基于多傳感器融合的拖拉機(jī)行間導(dǎo)航系統(tǒng)研究.pdf

1、本課題針對(duì)行間作業(yè)特別是秸稈地免耕播種的特點(diǎn)，即播種機(jī)必須與玉米秸稈行平行前進(jìn)，開溝器與玉米根茬保持一定距離避免堵塞，開發(fā)了機(jī)械式、羅盤相結(jié)合的多傳感器融合拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)，成本較低且導(dǎo)航精度滿足作業(yè)要求，具有理論價(jià)值和實(shí)際意義。研究取得的主要成果如下： 1.設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式導(dǎo)航傳感器。通過對(duì)不同觸桿形狀進(jìn)行理論和試驗(yàn)對(duì)比，選定半橢圓形狀的觸桿能使秸稈施加的力矩方向保持一致，從而提高探測(cè)信號(hào)的可靠性。根據(jù)觸桿受力分析，由橢圓性質(zhì)確

2、定觸桿的偏心距等主要參數(shù)。由偏心半橢圓形觸桿和角位移傳感器組成了機(jī)械式導(dǎo)航傳感器，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角信號(hào)與拖拉機(jī)偏離方向相同、轉(zhuǎn)角變化量隨偏離距離的變化而變化。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的偏心半橢圓觸桿機(jī)械式導(dǎo)航傳感器與其它觸桿形式的機(jī)械式導(dǎo)航傳感器相比，路徑探測(cè)信號(hào)具有較高的靈敏度和可靠性。 2.設(shè)計(jì)了羅盤導(dǎo)航系統(tǒng)，利用電子羅盤和里程計(jì)提供的距離和方向信號(hào)進(jìn)行估算定位，實(shí)現(xiàn)非接觸的路徑探測(cè)。利用最優(yōu)控制算法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航控制，使系統(tǒng)能滿足導(dǎo)航的精度和基本穩(wěn)

3、定性要求。 3.設(shè)計(jì)了多傳感器融合的導(dǎo)航系統(tǒng)。機(jī)械式導(dǎo)航系統(tǒng)能通過接觸秸稈提供探測(cè)信號(hào)，但在秸稈缺失情況下信號(hào)會(huì)丟失。羅盤導(dǎo)航系統(tǒng)不用接觸，而是利用拖拉機(jī)自身的距離方向信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航，也能提供較為精確的定位信息，但在實(shí)際秸稈行彎曲和長(zhǎng)距離導(dǎo)航情況下會(huì)累計(jì)誤差。將機(jī)械式導(dǎo)航的觸桿轉(zhuǎn)角和羅盤導(dǎo)航的方向角、橫向偏差距離信號(hào)相融合，將探測(cè)信號(hào)按特征取值分段，根據(jù)探測(cè)信號(hào)的重要度采取了三段控制算法，從而能使系統(tǒng)充分利用機(jī)械式和羅盤導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)

4、、彌補(bǔ)其缺陷，實(shí)現(xiàn)在秸稈復(fù)雜排列情況下的自動(dòng)導(dǎo)航，具有創(chuàng)新性。 4.利用模糊控制算法對(duì)機(jī)械式探測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算，提供合適的前輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角。由目標(biāo)轉(zhuǎn)角變?yōu)殡娨洪y控制量采用非線性補(bǔ)償?shù)腜ID控制算法。田間模擬試驗(yàn)表明，在拖拉機(jī)前進(jìn)速度1m/s時(shí)，機(jī)械式導(dǎo)航系統(tǒng)的偏差距離在50mm以內(nèi)。綜合反映出機(jī)械式導(dǎo)航探測(cè)系統(tǒng)、輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角的模糊控制算法和電液閥控制量的。PID控制算法基本滿足播種對(duì)行要求。 5.設(shè)計(jì)了基于DSP的低成本

5、拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)字控制器。采用主頻150MHz的DSP為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)探測(cè)信號(hào)的采集、導(dǎo)航控制計(jì)算和轉(zhuǎn)向控制輸出，能保證導(dǎo)航行駛的實(shí)時(shí)性。相比以往采用便攜式計(jì)算機(jī)處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)完成轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)，DSP數(shù)字控制器具有簡(jiǎn)單、可靠、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低的優(yōu)勢(shì)，有創(chuàng)新性。 6.田間模擬試驗(yàn)表明多傳感器融合拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)的偏差距離不超過27mm，方向角變化范圍為2.57°，橫向距離和方向角的精度都高于單純機(jī)械式，在秸稈缺失情況