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基于GPS和传感技术的农用车辆自动导航系统的研究

冯雷  
【摘要】:拖拉机的自动导航技术已经研究了几十年,它的优点包括提高生产效率,提高操作精度,提高驾驶安全性等。车辆导航技术,根据定位传感器类型可以分为全球定位系统导航,机器视觉导航,无线电导航、超声波导航、激光导航和电缆导航等;根据定位技术原理可以分析绝对定位和相对定位技术。用航位推测技术(Dead reckoning),车辆在田间位置是由在车辆运动方向上测试速度、加速度、倾角、偏转等信息计算得到的。这种数据在短时间内非常精确并且抗干扰性强,但是由于传感器的震动、漂移和车辆在行驶中的侧滑等因素,使定位数据存在积累性的误差。随着时间延长,误差急剧增大。相比较而言,用全球定位系统(GPS)技术,每次测量都是独立进行的,没有积累的定位误差。但GPS信号容易受环境干扰,稳定性较差。同时,虽然精确的GPS接收器在位置测量上能够达到厘米级精度,但由于高精度的GPS接收器,价格昂贵,已成为将精确定位技术应用于农业生产领域的障碍。总体上,由于GPS能够提供低频率的绝对定位信息,而航位推测技术能够提供高频率的相对定位信息,合成两种技术能够在田间车辆作业时纠正定位误差,提高定位准确度和抗干扰性。 农业生产中,通常行间作物的行距较小,例如玉米作物只有76cm(30英寸)。对于在行间作物实施作业的农业车辆,尤其是附带牵引式农具的车辆,在弯曲的行间路径中作业,精确的侧向控制是必要的。在目前田间自动导航的研究表明,车辆已经可以通过视觉技术、激光技术、声纳技术等准确掌握前方道路信息。但即使掌握了前方道路信息,附带牵引式农具的车辆在转弯时,由于拖拉机和牵引式农具车轮运行的轨迹不一样,如何使用恰当的速度和转角,顺利通过并避免伤及农作物,是值得研究的课题。现有的研究成果之一是基于地图的导航系统。它的原理是将整个地块的导航地图输入车辆的计算机中,由GPS严格按照车辆预定行驶路线控制车辆行进。其缺点是,车辆对所要进行作业的田地信息已经事先完全掌握并经过了分析处理。 本课题的目标是在技术上将GPS技术、传感器技术和数学模型融合,研究基于模型的附带牵引式农具的车辆导航技术支持系统。目的是使车辆在未知的土地环境下行驶时,根据前方弯曲道路信息,通过建立自身的动力学数学模型计算拖


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