拖拉机作业路径规划与辅助导航系统的研究

发布时间：2017-11-01 18:14

  本文关键词：拖拉机作业路径规划与辅助导航系统的研究

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【摘要】：河南省及中原地区的农业机械化生产多以中小型农机装备为主,农田作业面积较小,因此广泛应用由中小型拖拉机和作业机具构成作业机组。在机组的作业过程中,拖拉机的行驶路径是否符合农机作业规范和要求直接影响到农业机械化生产整体的质量和效率。本文根据河南地区农业生产特点并以提高田间作业的信息化水平为切入点,围绕拖拉机的田间作业路径的规划方法和辅助导航驾驶技术两个关键问题展开研究试验,开发了“拖拉机作业路径规划与辅助导航系统”,并进行了田间的应用试验。本研究主要包括以下几个方面:(1)根据拖拉机的运动学模型将其抽象为刚体,确定了拖拉机的定位基准点和随体坐标系,从而得到其最小转弯半径与通过空间等的计算方法;建立大地固定坐标系表示拖拉机的位置和姿态信息,得到了使用姿态参数对位置参数进行补偿以及降低姿态传感器系统安装误差的计算方法;应用高斯投影原理及其正算公式获得拖拉机平面坐标,阐明了RTK和ARHS设备的通信协议内容和信息格式。(2)根据拖拉机典型转弯方式,建立了转弯路径的数学解析模型,从而得到转路径所必需的地头转弯区域宽度和时间成本等参数的计算方法;阐述了使用农田边界形状以及自定义等多种方式确定直线作业路径的方法和流程;提出使用全排列算法确定直线路径在路径规划方案中的先后顺序,通过数值计算试验总结和归纳出直线路径遍历顺序的规律。(3)设计开发了“拖拉机作业路径规划与辅助导航系统”应用软件,其功能涵盖了从采集农田地理信息数据到规划作业路径,再到拖拉机辅助导航驾驶等田间作业的主要环节;建立了RTK和ARHS与计算机系统之间的串口通信,根据通讯协议解析实现了两者之间的双向数据通信;设计开发了电子地图和辅助导航交互界面,为驾驶员提供作业机组的实时位置姿态和导航驾驶指示参考信息。(4)采用拖拉机作业路径规划与辅助导航系统软件在试验田进行了作业路径规划试验和小麦玉米的播种试验,路径规划试验数据表明软件系统所生成的路径规划方案中转弯路径消耗的时间较其他行走方式至少降低50%;小麦玉米的播种试验数据表明:在辅助导航和光靶导航时拖拉机行驶轨迹相对于直线路径的最大横向偏差要小于自动导航,而自动导航时的行驶轨迹相对于自身拟合直线的最大横向偏差远小于辅助导航和光靶导航。
【关键词】：RTK 高斯投影 定位测姿 路径规划 辅助导航
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S219
【目录】：

• 致谢4-8
• 摘要8-9
• 1 绪论9-20
• 1.1 课题背景和研究意义9-10
• 1.2 课题来源和研究目标10-11
• 1.3 精准农业的技术发展11-15
• 1.3.1 精准农业的内涵11
• 1.3.2 精准农业的国外发展和应用11-12
• 1.3.3 精准农业的国内发展和应用12-15
• 1.4 农机作业路径规划方法的研究现状15-16
• 1.4.1 国外研究现状15-16
• 1.4.2 国内研究现状16
• 1.5 拖拉机导航技术的发展现状16-18
• 1.5.1 拖拉机自动导航技术发展现状16-17
• 1.5.2 拖拉机辅助导航技术的发展现状17-18
• 1.6 研究内容和技术路线18-19
• 1.6.1 研究内容18-19
• 1.6.2 技术路线19
• 1.7 本章小结19-20
• 2 拖拉机作业路径规划与辅助导航系统总体方案20-27
• 2.1 系统总体方案设计20-23
• 2.1.1 拖拉机作业路径规划系统方案设计20-21
• 2.1.2 拖拉机辅助导航系统方案设计21-23
• 2.2 系统开发平台23-25
• 2.2.1 硬件部分23-24
• 2.2.2 软件部分24-25
• 2.3 系统功能25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 拖拉机定位测姿方法的研究27-37
• 3.1 拖拉机平面运动学模型27-28
• 3.2 拖拉机的定位姿态参数28-29
• 3.3 定位补偿与姿态校准29-30
• 3.3.1 RTK天线的定位补偿29-30
• 3.3.2 ARHS的姿态校准30
• 3.4 高斯投影的应用30-33
• 3.4.1 高斯投影原理30-31
• 3.4.2 高斯投影正算公式31-33
• 3.5 传感器系统的数据通信33-36
• 3.5.1 NMEA-0183 通信协议33-34
• 3.5.2 ARHS系统的通信协议34-36
• 3.6 本章小结36-37
• 4 拖拉机田间作业路径规划方法的研究37-50
• 4.1 转弯路径的规划方法37-42
• 4.1.1 转弯路径的解析与表示38-40
• 4.1.2 转弯路径耗时成本40-41
• 4.1.3 转弯路径的地头区域最小宽度41-42
• 4.2 直线路径的规划方法42-44
• 4.2.1 作业方向的确定42-43
• 4.2.2 直线路径的解析与表达43-44
• 4.3 直线路径跟踪偏差的计算44-45
• 4.4 路径规划方案45-49
• 4.4.1 全排列算法46-47
• 4.4.2 直线路径的遍历顺序47-49
• 4.5 本章小结49-50
• 5 拖拉机作业路径规划与辅助导航系统软件的设计开发50-67
• 5.1 系统软件总体设计思路50-53
• 5.1.1 系统结构50-51
• 5.1.2 标准模块51-52
• 5.1.3 主界面设计52-53
• 5.2 串口通信子系统的设计开发53-55
• 5.2.1 通信参数设置对话框的设计54
• 5.2.2 MSComm控件及其属性设置54
• 5.2.3 定位姿态数据的解析54-55
• 5.3 路径规划子系统的设计开发55-61
• 5.3.1 农田作业信息和设备参数设置对话框的设计56-57
• 5.3.2 作业路径规划计算57-61
• 5.4 电子地图子系统的设计开发61-63
• 5.4.1 电子地图的初始化61-62
• 5.4.2 显示静态元素62-63
• 5.4.3 显示动态元素63
• 5.5 辅助导航子系统的设计开发63-66
• 5.5.1 计算跟踪偏差64
• 5.5.2 人机交互界面的设计开发64-66
• 5.6 本章小结66-67
• 6 田间试验与数据处理67-77
• 6.1 作业路径规划试验67-68
• 6.2 导航系统田间试验68-76
• 6.2.1 拖拉机辅助导航田间试验68-71
• 6.2.2 拖拉机自动导航田间试验71-74
• 6.2.3 拖拉机光靶辅助导航田间试验74-76
• 6.3 本章小结76-77
• 7 结论与展望77-79
• 7.1 结论77-78
• 7.2 展望78-79
• 参考文献79-83
• 附录A：程序代码（部分）83-91
• 附录B 攻读硕士期间完成的科研工作91-92
• 英文摘要92-93

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本文编号：1127955