北斗导航农机自动驾驶系统研究.docxVIP

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北斗导航农机自动驾驶系统研究 摘要:农机自动驾驶系统是智能化农机装备的重要组成部分,是实现精准农业的前提与关键。本文从增强作业安全,提高作业效率和质量角度出发,提出北斗卫星导航与惯性导航相结合的北斗导航农机自驾系统,将定位信息与高精度北斗卫星导航、捷联惯性导航相结合,由控制器控制农机液压转向系统,使农机按规划路线自动行驶,能够实现农机对预定路径的精确跟踪。为了便于驾驶员观察农机运行状态、标定农机结构参数,设置跟踪控制参数和记录各种相关数据,设计了人机界面旨在使操作更加简洁。田间测试结果表明,此系统直线作业横向偏差与交接行误差均不大于2.5cm,作业速度范围(0.6-12)km/h,有效提高了土地资源利用率和作业管理效率,在农业生产领域具有较高的推广应用价值。 农业是国民经济的基础。为了确保粮食供应和安全,关键是要推动农业生产技术进步。智能化农机装备代表着农业先进生产力,是增强农业综合生产能力的物质基础。随着我国农业现代化的快速发展,农村劳动力老龄化问题加剧,土地规模化经营逐步成型,对智能化农机设备的需求也越来越迫切。农机自动驾驶系统是智能化农机装备的重要组成部分,是实现精准农业的前提与关键,其主要功能是根据各种导航传感器信息,引导农机按照预定的作业技术路线进行精确跟踪行驶。农机自动驾驶作业相比传统人工手动驾驶作业具有如下优点:(1)作业直线度大幅度提高并且不重不漏,能提高农业机械作业质量和土地利用率;(2)能够进行全时段作业,提高了时间利用率;(3)减轻了驾驶员的劳动强度,提高了作业标准化程度。 我国农机自动驾驶技术基础研究存在不足,总体水平同国外相比还有一定的差距,农机自动驾驶的关键技术在于农机导航定位和路径跟踪控制。农机导航定位大多采用组合导航定位的方式,即将两种或两种以上不同导航系统以适当的方式组合起来,采用信息融合算法,使得优势互补、取长补短,获得比使用单一导航系统更加精准的定位信息。从提高定位精度和可靠性角度出发,目前组合导航定位技术存在大量的创新和改进空间。现代农业对田间作业速度的要求越来越快,对作业质量的要求越来越高。因此,不断深入研究农机自动驾驶方法,进一步提升农业机械装备的智能化水平和高效可靠性,支撑现代农业精准化发展具有重大意义。 1 系统整体结构 北斗导航农机自动驾驶系统包括移动基准站组件和车载自动驾驶系统组件两部分构成,如图1所示。 1.1 移动基准站 移动基准站由北斗卫星测量天线、北斗卫星接收机、电台发射天线、电台、12V铅酸蓄电池组成。北斗卫星接收机通过北斗卫星测量天线接收处理结算卫星定位信息,再由电台发射差分定位信息(RTK)。移动基准站信号覆盖范围 移动基准站无线电发射设备功率1W,无线电发射设备频率(230~235)MHz。 1.2 车载自动驾驶系统 车载自动驾驶系统该系统主要包括以下部件:北斗测量卫星主天线(以下简称卫星主天线)、北斗测量卫星副天线(以下简称卫星副天线)、车载电台天线、车载电台、车载北斗/GNSS接收机、工控显示屏、控制器(ECU)、电磁比例换向液压阀和角度传感器组成。卫星主天线作用接收卫星定位和速度信息。卫星副天线与卫星主天线配合实现定向。车载北斗/GNSS接收机接收卫星和移动基站信号并输出高精度定位信息(RTK),实现定位误差=2.5cm。控制器(ECU)接收车载北斗/GNSS接收机高精度定位信息(RTK)、运动姿态传感器(MEMS)和角度传感器的信号(检测农机前轮转向角度值),经信息融合运算后向液压阀实时发送指令,驱动农机的转向机构,使农机按照规划的路线进行高精度自适应自动驾驶。此系统直线作业横向偏差与交接行误差均不大于2.5cm,作业速度范围(0.6-12)km/h,表1。 2 系统控制方法 基于北斗导航的农机自动驾驶控制系统,由北斗卫星导航定位系统(BDS)、捷联惯性导航系统(SINS)、角度传感器、控制器(ECU)、电液比例换向阀和工控显示屏组成。如图2所示。 北斗卫星导航定位系统(BDS)由基站和车载部分组成。基站测量天线与基站接收机衔接,基站接收机与基站发射台衔接,基站发送电台连接基站发送电台天线,基站发送电台天线发送实时动态(RTK)位置信息。车载接收电台天线接收基站发送电台实时动态(RTK)位置信息,车载接收电台、车载测量主天线和车载测量副天线分别连接车载接收机,车载接收机输出农机位置、速度和姿态信息。 捷联惯性导航系统(SINS)由三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成。捷联惯导系统输出农机的位置、速度和姿态信息。控制器(ECU)分别连接车载接收机、捷联惯性导航系统(SINS)、角度传感器、电液比例换向阀和显示屏。电液比例换向阀连接液压转向器,液压转向器连接农机导向轮,农机导轮与角度传感器衔接,角度传感器检测农机导轮的角度

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