基于雙源激光的田間作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位系統(tǒng)研究.pdf

1、精確定位技術(shù)是精細(xì)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要研究內(nèi)容，是實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于我國南方水田面積小、使得成本較高的高精度DGPS難以大面積推廣，為開發(fā)適于南方農(nóng)業(yè)機(jī)械的低成本、高精度定位系統(tǒng)，本文提出了一種基于雙源激光的定位技術(shù)，運(yùn)用已知的兩個(gè)激光發(fā)射器的距離和實(shí)時(shí)獲得的激光發(fā)射器動態(tài)發(fā)射角度，實(shí)時(shí)解算出田間作業(yè)機(jī)械的坐標(biāo)信息與運(yùn)動姿態(tài)，為田間作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位和田間數(shù)據(jù)定點(diǎn)采集提供技術(shù)支撐。本文的研究內(nèi)容是湖南省自然科學(xué)基金“水田作業(yè)機(jī)器人

2、無標(biāo)識環(huán)境的導(dǎo)航定位技術(shù)研究(09JJ6091)”和國家科技支撐項(xiàng)目“輕簡化水田作業(yè)關(guān)鍵裝備研究與示范(2011BAD20808)”的部分內(nèi)容。研究以高速插秧機(jī)為對象搭建試驗(yàn)平臺，對系統(tǒng)的無線交換方式、激光光斑識別算法、激光發(fā)射角初始化方法，激光接收靶跟蹤算法、轉(zhuǎn)向控制算法進(jìn)行了詳細(xì)研究，主要內(nèi)容如下:
　　 1.分析田間作業(yè)機(jī)械定位與自動駕駛的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有定位系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和成本因素，提出了基于雙源激光的田間作業(yè)機(jī)械導(dǎo)航定位

3、方法。
　　 2.為保證數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用2.4G無線通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，針對三方數(shù)據(jù)通信（兩激光發(fā)射器與接收靶）存在數(shù)據(jù)交換碰撞問題，提出采用環(huán)形鏈路數(shù)據(jù)交換的無線通信方法，配合相應(yīng)的通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
　　 3.為獲得精確的激光發(fā)射器初始角度和基線長度，系統(tǒng)采用超聲波對射方式進(jìn)行距離測量，同時(shí)輔以無線通信實(shí)現(xiàn)超聲波基準(zhǔn)時(shí)間的啟動，并根據(jù)投影原理解決探頭之間的高度落差問題，通過溫度補(bǔ)償、系統(tǒng)誤差補(bǔ)

4、償?shù)却胧?，?shí)現(xiàn)了兩個(gè)激光發(fā)射器與激光接收靶三者間的初始距離精確測量，進(jìn)而完成激光發(fā)射器旋轉(zhuǎn)角度和基線長度的初始化。
　　 4.為解決普通激光發(fā)射器的光暈、漫反射等問題，提出了基于算術(shù)均值濾波與中值濾波融合的激光光斑初始化處理算法。通過理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的可行性。
　　 5.為解決目標(biāo)運(yùn)動過程中接收靶本身運(yùn)動及車體振動導(dǎo)致光斑中心檢測偏差問題，提出運(yùn)用可變增益的遞推α-β濾波算法對經(jīng)過初始濾波的激光光斑中心進(jìn)行二次

5、濾波，實(shí)現(xiàn)對光斑中心的動態(tài)預(yù)估，從而獲得了準(zhǔn)確的光斑中心，并驗(yàn)證了算法的可行性和必要性。
　　 6.為保持對運(yùn)動的激光接收靶的持續(xù)鎖定，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位解算，在深入研究PID算法和卡爾曼濾波理論的基礎(chǔ)上，提出了基于增量式PID快速修正的卡爾曼濾波算法，實(shí)現(xiàn)了雙激光源對運(yùn)動中的接收器的持續(xù)跟蹤鎖定，進(jìn)而完成系統(tǒng)高精度定位。
　　 7.以方向盤的轉(zhuǎn)向控制為研究目標(biāo)，建立了插秧機(jī)的轉(zhuǎn)向控制數(shù)學(xué)模型，深入地研究了插秧機(jī)的導(dǎo)航控制