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农用车辆自动导航控制系统研究

连世江  
【摘要】: 本研究旨在设计出一套农业车辆自动导航控制系统,让机器代替人进行田间作业,实现车辆无人驾驶,同时开发自动移动平台,为精细农业研究提供技术支持。文章选用惯性导航定位方法,分别对车辆导航定位和导航控制方法进行了试验研究,寻求提高车辆导航控制精度的方法,主要研究内容如下: (1)首先对车辆导航定位系统的组成进行了介绍,对定位系统中所用到的传感器、A/D转换卡、PC机等的技术参数及工作原理进行了说明,对航向角传感器、转角传感器、速度传感器进行了标定,并对传感器检测信号进行了滤波处理;利用车辆运动学模型对车辆位置计算方法进行了推导,并根据检测得到的状态信息计算车辆坐标,通过车辆实际行驶路径与计算路径的对比,对位置计算方法进行了验证。 (2)介绍了车辆自动导航跟踪控制原理,车辆自动导航控制主要分为三个部分:车辆转向控制、航向跟踪控制和路径跟踪控制。以计算横向偏差和车辆航向角为输入变量,以车辆目标航向角为输出变量设计车辆路径跟踪控制模糊控制器,以车辆航向偏差和前轮转角为输入变量,以转向控制电机转速为输出变量,设计车辆航向跟踪控制模糊控制器;利用PID控制器对电机转速进行控制,实现车辆方向的改变,使车辆沿规划路径自动行驶。同时通过仿真研究,对所采用的路径跟踪控制原理和所设计的模糊控制器进行了有效性验证,并介绍了系统软件实现方法。 (3)进行车辆路径跟踪控制试验。在介绍试验系统硬件组成基础上,分别进行了车辆转向控制试验、航向跟踪控制试验和路径跟踪控制试验,对所采用的导航定位方法、PID控制器、以及所设计的模糊控制器进行了验证,取得了比较好的控制效果。 试验数据表明,拖拉机在草地上以0.53m/s的速度行驶时,计算横向偏差被控制在3cm以内;当拖拉机在水泥路面上行驶时,前20m的行驶过程中,产生的最大横向偏差为5cm,随着行驶距离增大,实际横向偏差不断变大,在50m的行驶过程中,产生了20cm的横向偏差。结果表明,所设计的模糊控制器具有良好的控制性能,能够满足车辆路径跟踪控制的要求;基于内部信息的惯性导航方式位置计算短期精度较高,与其它导航方式相结合,能够在视觉导航系统和GPS导航系统存在信息缺失及信号不稳定等情况下,保证对机器人的有效控制。


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