农业车辆自主跟随控制系统的设计与实现

发布时间：2020-04-08 18:50

【摘要】：以农业机械为载体,以农业科技创新为突破,发展农业机械的自动化、信息化和智能化能够有效地提高农业生产的效率和质量,是满足农业生产对农业机械化的迫切需求和实现农业机械化高水平快速发展的有效途径。本文以实现车辆自主跟随为目的,结合自主改装的两辆小型电动车,搭建了自主跟随车辆试验平台,深入研究了速度控制系统、航向跟随控制系统、跟随间距控制系统以及引导车与跟随车协同控制的设计与实现方法。主要研究工作包括：1、搭建了自主跟随车辆试验平台。试验平台包括引导车与跟随车控制系统的主控制器、执行机构、检测机构与无线通信系统。引导车与跟随车控制系统的主控制器选用数字信号处理器TMS320F28335。两车执行机构包括调速机构、转向机构与制动机构,通过控制差速电机转速实现车辆调速,通过控制步进电机实现转向,通过控制电动推杆实现制动。两车检测机构中,增量式旋转编码器、绝对式旋转编码器和绝对式拉线位移传感器分别用于检测车辆的行驶速度、前轮偏转角和电动推杆行程；反射型红外传感器和超声波测距传感器分别用于检测跟随车相对于引导车的航向偏转角与跟随间距。两车无线通信系统通过无线传输模块UTC-1212组建,实现两车之间状态信息的通讯。并配备了RTK-DGPS系统记录车辆的行驶轨迹,验证系统的运行效果。2、完成了两车速度控制系统的设计与实现。根据实验数据得出差速电机驱动系统的数学模型,设计了速度闭环控制结构,根据控制结构设计了基于PI的速度闭环控制器,并对控制器进行了仿真验证和参数整定,结合制动机构协助调速,完成了速度控制系统的硬件实现和实际性能测试。3、完成了跟随车辆航向控制系统的设计与实现。提出了一种基于反射型红外传感器检测跟随车相对于引导车的航向偏角的方法和结构设计,对其检测原理进行了详细的分析。通过对跟随车辆运动学分析,推导出前轮偏转角与航向偏转角的数学关系,设计了步进电机驱动下的转向系统控制模型,并在Matlab-Simulink环境下进行了仿真研究,完成了基于PD的航向跟随控制器的设计和参数整定,并完成了实际运行环境下的性能测试。4、完成了跟随间距控制系统的设计与实现。提出了一种基于超声波测距的车辆间距控制方法,设计了基于PD的跟随间距控制器,控制系统采用双闭环结构,内环为速度控制环,外环为跟随间距控制环。对控制器进行仿真验证和参数整定,并完成了实际运行环境下的性能测试。5、设计了引导车与跟随车协同控制算法。针对组建的两车无线通信系统,结合自定义的协同控制命令语句格式与内容,设计了两车协同控制算法。利用Matlab软件开发了车辆行驶状态信息监测的上位机软件,实现了自主跟随中两车行驶状态信息的实时显示与存储。在软硬件设计的基础上,开展了系列性能测试试验,试验结果如下：1、速度控制性能试验。实验结果：设定行驶速度为1.11m/s(4Km/h),平整水泥路面下的调节时间为0.87s,稳态速度平均值为1.07m/s,与目标值之间的相对误差为3.6%,稳态速度均方差为0.04m/s；变路况下的调节时间为0.85s,稳态速度平均值为1.06m/s,与目标值之间的相对误差为4.5%,稳态速度均方差为0.05m/s；草泥路面下的调节时间为0.97s,稳态速度平均值为1.04m/s,与目标值之间的相对误差为6.3%,稳态速度均方差为0.09m/s。实验结果表明：控制系统在实际路况下运行时具有较快的响应速度,较高的准确性和良好的稳定性。2、航向跟随控制性能试验。实验结果：设定目标航向偏转角分别为±5°、±10°、±15°和±20°时,调节时间最大为3.3s,其中±5°和±10°的控制响应无超调,±15°的控制响应超调量为3.3%,±20°的控制响应超调量为5%。实验结果表明：航向跟随实际控制效果与仿真结果基本一致,具有良好的稳定性和准确性。3、自主跟随控制整体性能试验。水泥路况下,设定跟随间距为1.5m,分别开展了跟随速度为2Km/h和5Km/h的实验,实验结果：两车行驶路径的最大横向偏差为8.1cm,平均横向偏差的最大值为2.8cm,方差的最大值为4.5cm2；跟随间距的最大偏差为7cm,平均值的最大值为152.6cm,方差的最大值为7.4 cm2；果园路径下的自主跟随控制实验结果：两车行驶路径的最大横向偏差为9.2cm,平均偏差为3.3cm,方差为5.5cm2；跟随间距的最大偏差为9cm,平均值为153.7cm,方差为9.2 cm2。整体实验结果表明：本文设计的速度控制系统、跟随间距控制系统和航向跟随控制系统能够实现车辆的自主跟随,系统运行稳定可靠,体现出其在复杂农业环境中的应用前景。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S220.3;TP273

【相似文献】