农机导航多模变结构智能控制方法研究

发布时间：2017-10-18 20:07

  本文关键词：农机导航多模变结构智能控制方法研究

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【摘要】：农业机械自动导航技术是现代精准农业的一个重要的组成部分,作为农业自动化装备的关键技术之一,已成为该领域的研究热点。本文以拖拉机、水稻插秧机、开沟铺管机这三种典型农业机械为研究对象,利用GNSS技术、机电一体化技术及计算机分布控制技术,构建基于农机CAN总线的传感器监控网络,采用多模变结构智能控制技术与方法,开展农业机械自动导航控制技术与装备的研究,具体研究内容如下：(1)对农机自动导航的基础技术进行研究。为了较好描述农机运动特征,对农机状态变量和运动学模型的推导进行了研究,建立农机运动学模型,并在运动学模型基础上,确立了基础的导航控制规则,为典型农机平台智能控制技术的应用奠定理论基础;深入研究了卫星导航定位系统的原理与方法,自主研制了兼容北斗/GPS/GLONASS三系统的GNSS定位模块,并对其进行了试验研究。试验结果表明,该定位模块在RTK定位方式下,水平定位精度(RMS)优于lcm；在熟悉了国际农机CAN总线数据通讯标准及网络结构的基础上,对CAN总线通讯信息帧进行了详细的分析。(2)农机田间作业是一个复杂的过程,针对农机自动导航的多模态特点,引入多模变结构控制思想,将多种智能控制技术与方法相融合,充分利用各自的特点,进行导航控制方法的研究。由于农机导航作业过程的时变性和不确定性,提出多模变结构智能控制策略,对多模变结构智能控制理论进行了深入研究；系统研究了模糊控制理论与方法、自调整模糊控制技术、系统辨识与自适应控制技术,并开展了典型农机导航的应用研究。(3)研究了模型参考自适应导航控制方法,针对轮式拖拉机导航作业的特点,设计了模糊自适应导航控制器；采用卡尔曼状态重构滤波方法,对航向数据进行信号滤波处理；开发了拖拉机自动导航控制系统,详细介绍了拖拉机转向系统手动／自动电液控制改造,研制了转向系统控制器和前轮转角检测传感系统;开发了导航路径跟踪与控制软件系统,并进行单机与田间作业试验研究。拖拉机自动导航控制系统工作性能稳定,直线作业偏差小于5cm,满足精准农业作业的需求。(4)针对水田作业易出现打滑现象,研究了插秧机作业打滑识别与自校正导航控制方法,并进行了仿真试验研究；开展了插秧机自动导航控制技术的研究,对插秧机转向系统进行电控改造,设计了转向系统控制器与转向轮转角检测传感系统；研制了基于CAN总线的自动导航控制系统,并进行了路面与水田作业试验研究。试验结果表明,在车辆行进速度不大于0.6m/s时,跟踪最大误差小于10cm,可以满足插秧机自动对行的精度要求。(5)研究了多模态自调整模糊控制方法,并设计了自调整导航控制规则,研制了开沟铺管机自动导航控制系统,为开沟铺管机作业质量提供了技术保障。对开沟铺管机履带式行走系统进行了可手动／自动切换的电控改造,并对行走控制电路的设计进行了详细说明；开发了车载控制器及导航软件系统,并进行田间作业试验研究。试验结果表明,在车辆行进速度不大于0.5m/s时,直线跟踪误差小于10cm,完全满足开沟铺管机自动对行的精度要求。
【关键词】：精准农业 全球导航卫星系统 农机导航 多模变结构智能控制 模糊控制
【学位授予单位】：中国农业机械化科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S220
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 图目录11-14
• 表目录14-15
• 第一章 绪论15-24
• 1.1 研究目的和意义15-16
• 1.2 国内外研究现状16-21
• 1.3 主要研究内容和技术路线21-23
• 1.3.1 主要研究内容21-22
• 1.3.2 技术路线22-23
• 1.4 本章小结23-24
• 第二章 农机导航基础理论24-41
• 2.1 引言24
• 2.2 农机运动学模型24-29
• 2.2.1 模型标记说明24-25
• 2.2.2 状态空间模型推导25-28
• 2.2.3 控制规则设计28-29
