基于双源激光的田间作业机械导航定位系统研究

摘要

精确定位技术是精细农业的一个重要研究内容，是实现智能农机的关键技术之一。由于我国南方水田面积小、使得成本较高的高精度DGPS难以大面积推广，为开发适于南方农业机械的低成本、高精度定位系统，本文提出了一种基于双源激光的定位技术，运用已知的两个激光发射器的距离和实时获得的激光发射器动态发射角度，实时解算出田间作业机械的坐标信息与运动姿态，为田间作业机械导航定位和田间数据定点采集提供技术支撑。本文的研究内容是湖南省自然科学基金“水田作业机器人无标识环境的导航定位技术研究(09JJ6091)”和国家科技支撑项目“轻简化水田作业关键装备研究与示范(2011BAD20808)”的部分内容。研究以高速插秧机为对象搭建试验平台，对系统的无线交换方式、激光光斑识别算法、激光发射角初始化方法，激光接收靶跟踪算法、转向控制算法进行了详细研究，主要内容如下:
　　 1.分析田间作业机械定位与自动驾驶的特点，结合现有定位系统的技术特点和成本因素，提出了基于双源激光的田间作业机械导航定位方法。
　　 2.为保证数据交换的实时性，系统采用2.4G无线通信模块进行数据交换，针对三方数据通信（两激光发射器与接收靶）存在数据交换碰撞问题，提出采用环形链路数据交换的无线通信方法，配合相应的通信协议，确保数据的可靠传输。
　　 3.为获得精确的激光发射器初始角度和基线长度，系统采用超声波对射方式进行距离测量，同时辅以无线通信实现超声波基准时间的启动，并根据投影原理解决探头之间的高度落差问题，通过温度补偿、系统误差补偿等措施，实现了两个激光发射器与激光接收靶三者间的初始距离精确测量，进而完成激光发射器旋转角度和基线长度的初始化。
　　 4.为解决普通激光发射器的光晕、漫反射等问题，提出了基于算术均值滤波与中值滤波融合的激光光斑初始化处理算法。通过理论推导与实验，验证了算法的可行性。
　　 5.为解决目标运动过程中接收靶本身运动及车体振动导致光斑中心检测偏差问题，提出运用可变增益的递推α-β滤波算法对经过初始滤波的激光光斑中心进行二次滤波，实现对光斑中心的动态预估，从而获得了准确的光斑中心，并验证了算法的可行性和必要性。
　　 6.为保持对运动的激光接收靶的持续锁定，从而实现实时定位解算，在深入研究PID算法和卡尔曼滤波理论的基础上，提出了基于增量式PID快速修正的卡尔曼滤波算法，实现了双激光源对运动中的接收器的持续跟踪锁定，进而完成系统高精度定位。
　　 7.以方向盘的转向控制为研究目标，建立了插秧机的转向控制数学模型，深入地研究了插秧机的导航控制方法，提出了模糊免疫PID的转向控制算法。通过Matlab仿真，在模糊免疫PID的Kp,Ki,Kd，K,η分别取6，2，2，0.5，0.5时，系统可获得很好的控制效果，并通过实验验证了导航跟踪精度完全能满足田间作业设备的需要。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究目的意义

1．2 国内外定位导航技术研究现状

1．2．1 电磁诱导定位导航技术

1．2．2 机械触觉定位导航技术

1．2．3 基于惯性传感器的多传感器融合定位导航技术

1．2．4 GPS定位导航系统

1．2．5 视觉定位导航技术

1．2．6 超声波定位导航技术

1．2．7 光学定位导航技术

1．2．8 其他定位方法

1．3 常用定位解算方法研究

1．3．1 多边形定位算法

1．3．2 球坐标定位方法

1．3．3 三角形定位方法

1．4 课题研究主要内容

1．5 本章小结

第二章 系统结构与人机交换平台研究

2．1 系统总体结构

2．2 监控平台结构

2．3 软件系统结构

2．4 软件工作流程

2．5 串口数据传输

2．5．1 串口初始化

2．5．2 数据发送

2．5．3 数据接收

2．6 无线通讯协议设计

2．7 插秧机遥控驾驶设计

2．8 运动轨迹拟合

2．9 数据采集与保存

2．10 本章小结

第三章 无线数据交换方式研究

3．1 通信方式选择

3．2 无线数据交换研究

3．3 本章小结

第四章 激光发射器初始化角度研究

4．1 激光发射角初始化原理分析

4．2 超声波测距系统组成

4．2．1 超声波测距系统硬件设计

4．2．2 测距系统软件设计

4．3 系统误差分析与消除

4．3．1 温度误差分析与补偿

4．3．2 无线模块传输延时误差与补偿

4．3．3 水平面不同导致的误差分析与补偿

4．4 激光发射器角度初始化试验

4．5 本章小结

第五章 激光识别系统设计

5．1 激光发射器设计

5．1．1 激光发射器性能

5．1．2 激光发射器工作机构设计

5．1．3 激光发射器控制电路设计

5．1．4 激光发射器控制软件设计

5．2 激光接收靶设计

5．2．1 激光接收靶结构设计

5．2．2 激光接收靶随动系统结构设计

5．2．3 激光接收靶电路设计

5．3 本章小结

第六章 基于可变增益α-β滤波的光斑中心识别算法研究

6．1 激光接收靶光斑滤波处理流程

6．2 光斑中心预处理算法研究

6．2．1 算术均值滤波算法

6．2．2 中值滤波算法

6．2．3 试验分析

6．3 动态光斑中心识别算法研究

6．3．1 α-β滤波算法研究

6．3．2 可变增益α-β滤波算法研究

6．4 激光光斑中心识别试验

6．5 本章小结

第七章 双激光源跟踪系统研究

7．1 激光接收靶随动控制研究

7．2 基于增量式PID算法的目标跟踪算法研究

7．2．1 PID算法分析

7．2．2 增量式PID算法研究

7．3 基于增量式PID快速修正的卡尔曼滤波跟踪算法研究

7．3．1 卡尔曼滤波理论分析

7．3．2 系统模型建立

7．3．3 系统模型简化与仿真

7．3．4 增量式PID算法与卡尔曼滤波算法的融合

7．4 试验与数据分析

7．4．1 激光接收靶标动态响应性能试验

7．4．2 激光发射器跟踪性能及定位精度试验

7．5 本章小结

第八章 水田作业机械导航控制研究

8．1 控制系统硬件设计

8．1．1 电动机与驱动器设计

8．1．2 中间传动机构设计

8．2 模糊控制分析

8．2．1 模糊控制的基本原理和特点

8．2．2 模糊控制器结构分析

8．3 模糊免疫PID设计

8．3．1 免疫控制的基本原理

8．3．2 免疫PID设计

8．3．3 模糊免疫PID控制器设计

8．4 转向控制策略研究

8．4．1 转向控制模糊免疫PID设计

8．4．2 模糊控制器KI和KD的在线调整

8．4．3 转向驱动机构的传递函数推导

8．4．4 转向控制系统仿真

8．5 本章小结

第九章 导航控制田间试验与数据分析

9．1 试验方法

9．2 试验数据与分析

9．3 本章小结

第十章 总结与展望

10．1 研究结论

10．2 主要创新内容

10．3 进一步研究内容

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果