插秧机自动导航控制系统的设计与研究

摘要

农业生产的根本出路在于农业机械化，而农业机械的未来必将是向智能化的方向发展。自动导航技术是当今智能化领域热门的研究课题之一，也是实现精准农业的重要手段。本文主要研究自动导航技术在水稻插秧机上的应用，根据插秧机作业的工况相对比较复杂且精度要求又高等特点，对插秧机GPS自动导航技术进行了深入的研究。主要研究的内容如下所示:
　　(1)对插秧机进行了自动化改装。将约翰迪尔公司生产的GPS接收机和自动方向盘安装在井关插秧机上，所设计的安装平台及安装机构能够方便地拆卸和快速地移植。同时，将插秧机的油门和档位进行了改装，完成了对油门和档位的自动化控制设计。
　　(2)搭建插秧机自动导航系统硬件平台。设计了基于STM32芯片的下位机导航控制器，结合GreenStar3000 RTK-GPS定位系统、ATU200电动方向盘、AHRS-3000姿态传感器和MEMS陀螺仪等传感器完成了插秧机自动驾驶系统硬件平台的搭建，为实现插秧机自动导航提供了硬件基础。
　　(3)开发了组合式导航算法。首先深入分析了模糊控制算法与纯追踪算法。然后根据插秧机水田作业（包括直线和地头转弯）行驶路径的特点，设计了一种基于组合式算法的导航控制系统。最后利用Matlab/Simulink搭建仿真框图，检验所设计的算法是否有效。
　　(4)开发导航系统上位机软件。基于Windows7操作系统，在Microsoft Visual Studio2013开发环境下，使用C＃语言编写了上位机软件。软件主要有六个功能，分别是数据通讯、数据采集、预定义路径规划、控制决策、参数显示以及数据保存输出等。
　　(5)开展了插秧机自动导航系统试验研究。以自主设计的插秧机自动导航平台为基础，分别进行了水泥路面直线和转弯导航试验以及水田直线导航插秧试验。试验结果为:当插秧机以约0.7m/s的速度在水泥路面上自动转弯行驶时，横向偏差最大值为10.8cm，平均值为2.3cm。当插秧机以相同速度在水田中直线作业导航行驶时，横向偏差最大为6.8cm，平均值为4.2cm。达到了插秧机作业质量的要求。这说明所开发的组合算法已初步拥有了直线和地头转弯的导航能力。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 技术发展与现状

1．3 自动导航系统的主要技术

1．3．1 自动导航定位传感器

1．3．2 导航控制算法

1．4 研究内容与技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 技术路线

1．5 本章小结

第二章 插秧机自动导航系统硬件设计

2．1 GPS定位系统

2．1．1 GPS系统组成与定位原理

2．1．2 RTK-GPS技术

2．1．3 高斯-克吕格投影

2．1．4 GPS接收机选型

2．1．5 GPS接收机的安装

2．2 自动转向系统的设计

2．2．1 自动转向系统设计的原则

2．2．2 方案设计

2．3 档位的自动化改装

2．4 油门的自动化改装

2．5 本章小结

第三章 导航控制算法的设计

3．1 插秧机导航控制原理

3．2 车辆的数学模型及路径定义

3．2．1 车辆的数学模型

3．2．2 导航路径定义

3．3 路径跟踪算法的研究

3．3．1 偏差与前轮转角的设定

3．3．2 模糊控制算法的原理

3．3．3 模糊控制算法的特点

3．3．4 导航模糊控制器的设计

3．3．5 改进型纯追踪算法控制器的设计

3．3．6 模糊控制算法与改进型纯追踪算法的综合

3．4 基于Matlab／Simulink路径跟踪算法的仿真分析

3．4．1 Simulink仿真程序的设计

3．4．2 仿真结果分析

3．5 本章小结

第四章 系统软件的设计与开发

4．1 软件设计的目标

4．2 系统软件的总体设计

4．3 上位机主要模块的编程设计

4．3．1 数据通讯模块

4．3．2 数据采集处理

4．3．3 控制决策模块

4．3．4 上位机界面设计

4．4 下位机编程设计

4．4．1 方向盘的自动控制程序

4．4．2 档位的自动控制程序

4．4．3 油门的自动控制程序

4．5 本章小结

第五章 插秧机自动导航系统试验研究

5．1 GPS接收机精度测试实验

5．2 水泥路面导航试验

5．1．1 试验场地

5．1．2 试验方法与结果分析

5．2 水田试验

5．2．1 试验场地

5．2．2 试验方法与结果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果