• 2.3 卫星导航定位原理29-38
• 2.3.1 GNSS系统组成与定位原理29-30
• 2.3.2 差分GNSS技术30-33
• 2.3.3 农机定位模块研制与试验研究33-35
• 2.3.4 GNSS通讯协议35-36
• 2.3.5 坐标转换36-38
• 2.4 农机CAN总线通讯协议38-39
• 2.5 本章小结39-41
• 第三章 多模变结构智能控制原理41-53
• 3.1 引言41
• 3.2 多模变结构智能控制41-43
• 3.2.1 基本思想41-42
• 3.2.2 多模变结构智能控制器设计42
• 3.2.3 多模变结构智能控制规则设计42-43
• 3.3 自调整模糊控制43-48
• 3.3.1 模糊控制系统的组成43-44
• 3.3.2 模糊控制器设计44-47
• 3.3.3 自调整因子模糊控制器47
• 3.3.4 自调整函数模糊控制规则47-48
• 3.4 模型参考模糊自适应控制系统48-51
• 3.4.1 MRAS系统48-49
• 3.4.2 MRFAS系统控制算法49-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第四章 农机导航多模变结构智能控制方法53-67
• 4.1 引言53
• 4.2 模型参考自适应导航控制53-57
• 4.2.1 基本思想53-54
• 4.2.2 模糊自适应调节器设计54-56
• 4.2.3 仿真分析56-57
• 4.3 滑动自校正导航控制57-61
• 4.3.1 滑动模型57-58
• 4.3.2 模型验证58-59
• 4.3.3 滑动检测59
• 4.3.4 滑动自校正控制59-60
• 4.3.5 仿真分析60-61
• 4.4 多模态自调整模糊控制61-64
• 4.4.1 运动学模型61-62
• 4.4.2 多模态自调整模糊控制器62-63
• 4.4.3 仿真分析63-64
• 4.5 卡尔曼状态重构滤波方法64-66
• 4.5.1 数字滤波64-65
• 4.5.2 卡尔曼状态重构方法65
• 4.5.3 模拟信号处理65-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第五章 农机导航智能控制系统67-84
• 5.1 引言67
• 5.2 拖拉机导航控制系统67-71
• 5.2.1 拖拉机转向系统电液改造67-68
• 5.2.2 前轮转角检测方法68-69
• 5.2.3 转向控制器设计69-70
• 5.2.4 拖拉机导航控制系统70
• 5.2.5 路径规划与路径跟踪软件系统设计70-71
• 5.3 插秧机导航控制系统71-76
• 5.3.1 水稻插秧机平台71-72
• 5.3.2 转向系统电控改造72-74
• 5.3.3 转向角度检测74-75
• 5.3.4 插秧机导航系统集成75-76
• 5.4 开沟铺管机导航控制系统76-82
• 5.4.1 开沟铺管机平台76-78
• 5.4.2 履带式行走系统电控设计78-80
• 5.4.3 开沟铺管机导航控制系统80-81
• 5.4.4 导航系统软件设计81-82
• 5.5 本章小结82-84
• 第六章 农机导航多模变结构智能控制方法试验验证84-98
• 6.1 引言84
• 6.2 模型参考自适应导航控制试验84-88
• 6.2.1 田间单机试验84-86
• 6.2.2 田间作业试验86-88
• 6.3 滑动自校正导航控制试验88-92
• 6.3.1 柏油路面试验88-90
• 6.3.2 田间试验90-92
• 6.4 多模态自调整模糊控制导航试验92-97
• 6.4.1 试验条件92-93
• 6.4.2 试验步骤93-94
• 6.4.3 单一模态控制试验分析94-95
• 6.4.4 多模态自调整控制试验分析95-97
• 6.5 本章小结97-98
• 结论与展望98-100
• 1 结论98-99
• 2 对今后工作的展望99-100
• 参考文献100-105
• 致谢105-106
• 作者简介106-10

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本文编号：1056883