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农机导航多模变结构智能控制方法研究

伟利国  
【摘要】:农业机械自动导航技术是现代精准农业的一个重要的组成部分,作为农业自动化装备的关键技术之一,已成为该领域的研究热点。本文以拖拉机、水稻插秧机、开沟铺管机这三种典型农业机械为研究对象,利用GNSS技术、机电一体化技术及计算机分布控制技术,构建基于农机CAN总线的传感器监控网络,采用多模变结构智能控制技术与方法,开展农业机械自动导航控制技术与装备的研究,具体研究内容如下:(1)对农机自动导航的基础技术进行研究。为了较好描述农机运动特征,对农机状态变量和运动学模型的推导进行了研究,建立农机运动学模型,并在运动学模型基础上,确立了基础的导航控制规则,为典型农机平台智能控制技术的应用奠定理论基础;深入研究了卫星导航定位系统的原理与方法,自主研制了兼容北斗/GPS/GLONASS三系统的GNSS定位模块,并对其进行了试验研究。试验结果表明,该定位模块在RTK定位方式下,水平定位精度(RMS)优于lcm;在熟悉了国际农机CAN总线数据通讯标准及网络结构的基础上,对CAN总线通讯信息帧进行了详细的分析。(2)农机田间作业是一个复杂的过程,针对农机自动导航的多模态特点,引入多模变结构控制思想,将多种智能控制技术与方法相融合,充分利用各自的特点,进行导航控制方法的研究。由于农机导航作业过程的时变性和不确定性,提出多模变结构智能控制策略,对多模变结构智能控制理论进行了深入研究;系统研究了模糊控制理论与方法、自调整模糊控制技术、系统辨识与自适应控制技术,并开展了典型农机导航的应用研究。(3)研究了模型参考自适应导航控制方法,针对轮式拖拉机导航作业的特点,设计了模糊自适应导航控制器;采用卡尔曼状态重构滤波方法,对航向数据进行信号滤波处理;开发了拖拉机自动导航控制系统,详细介绍了拖拉机转向系统手动/自动电液控制改造,研制了转向系统控制器和前轮转角检测传感系统;开发了导航路径跟踪与控制软件系统,并进行单机与田间作业试验研究。拖拉机自动导航控制系统工作性能稳定,直线作业偏差小于5cm,满足精准农业作业的需求。(4)针对水田作业易出现打滑现象,研究了插秧机作业打滑识别与自校正导航控制方法,并进行了仿真试验研究;开展了插秧机自动导航控制技术的研究,对插秧机转向系统进行电控改造,设计了转向系统控制器与转向轮转角检测传感系统;研制了基于CAN总线的自动导航控制系统,并进行了路面与水田作业试验研究。试验结果表明,在车辆行进速度不大于0.6m/s时,跟踪最大误差小于10cm,可以满足插秧机自动对行的精度要求。(5)研究了多模态自调整模糊控制方法,并设计了自调整导航控制规则,研制了开沟铺管机自动导航控制系统,为开沟铺管机作业质量提供了技术保障。对开沟铺管机履带式行走系统进行了可手动/自动切换的电控改造,并对行走控制电路的设计进行了详细说明;开发了车载控制器及导航软件系统,并进行田间作业试验研究。试验结果表明,在车辆行进速度不大于0.5m/s时,直线跟踪误差小于10cm,完全满足开沟铺管机自动对行的精度要求。


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