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田间自主行走平台及作物行拟合与路径跟踪方法研究

田间自主行走平台及作物行拟合与路径跟踪方法研究

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作者：李宁吉林大学

学位级别：硕士

农业机械自动驾驶技术能够显著提升农业生产的效率,降低人力成本,并推动农业生产过程的标准化与流程化。面对未来人口老龄化的趋势,尤其是农村地区年轻劳动力的逐渐减少,自动化和智能化的农业作业需求预计将持续增长。本文设计了能够搭... 详细信息

农业机械自动驾驶技术能够显著提升农业生产的效率,降低人力成本,并推动农业生产过程的标准化与流程化。面对未来人口老龄化的趋势,尤其是农村地区年轻劳动力的逐渐减少,自动化和智能化的农业作业需求预计将持续增长。本文设计了能够搭载不同作业装置的田间通用行走平台,并研究了玉米田作物行拟合和路径跟踪方法,同时针对土壤采样这一应用场景设计了采样装置。本文主要研究内容如下:(1)设计了田间自主行走平台。平台的机械结构选用阿克曼转向作为转向方式,并进行了田间试验。试验结果表明:当行驶距离为5 m时,偏移率为0.316%,证明其行驶性能良好。平台的电气系统主要包含以下两部分,其一为由工控机、USBCAN卡、角度编码器以及伺服电机驱动器组成的运动控制系统,该系统通过CAN网络进行通讯;其二为由激光雷达、惯性测量单元(Inertial measurement unit,IMU)以及卫星定位模块组成的信息感知系统,该系统通过USB串口与工控机进行通讯,为后续的作物行拟合方法提供数据来源。此外,针对土壤采样这一应用场景,为平台设计了土壤采样装置并进行了机械设计和采样功能验证。(2)研究了作物行拟合与路径跟踪方法。田间自主行走平台的玉米田路径规划系统由定位模块、作物行拟合模块、路径跟踪模块三部分组成。定位模块以卫星定位和惯性测量单元作为定位模块的数据源,使用误差状态卡尔曼滤波算法进行定位。在作物行拟合模块方面,本文研究了基于激光雷达的玉米田作物行拟合算法,使得行走平台能够在玉米田自主行走,避免损伤作物;在路径跟踪模块方面,本文通过使用Stanley算法优化输入变量的方法改进了常规模型预测控制(Model predictive control,MPC)算法,提高了算法的性能。(3)对玉米田作物行拟合和路径跟踪算法进行了仿真分析以及田间试验。对于作物行拟合算法,首先通过Gazebo软件对算法进行了仿真分析,验证了作物行拟合算法的可行性,然后进行了田间试验。试验结果表明:平台在0.2 m/s～0.8 m/s的工况下,该算法相较于人工标定的导航线的平均误差角不超过1.75°,平均处理时间不超过24.54 ms。对于路径跟踪算法,通过Carsim软件对改进后的算法进行了仿真分析,然后进行了田间试验。试验结果表明:当预测步长设定为50,改进后的MPC算法相较于常规算法的迭代时间减小了30.65%;当平台在0.8 m/s～3.2 m/s的工况下,最大横向误差不超过0.086 m。以上结果均表明,本文的作物行拟合算法和路径跟踪算法足以满足田间实际工作需求。

关键词：精准农业智能农机装备田间自主行走平台作物行拟合路径跟踪

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