基于多傳感器融合的拖拉機行間導(dǎo)航系統(tǒng)研究.pdf

1、本課題針對行間作業(yè)特別是秸稈地免耕播種的特點，即播種機必須與玉米秸稈行平行前進，開溝器與玉米根茬保持一定距離避免堵塞，開發(fā)了機械式、羅盤相結(jié)合的多傳感器融合拖拉機導(dǎo)航系統(tǒng)，成本較低且導(dǎo)航精度滿足作業(yè)要求，具有理論價值和實際意義。研究取得的主要成果如下： 1.設(shè)計了一種機械式導(dǎo)航傳感器。通過對不同觸桿形狀進行理論和試驗對比，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，從而提高探測信號的可靠性。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械式導(dǎo)航傳感器，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角信號與拖拉機偏離方向相同、轉(zhuǎn)角變化量隨偏離距離的變化而變化。創(chuàng)新設(shè)計的偏心半橢圓觸桿機械式導(dǎo)航傳感器與其它觸桿形式的機械式導(dǎo)航傳感器相比，路徑探測信號具有較高的靈敏度和可靠性。 2.設(shè)計了羅盤導(dǎo)航系統(tǒng)，利用電子羅盤和里程計提供的距離和方向信號進行估算定位，實現(xiàn)非接觸的路徑探測。利用最優(yōu)控制算法實現(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)計了多傳感器融合的導(dǎo)航系統(tǒng)。機械式導(dǎo)航系統(tǒng)能通過接觸秸稈提供探測信號，但在秸稈缺失情況下信號會丟失。羅盤導(dǎo)航系統(tǒng)不用接觸，而是利用拖拉機自身的距離方向信號進行導(dǎo)航，也能提供較為精確的定位信息，但在實際秸稈行彎曲和長距離導(dǎo)航情況下會累計誤差。將機械式導(dǎo)航的觸桿轉(zhuǎn)角和羅盤導(dǎo)航的方向角、橫向偏差距離信號相融合，將探測信號按特征取值分段，根據(jù)探測信號的重要度采取了三段控制算法，從而能使系統(tǒng)充分利用機械式和羅盤導(dǎo)航的優(yōu)點

4、、彌補其缺陷，實現(xiàn)在秸稈復(fù)雜排列情況下的自動導(dǎo)航，具有創(chuàng)新性。 4.利用模糊控制算法對機械式探測信號進行處理、計算，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償?shù)腜ID控制算法。田間模擬試驗表明，在拖拉機前進速度1m/s時，機械式導(dǎo)航系統(tǒng)的偏差距離在50mm以內(nèi)。綜合反映出機械式導(dǎo)航探測系統(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行要求。 5.設(shè)計了基于DSP的低成本

5、拖拉機導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)字控制器。采用主頻150MHz的DSP為基礎(chǔ)，設(shè)計數(shù)字控制器實現(xiàn)探測信號的采集、導(dǎo)航控制計算和轉(zhuǎn)向控制輸出，能保證導(dǎo)航行駛的實時性。相比以往采用便攜式計算機處理導(dǎo)航數(shù)據(jù)，再由單片機完成轉(zhuǎn)向驅(qū)動，DSP數(shù)字控制器具有簡單、可靠、結(jié)構(gòu)緊湊和成本低的優(yōu)勢，有創(chuàng)新性。 6.田間模擬試驗表明多傳感器融合拖拉機導(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械式，在秸稈缺失情況