论文部分内容阅读
随着精准农业在我国的大力推广,农机智能化水平逐步提高,自主导航技术以及远程遥控技术成为农业中降低劳动强度和提升作业效率及质量的关键技术,此外,农村人口老龄化最为严重,导致劳动力严重不足,乡村振兴战略的顺利实施需要依靠智能农业装备关键技术的发展。本研究融合自主导航技术和远程遥控技术,设计了一套应用于水田施药机的智能控制系统,并对该智能控制系统进行了集成测试,具体工作及结果如下:(1)设计了水田无人施药机智能控制系统总体方案,主要包括自主导航控制系统以及遥操作系统,自主导航系统与遥操作系统不仅可以分别作为独立系统运行在水田施药机上,还可以融合使用以弥补各自系统的不足,如在导航信号丢失的情况下,遥操作系统可保证作业安全。两套系统中共同包含的行车控制单元作为施药机端整机控制的关键,融合角度传感信息和油门推杆反馈信息进行方向与速度控制,接收解译导航模块发送的导航信息进行直线路径跟踪控制,接收遥操作系统发送的控制命令进行车辆行进控制以及提供安全作业保障。(2)在完成方案总体设计的基础上进行了硬件选型集成与软件设计,使用EPC-9600I-L作为主控板,通过CAN总线连接CANopen数据采集模块及导航模块、两路RS485串口分别连接DTU模块及喷雾系统,RS232串口连接电动方向盘。数据采集模块采集油门推杆行程信息,通过继电器控制油门推杆动作;通过模拟量输入输出模块接收车辆转向前轮转角反馈信息,输出0-5 V模拟电压来控制车辆行进动作,视频信息采集模块使用萤石云C6C摄像头来提供施药机作业现场图像。在此基础上,在交叉编译环境下对行车控制主流程进行了软件设计,针对低带宽不可靠网络选用了MQTT协议作为遥操作通信协议,在Java环境下基于萤石云SDK对控制端软件行了二次开发,实现了对施药机不限制距离遥控操作以及作业监控。(3)针对占自主导航作业中多数工况的直线路径追踪控制设计了分段纯追踪算法,包括外圆弧路径追踪算法及内圆弧路径追踪控制算法,并通过Matlab/S-imulink仿真验证了算法的可行性,基于IAE准则优化了纯追踪算法中预瞄距离这一关键参数,最终确定最优预瞄距离为1.9 m。(4)对改造后的水田施药机进行了整体测试,包括遥控性能测试及直线路径跟踪测试。试验结果表明遥控稳定性能良好,数据丢包率低,平均成功率可达96.7%;直线跟踪控制中控制算法在硬地面表现良好,鲁棒性较强,而在田间试验中算法性能降低,但依然可以达到作业要求。