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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0.3~5m,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。