盘、电控比例液压阀和角度传感器。简述了系统各个模块的功能、安装位置和原农机油路的改造方法。样机的试验结果表明:直线和曲线行驶时，最大跟踪误差分别为0．16m和0．32m。关键词自动导航控制系统农机GNSS中图分类号TH865文献标识码A文章编号1000-3932(2014)11-1294-04在国外，农机自动导航控制系统研究较早，如QiuH和ZhangQ设计了由液压泵、比例换向阀及转向控制器等组成的拖拉机电液操控系统［1］;美国天宝公司的Autopilot用GPS和GLONASS双卫星定位，控制农机的转向液压系统，驱使农机自动行驶;日本拓普康公司的System350使用GPS、GLONASS和Galileo多星一体化接收机并带惯导传感器。在国内，谢斌等基于ISO11783提出了一种CAN总线和GPS的分布式控制系统［2］;何卿等采用带非线性补偿的PID控制器设计了双层控制器接触式导航控制系统［3］;白晓鸽等设计了一种基于神经网络的拖拉机自动导航系统［4］;纪朝凤等开发了基于CAN总线的农业车辆自动导航控制系统［5］;胡炼等设计了一种基于CAN总线的分布式控制系统［6］;张智刚等在久保田插秧机上开发了基于DGPS和电子罗盘的导航控制系统［7］。由于目前国内外所有的自动导航控制系统均不支持北斗导航卫星系统，因此笔者设计了一款支持北斗导航卫星的农机自动导航控制系统。＊基础上改造并增加电控比例液压阀，在左前轮轴上安装角度传感器，实时采集前轮动向回馈给工控机。图1农机自动导航控制系统结构框图基准站和接收机三星定位，即接收机能接收到GPS、BDS和1．1GLONASS的卫星信号，保证在每一接收点至少可接收到9～12颗卫星的信号，通过复杂的运算得到高精度的位置坐标。基准站指用作固定参考站的仪器，作业时基准站将已知的精密坐标和接收到的卫星信息直接或经过处理后实时发送给流动站接收机，即农机顶部的接收机，流动站接收机在进行GNSS观测的同时，也接收到基准站的信息，1控制系统硬件设计笔者设计的农机自动导航控制系统结构如图1所示。全球导航卫星系统(GNSS)基准站调制并发射无线电信号，安装在农机顶部的GNSS接收机接收GPS、BDS和GLONASS卫星信号，驾驶室壁上的电台解调无线电信号，工控机处理接收机和电台接收的信号并发送转向控制信号给转向执行机构，该工控机固定于座位底部，使用触摸屏设置农机参数和行进路线，在农机原油路系统的*收稿日期:2014-09-12(修改稿)第11期陈康等．基于GNSS的农机自动导航控制系统设计1295通过对结果进行改正来提高定位精度。接收机的OEM主板采用上海司南卫星导航技术有限公司的支持BDS(北斗导航卫星)、GPS和GLONASS的三星八频低功耗K508GNSSOEM主板，该主板采用北斗三频、GPS三频及GLO-NASS双频进行联合定位，具有超远距离、超快速的高动态ＲTK解算引擎，且可获得分米级定位精度，作业距离可达300km，可直接输出PJK平面坐标、高精简报文。1．2工控机设计中采用速率达720MHz的AM3359处理器、运行全面的LinuxAngstrom操作系统和接口丰富的BeagleBone作为工控机，保证了稳定性和处理大量数据的速度。工控机通过ＲS232串口接收GNSS接收机和电台的实时信息，通过CAN总线和下位机保持通信，通过ＲS232串口和LCD触摸屏连接。工控机根据卫星定位的坐标和车轮的转动情况，用双通道PD算法通过判断偏差信号的正负得出转动方向，实时向液压控制阀发送指令，通过控制液压系统油量的流量和流向，控制农机的行驶，确保农机自动导航。工控机组成框图如图2所示。例液压阀控制油缸执行动作，消除转角偏差，从而达到自动导航的目的(图3)。图3转向控制框图1．4切换方向盘农机遇到突发情况时，需迅速切换到人工驾驶，为此设计一个方向盘，方向盘套(图4)内的压力传感器带有长形皮管，人用在压力管上的压力2最大为30N，管的横截面积为300mm，则最大压力量程为100kPa。笔者选择飞思卡尔传感器(型号MPX5100AP，精度±2．5%，量程100kPa)。当人手握住方向盘时，压力传感器的压力管受到挤压，压力变化，传感器输出信号给工控机，从而实现无人和人工驾驶的迅速切换。图4方向盘套子示意图2导航算法本设计采用带定位误差校正的粒子滤波(PF)方法进行数据融合［9］，可削弱GNSS跳变引起