自主行走高速水稻插秧机自动转向控制系统研究

发布时间：2020-06-15 06:07

【摘要】：插秧机是提高作业效率、降低劳动强度、实现水稻生产机械化最重要的农业机械。农业机械的未来必然是向智能化方向发展。自动转向控制技术是自动驾驶的关键技术,也是当今智能化领域当中主要的研究课题之一,是实现精准插秧的重要手段,它不仅提高了劳动生产率,而且有效提高了水稻栽插质量。作为自动导航的关键技术,插秧机转向的性能好坏直接影响自动导航的行走精度。因此,本课题根据插秧机在田间作业时的工况的复杂性及精度要求较高的特点,对插秧机的自动转向控制技术进行了深入的研究。主要的研究内容如下:首先,依据插秧机田间转向的难点深入分析了插秧机自动转向控制原理,简化了插秧机的运动学模型,在此基础上,提出了插秧机实现自动转向控制的设计要求,综合分析了五种可行的转向控制方案优缺点,选定直流伺服电机齿轮传动方向盘转向柱的转向方案。伺服电机型号采用maxon公司生产的RE50,编码器型为EPOS2 70/10,并对其相关组成硬件进行了选型和购买,设计安装电机支架,完成转向执行机构的改造和安装。其次,针对水田坑洼不平的、复杂环境的情况下,插秧机在田间行走时具有较强的非线性和不确定性,以及在偏差较小时出现控制精度较低等情况,本文在模糊PID控制的基础上设计了复合模糊自适应PID控制器,采用MATLAB/simulink软件对不同转向角度下的PID算法和复合模糊PID算法进行了仿真分析。通过分析对比,复合模糊PID算法能够很好的满足自动转向控制的要求,能实现偏差过大时实现快速调节,偏差较小时实现精准调节,提高自动转向的精准度,解决了不会因偏差范围过大使系统产生静态偏差的问题。最后,为验证所设计的转向控制系统方案及算法的可行性,进行了系统硬件平台搭建,前轮转角标定试验和台架试验。通过在PID控制算法下和复合模糊PID控制算法下转角跟踪的台架试验,通过实验确定了复合模糊PID控制满足自动转向控制性能要求,响应速度快,稳定,减小了超调量。
【学位授予单位】：安徽农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273;S223.91
【图文】：

原理图,自动驾驶,转向控制,平台

图 1-1 Case7220 自动驾驶平台及转向控制原理图Fig.1-1 Case7220 Autopilot platform and steering Control principle Diagramoshisada 以水稻移栽机为研究平台对其转向执行机构进行了改装，他以直流动力源，通过同步齿形带作为传输装置驱动转向轴旋转，采用角度绝对式于测量方向盘转动的角度，并作为反馈装置实时检测插秧机转角并发送给上磁离合器作为枢纽连接电机和同步带，可实现自动转向和人工转向的变换[homas 等人研发了一种四轮智能转向农用机械平台，他们分别在四个车轮上无刷直流电机，通过减速器直接带动车轮实现自动转向，而转角信号则电机转轴上的编码器提供。通过试验得出该转向系统满足了田间转向性能要求。该农用机械平台在 0.2m/s 的低速路径跟踪试验中，横向偏差-1.6cm 之间。在 1.6m/s 的高速行驶中，横向偏差在 7.9cm-10.7cm 之间[13]。ubramanian 等以 John Deere 6410 拖拉机为试验对象，以机器视觉和激光雷定位方式，该方法很好的避免了 GPS在工作时避障不灵活的问题。该操纵造在原转向机构的基础上，并联了一个比例伺服阀，编码器作为反馈装置实

自动转向,液压原理图

降低了自动转向执行机构的精度[22]。李俊岭等以日本久保田SPU-60 型水稻插秧机为研究平台，在保证原有转向机变情况下，以在方向盘上安装 BL92 型无刷直流电机作为驱动力，通过链传动接减速增扭装置和方向盘，实现插秧机自动转向机构的改造，前轮转角信息对式编码器测量，并通过单片机读取[23]。此方法在快速转向时，瞬时传动比不高速时传动不平稳，制造成本高，手动和自动转向切换时需人工切换比较麻烦陈文良等人以铁牛 654 拖拉机为研究对象，提出了一套电控液压助力转向控，此自动转向控制系统在不改变原有转向方式的情况下，并联了一套全液压转器，全液压转向控制器以步进电机提供动力，实现转向油缸的定向和定量，拉机自动转向，两位三通电磁换向阀则作为手动转向和自动转向之间的切换。

【参考文献】