【摘 要】
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随着农业设施化、现代化的不断推进,自动导航技术逐渐成为智能农业装备的研究热点之一。由于设施农业环境下作业道路狭窄,因此工作于其中的农机应具备更高的路径跟踪精度。为实现上述目标,需研究高精度的自动导航控制方法。本文研制了面向设施温室的四轮独立转向/驱动（Four-Wheel Independent Steering and Four-Wheel Independent Drive,4WIS-4WID
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随着农业设施化、现代化的不断推进,自动导航技术逐渐成为智能农业装备的研究热点之一。由于设施农业环境下作业道路狭窄,因此工作于其中的农机应具备更高的路径跟踪精度。为实现上述目标,需研究高精度的自动导航控制方法。本文研制了面向设施温室的四轮独立转向/驱动（Four-Wheel Independent Steering and Four-Wheel Independent Drive,4WIS-4WID）结构试验样机,并对路径跟踪控制方法进行研究与改进。具体工作如下:首先,研制了满足课题要求的试验样机及其控制系统。为提升试验样机路径跟踪精度,提出一种基于粒子群优化算法的动态前视距离纯追踪模型。利用超宽带（Ultra Wide Band,UWB）模块和电子陀螺获取温室内智能农机的位置和航向角,通过计算获得农机横向偏差和航向偏差;对农机位姿偏差进行定量分析并根据位姿偏差程度构建评价函数,通过粒子群优化算法实时选取纯追踪模型中的最优前视距离。为提升算法求解效率对粒子群算法的参数进行改进,并通过MATLAB仿真试验验证动态前视距离纯追踪算法的有效性。其次,为提升路径跟踪控制对速度的适应性,设计了样机变速控制器。先根据样机转向运动模型并融合传感器信息实现了速度检测;再根据样机路径跟踪过程中的位姿偏差进行自适应控制,并提出平滑速度规划方式消除样机速度波动过大时对导航控制的影响。通过MATLAB仿真试验验证变速控制的有效性。最后,为检验本文算法实际控制效果,在温室环境中进行实车导航试验,试验分直线路径和多段路径跟踪两类。在不同初始状态下进行直线路径跟踪时,采用本文算法的路径跟踪平均偏差均值为24.4 cm,稳定距离平均值为318.1 cm,结合速度控制后平均偏差降低了18.6%,平均稳定距离缩短了6.1%。多段路径的试验中,采用原地转向切换路线的路径跟踪平均偏差为9.2 cm,而采用传统转向切换路线的路径跟踪平均偏差为20.9 cm。本文的试验样机具有转向灵活性高,适合狭窄设施环境等特点。路径跟踪试验结果证明本研究提出的控制方法可实现高精度路径跟踪,能满足农机在温室内自动导航作业需求,可以为设施移动机器人的自动导航控制提供技术参考。
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