拖拉机自动驾驶转场和田间作业关键技术研究

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农业机械化与信息化可显著提高劳动生产率,已成为农业经济的重要支柱之一;农业机械自动导航可有效提高农业机械的作业效率和作业质量,避免漏行叠行作业、降低驾驶员的劳动强度。近十年来,我国农机自动导航与辅助驾驶技术日趋成熟,加之拖拉机电控技术的不断进步,自主化与智能化程度不断提高,农业机械自动驾驶作业技术逐渐成为农机装备智能化研究的热点之一。从农机自动导航到农机自动驾驶作业的技术进步与革新,不仅促进了智能农业机械进步,而且对信息感知获取的准确性、控制算法的稳定性与适应性、乃至整个系统的综合性能和智能化水平都提出了更高的要求。本文以轮式拖拉机为研究平台,对其自动驾驶作业关键技术进行了研究,主要包括面向自动驾驶作业的路径规划方法、拖拉机位姿获取方法、路径跟踪控制算法和拖拉机自动驾驶作业系统的设计与开发等,并进行了测试和试验验证,主要研究成果如下:(1)根据拖拉机自动驾驶作业的特点,提出了田间路线和运移路线两种类型路径规划,并针对两种场景提出了通用的路径规划方法。采用结构体表示路径规划的田间路线直线作业段和运移路线直线行驶段,其中包含起点和终点平面位置坐标、农机在该直线段应采用的农机行驶和作业状态、农机从当前直线段切换到下一直线段的方式等信息。采用基于链表的数据结构形式对路径规划算法的决策结果进行存储、管理和利用,以实现拖拉机自动驾驶作业的路径规划。(2)根据拖拉机GNSS定位的特点,研究了相关坐标转换的方法;设计了基于全球导航卫星系统(RTK-GNSS)和航姿参考系统(AHRS)的卡尔曼滤波器,有效抑制了惯性系统累积航向的发散,并对GNSS定位信息进行了倾斜校正。使用该信息融合处理算法的处理结果进行了拖拉机的导航控制,试验结果表明,最大位置偏差小于3cm,最大航向偏差小于0.5度。(3)采用简化的拖拉机二轮车模型,基于航向的前馈和位置偏差的反馈设计了导航控制器;前馈控制部分用以提前消除预瞄点航向角偏差,降低累积偏差;反馈控制部分则通过对径向偏差及其它不可测的干扰因素进行监控以弥补前馈控制的不精确性。以MATLAB及其组件Simulink为平台,进行了转向控制方法的仿真与分析,证明了此控制算法的可行性。(4)以NVIDIA Jetson TX2为硬件平台,基于ROS(机器人操作系统)构建了拖拉机自动驾驶作业主控制终端软件整体架构,实现了位姿信息获取、路径跟踪控制、系统通讯及数据交互的设计与开发。应用上述主控制终端、GNSS定位板卡、姿态测量系统、SPC-STW-2612CM运动控制器和电动方向盘等硬件,搭建了拖拉机自动驾驶作业系统,实现了对拖拉机的自动驾驶作业控制。(5)以雷沃Tx1104-D拖拉机为试验平台进行了田间试验,包括田间作业路线跟踪控制性能测试和机库到田块运移路线跟踪控制性能测试。试验结果表明:自动驾驶作业系统可以实现拖拉机从机库到田块的运移路线跟踪控制和田间旋耕作业条件下的路径跟踪控制。拖拉机在运移路线的跟踪过程中速度稳定、位置和航向偏差较小、转向过程平稳;在田间作业直线段路径跟踪过程中,最大误差0.062m,平均误差0.0233m,标准差0.0213m,满足实际田间作业需要。
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