拖拉机自动驾驶路径规划的研究

发布时间：2020-06-09 16:23

【摘要】：随着拖拉机自动驾驶技术的日益普及,逐渐面临着作业地形多变、导航作业精度低、转弯路径构建,转弯路径的优化等重大问题,本文针对上述问题进行深入研究,搭建硬件平台,提出新的侧向误差评定方法,优化设计全域覆盖路径规划算法,最终通过田间试验分析,主要研究内容如下:(1)搭建硬件平台,建立拖拉机定位坐标体系,依据RTK-DGPS和IMU采集数据实现拖拉机地面投影点坐标的计算,并实现手动测量、2D-GPS测量、3D-GPS测量三种侧向误差评定方法;(2)根据拖拉机历史作业轨迹以及实际采集农田边界数据,实现地头边界参数优化、实现直线路径端点计算、最优作业方向的确定、直线路径作业顺序筛选;(3)构建地头非作业区域的连续曲率转弯曲线模型,形成拖拉机田间全域覆盖路径规划算法的设计;(4)设计高效、合理的田间试验方案,通过Freeform曲线实现,最终分析拖拉机全自动驾驶中的直线、转弯状态下的侧向误差,并与AB点导航模式下的侧向精度进行对比分析。综上所述,基于RTK-DGPS与IMU的侧向导航误差的评定方法能够真实反映缓坡农田的侧向误差,而基于实际农田边界信息、最优作业方向优化、连续曲率转弯模型的全域路径规划设计能够实现农田作业过程全自动化,试验结果显示,直线路径的误差均方根误差为7.05cm,自动转弯路径的误差均方根值为10.02cm,完全能够满足拖拉机在田间的全自动驾驶作业,从而为农田自动驾驶作业的实时在线路径规划设计奠定了基础。
【图文】：

地固坐标系,地心,坐标系

的一个固结点作为的参考，例如无线设的信理到中心，而航位推算传感器敏感轴的交点也可作为合适的原点；物体或参考成坐标系，坐标系间相互垂直，在空间中有六个自由度：原点０的位置和，而这六个自由度只能在另外一个为之定义的坐标系中才能表示。逡逑问题至少包括两个坐标系：一个载体坐标系和一个参考坐标系。载体坐标和方向，而参考坐标系描述的是已知物体。通常情况下载体的坐标系不止也不止一个，因此，要实现精准导航，必须对不同坐标系之间的关系进行在相对位置、速度、加速度、角速度等关系，这些变量通过矢量投影来相标系，需要一组称之为坐标系统（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＳｙｓｔｅｍ）的规则。事实上，近考系统服务组织（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｅａｒｔｈ邋Ｒｏｔａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ邋Ｓｙｓｔｅｍｓ邋Ｓｅｒｖｉｃｅ被越来越多的国家所接纳，下面将对地心惯性坐标系（Ｅａｒｔｈ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ心地球固结坐标系（Ｅａｒｔｈ－Ｃｅｎｔｅｒｅｄ邋Ｅａｒｔｈ—Ｆｉｘｅｄ邋Ｆｒａｍｅ，ＥＣＥＦ）、当地导航标系和载体坐标系进行简单介绍：逡逑地固坐标系逡逑点和坐标系如下图２－１所示，ｚ轴定义与ＥＣＩ坐标系相同，沿着地球自（非磁极点）；ｘ轴从地心指向赤道与ＩＥＲＳ参考子午线（ＩＥＲＳ邋Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ邋Ｍ手准则可知，ｙ轴从地心指向赤道与９０°东经子午线的交点。逡逑

坐标系,载体,固定坐标系,北向

．２拖拉机自动导航理论体系逡逑２．１拖拉机坐标系的建立逡逑（１）大地坐标系及导航坐标系逡逑由于本文拖拉机参考点的测量位置坐标是基于大地平面坐标系而获得，为简化拖拉机坐标位逡逑，建立当地局部活动的导航坐标系，其中局部导航坐标系原点为（Ｘ0，邋Ｙ0），其中正东方向为Ｘ逡逑，正北方向为Ｙ轴，故而与上述大地平面坐标系横纵轴相平行，而拖拉机载体坐标系原点位置逡逑测地坐标系的关系为：逡逑ｄ逦（２－４）逡逑（２）拖拉机载体坐标系建立逡逑拖拉机的位姿信息是通过相关坐标系统中的位置数据来表示其瞬时位置和姿态。本文通过建逡逑大地坐标系和拖拉机载体坐标系，表示拖拉机的实时姿态信息，其中固定坐标系Ｏ－Ｘ－Ｙ－Ｚ固结逡逑大地，采用东北天导航坐标系，也即Ｘ轴指向正东，Ｙ轴指向正北，Ｚ轴为垂直向上。拖拉机逡逑体坐标系ｏ－ｘ－ｙ－ｚ固结于拖拉机，其坐标系原点位于图２－３中所示定位基准点，ｘ轴为垂直于车逡逑指向拖拉机的前进方向，ｙ轴为平行于车轴正方向指向前视方向的右侧，Ｚ轴由右手准则确定。逡逑
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S219

【参考文献】