拖拉机群控制系统研究

论文摘要

本文旨在开发一种基于超声波定位技术的农用拖拉机群控制系统,实现一个驾驶员可以同时操控数台拖拉机,减少人力资源的投入、提高工作效率和作业精度的目的。系统采用了基于MCS-51单片机的红外超声波测距定位方法实现了跟踪拖拉机对先行拖拉机的定位,并利用最小二乘法规划出跟踪拖拉机的行驶路径;同时根据实时采集到的跟踪拖拉机的各种状态信息和位姿信息,设计了PID跟踪控制器,实现跟踪拖拉机对先行拖拉机的跟踪控制。（1）完成了系统的总体方案设计。拖拉机群控制系统主要由拖拉机群、红外超声波定位系统、信号采集系统、方向控制系统和跟踪控制系统组成。（2）完成了定位模型的建立和超声波测距系统的设计。定位技术的研究是自动导航技术的关键问题,本文通过研究、分析拖拉机群控制系统中单个跟踪拖拉机与先行拖拉机之间的相对关系,构建了一种基于测距原理的移动车辆定位的系统模型。采用了超声波对射测距的方法实现了跟踪拖拉机与先行拖拉机之间相对距离的测量,通过数学模型的求解,计算出先行拖拉机相对于跟踪拖拉机的位置坐标,从而实现了对先行拖拉机的定位;超声波测距系统采用基于红外触发的超声波对射式测距原理,并实时采集环境的温度对超声波在传输速度进行补偿,以提高测距精度。实验表明:超声波测距系统在温度为25℃的环境下,测量范围为0.35m,最大误差为10mm,平均误差小于5mm,能够满足定位系统的精度要求。（3）完成了跟踪拖拉机的速度信息、位姿信息的检测系统和转向控制系统的软硬件设计。充分考虑了跟踪拖拉机与各传感器在实际环境中的干扰因素,设计了前轮转向角检测传感器、速度传感器和拖拉机位姿传感器MTi的紧固装置,通过MFC编程对各传感器进行了标定和性能测试;同时设计了转向驱动装置,通过PC机给直流伺服电机发送的指令,来控制跟踪拖拉机前轮的转向,以改变其工作状态。（4）完成了路径规划与跟踪控制器的设计。路径规划的好坏是导航精度的重要影响因素,系统中通过对定位系统采集到的先行拖拉机的相对位置点,进行坐标转换,然后利用最小二乘法规划了跟踪拖拉机的行驶路径。以横向偏差和航向偏差为输入量,转向角为输出量设计了PID跟踪控制。通过计算机仿真,PID跟踪控制器具有良好的品质,可以实现跟踪拖拉机对先行拖拉机的跟踪。（5）进行了直线路径跟踪控制的实车实验。实验表明:在0.27m/s的速度下,跟踪拖拉机跟踪先行拖拉机行驶30m的距离,最大的横向偏差为5cm,平均偏差为0.8cm,标准差为2.31,跟踪效果良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 农用车辆导航定位技术研究现状
• 1.2.2 农用车辆队列自动控制研究现状
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 研究内容及技术路线
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究技术路线
• 第二章 系统方案设计
• 2.1 系统总体设计
• 2.2 超声波定位系统
• 2.3 信号采集与控制系统
• 2.3.1 信号采集系统
• 2.3.2 方向控制系统
• 2.3.3 跟踪控制系统
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声波定位系统设计
• 3.1 超声波测距原理
• 3.1.1 超声波发生器
• 3.1.2 超声波测距原理
• 3.2 定位模型的建立
• 3.3 超声波定位系统硬件设计
• 3.3.1 单片机最小系统
• 3.3.2 电源电路
• 3.3.3 单片机程序下载器及接口电路
• 3.3.4 红外发射接收电路
• 3.3.5 超声波发射接收电路
• 3.4 超声波定位系统软件设计
• 3.4.1 集成编译器 KeilμVision2
• 3.4.2 程序下载软件 Progisp1.67
• 3.4.3 定位系统软件设计
• 3.5 超声定位系统的误差补偿系统
• 3.5.1 超声波速度的温度补偿
• 3.5.2 线性因子修正
• 3.6 超声波定位硬件PCB 板制作
• 3.7 本章小结
• 第四章 信号采集系统设计
• 4.1 信号采集系统设计
• 4.1.1 串口通信
• 4.1.2 速度传感器
• 4.1.3 转向角传感器
• 4.1.4 航向角传感器
• 4.1.5 数/模转换卡
• 4.1.6 计算机和电源
• 4.2 传感器的标定
• 4.2.1 速度传感器的标定
• 4.2.2 转角传感器的标定
• 4.2.3 航向角传感器的标定
• 4.3 本章小结
• 第五章 跟踪控制方法研究
• 5.1 车辆导航控制原理
• 5.2 跟踪车辆路径规划
• 5.2.1 先行车位置推算
• 5.2.2 车辆路径拟合
• 5.3 跟踪车辆转向控制系统
• 5.3.1 转向控制系统工作原理
• 5.3.2 直流伺服电机
• 5.3.3 电机驱动器
• 5.3.4 车辆转向 PID 控制
• 5.4 跟踪车辆的PID 控制器设计与仿真
• 5.4.1 控制模型建立
• 5.4.2 跟踪控制器设计
• 5.4.3 跟踪控制器的计算机仿真
• 5.5 本章小结
• 第六章 路径跟踪控制实验
• 6.1 实验系统组成
• 6.1.1 系统硬件
• 6.1.2 系统软件
• 6.2 直线路径跟踪控制实验
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 创新
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介