農(nóng)業(yè)車輛自主跟隨控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、以農(nóng)業(yè)機(jī)械為載體，以農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新為突破，發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化、信息化和智能化能夠有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，是滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迫切需求和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化高水平快速發(fā)展的有效途徑。本文以實現(xiàn)車輛自主跟隨為目的，結(jié)合自主改裝的兩輛小型電動車，搭建了自主跟隨車輛試驗平臺，深入研究了速度控制系統(tǒng)、航向跟隨控制系統(tǒng)、跟隨間距控制系統(tǒng)以及引導(dǎo)車與跟隨車協(xié)同控制的設(shè)計與實現(xiàn)方法。主要研究工作包括:
　　1、搭建了自主跟隨車輛試驗平臺

2、。試驗平臺包括引導(dǎo)車與跟隨車控制系統(tǒng)的主控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測機(jī)構(gòu)與無線通信系統(tǒng)。引導(dǎo)車與跟隨車控制系統(tǒng)的主控制器選用數(shù)字信號處理器TMS320F28335。兩車執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括調(diào)速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與制動機(jī)構(gòu)，通過控制差速電機(jī)轉(zhuǎn)速實現(xiàn)車輛調(diào)速，通過控制步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，通過控制電動推桿實現(xiàn)制動。兩車檢測機(jī)構(gòu)中，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器和絕對式拉線位移傳感器分別用于檢測車輛的行駛速度、前輪偏轉(zhuǎn)角和電動推桿行程;反射型紅外傳感器和超聲波

3、測距傳感器分別用于檢測跟隨車相對于引導(dǎo)車的航向偏轉(zhuǎn)角與跟隨間距。兩車無線通信系統(tǒng)通過無線傳輸模塊UTC-1212組建，實現(xiàn)兩車之間狀態(tài)信息的通訊。并配備了RTK-DGPS系統(tǒng)記錄車輛的行駛軌跡，驗證系統(tǒng)的運(yùn)行效果。
　　2、完成了兩車速度控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出差速電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計了基于PI的速度閉環(huán)控制器，并對控制器進(jìn)行了仿真驗證和參數(shù)整定，結(jié)合制動機(jī)構(gòu)協(xié)助調(diào)速，完成

4、了速度控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)和實際性能測試。
　　3、完成了跟隨車輛航向控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。提出了一種基于反射型紅外傳感器檢測跟隨車相對于引導(dǎo)車的航向偏角的方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計，對其檢測原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過對跟隨車輛運(yùn)動學(xué)分析，推導(dǎo)出前輪偏轉(zhuǎn)角與航向偏轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)計了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模型，并在Matlab-Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究，完成了基于PD的航向跟隨控制器的設(shè)計和參數(shù)整定，并完成了實際運(yùn)行環(huán)境下的

5、性能測試。
　　4、完成了跟隨間距控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。提出了一種基于超聲波測距的車輛間距控制方法，設(shè)計了基于PD的跟隨間距控制器，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為速度控制環(huán)，外環(huán)為跟隨間距控制環(huán)。對控制器進(jìn)行仿真驗證和參數(shù)整定，并完成了實際運(yùn)行環(huán)境下的性能測試。
　　5、設(shè)計了引導(dǎo)車與跟隨車協(xié)同控制算法。針對組建的兩車無線通信系統(tǒng)，結(jié)合自定義的協(xié)同控制命令語句格式與內(nèi)容，設(shè)計了兩車協(xié)同控制算法。利用Matlab軟件開發(fā)了車輛

6、行駛狀態(tài)信息監(jiān)測的上位機(jī)軟件，實現(xiàn)了自主跟隨中兩車行駛狀態(tài)信息的實時顯示與存儲。
　　在軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，開展了系列性能測試試驗，試驗結(jié)果如下:
　　1、速度控制性能試驗。實驗結(jié)果:設(shè)定行駛速度為1.11m/s(4Km/h)，平整水泥路面下的調(diào)節(jié)時間為0.87s，穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.07m/s，與目標(biāo)值之間的相對誤差為3.6％，穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.04m/s;變路況下的調(diào)節(jié)時間為0.85s，穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.06m/s，

7、與目標(biāo)值之間的相對誤差為4.5％，穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.05m/s;草泥路面下的調(diào)節(jié)時間為0.97s，穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.04m/s，與目標(biāo)值之間的相對誤差為6.3％，穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.09m/s。實驗結(jié)果表明:控制系統(tǒng)在實際路況下運(yùn)行時具有較快的響應(yīng)速度，較高的準(zhǔn)確性和良好的穩(wěn)定性。
　　2、航向跟隨控制性能試驗。實驗結(jié)果:設(shè)定目標(biāo)航向偏轉(zhuǎn)角分別為±5°、±10°、±15°和±20°時，調(diào)節(jié)時間最大為3.3s，其中±5°和±10

8、°的控制響應(yīng)無超調(diào)，±15°的控制響應(yīng)超調(diào)量為3.3％，±20°的控制響應(yīng)超調(diào)量為5％。實驗結(jié)果表明:航向跟隨實際控制效果與仿真結(jié)果基本一致，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
　　3、自主跟隨控制整體性能試驗。水泥路況下，設(shè)定跟隨間距為1.5m，分別開展了跟隨速度為2Km/h和5Km/h的實驗，實驗結(jié)果:兩車行駛路徑的最大橫向偏差為8.1cm，平均橫向偏差的最大值為2.8cm，方差的最大值為4.5cm2;跟隨間距的最大偏差為7cm，平均