基于激光导航的果园拖拉机自动控制系统研究

论文摘要

果园以其复杂的环境特征,致使机械自动化作业困难重重。本研究为实现果园机械自动化作业,以改装的福田欧豹拖拉机为研究对象,采用激光扫描仪为导航设备,设计了针对不同果园环境下的车辆自动导航控制系统,实现了模拟果园环境下拖拉机的直线和曲线自动行走功能,为果园机械自动化移动平台的建立准备了条件。主要研究的内容如下:（1）将激光测距技术应用于果树信息的采集,提出了一种新的果树定位信息提取方法,使果树定位更加精确。（2）针对果园果树难以定位的问题,建立了以拖拉机为主体的车辆动坐标系,完成激光扫描果树信息从极坐标形式到直角坐标形式的转换,将果园中模糊的果树位置信息,通过车辆动作标系实现定位,为障碍物、路径的识别及导航路径的拟合提供数据支持。（3）将实际驾驶经验与车辆运动学模型相结合,建立了预见控制的车辆运动学模型。（4）基于PID控制理论设计了车辆直线行走导航控制器。通过对车辆果园直线实际行走路况的分析,采用最小二乘法拟合直线行走导航路径,以车辆的横向偏差和航向偏差为输入量设计基于PID控制理论的拖拉机果园自动直线行走比例控制器。（5）基于模糊控制理论设计了车辆曲线行走导航控制器。曲线行走时,根据车辆果园曲线路径行走的实际特点,采用二次曲线法拟合车辆曲线行走导航路径;在车辆控制方案的设计中,提出“以直代曲”实现果园曲线路径导航的思想;在曲线行走导航控制器的设计中,采用车辆前后轴中心点到路径的横向偏差作为控制系统的输入量,设计基于模糊控制理论的拖拉机果园曲线自动行走模糊控制器。（6）以VC++为开发平台,完成导航控制系统的总体设计。试验结果表明,在直线行走试验中,车辆以0.27/s的速度直线行驶50m,最大横向偏差0.15m;连续直角弯道试验中,车速0.54/s,最大横向偏差0.17m;正弦曲线行走试验中,车速0.27/s,最大横向偏差0.37m。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 精细化农业
• 1.2.2 农业机械化
• 1.2.3 人口老龄化
• 1.3 国内外研究状况
• 1.3.1 国外研究
• 1.3.2 国内研究
• 1.4 研究目的及意义
• 1.5 研究内容
• 第二章 导航硬件系统
• 2.1 传感器
• 2.1.1 激光扫描仪
• 2.1.2 拉线位移传感器及其标定
• 2.2 方向盘控制电机及电机驱动器
• 2.3 导航硬件系统工作原理
• 2.4 小结
• 第三章 果树定位方法研究
• 3.1 果树信息提取
• 3.2 果树定位
• 3.3 小结
• 第四章 果园拖拉机直线行走导航控制系统研究
• 4.1 直线导航路径拟合方法
• 4.2 车辆运动学模型
• 4.3 仿真
• 4.4 试验及结果分析
• 4.5 小结
• 第五章 果园拖拉机曲线行走导航控制系统研究
• 5.1 曲线导航路径拟合
• 5.2 车辆运动学模型
• 5.3 曲线导航控制系统设计
• 5.4 仿真
• 5.5 试验及结果分析
• 5.6 小结
• 第六章 结论及建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 作者简介