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農機導航多模變結構智能控制方法的研究論文
第一章緒論
近年國家中央一號文件聚集三農,明確提出要加大農業科技投入,發展現代化農業,建設以農業物聯網和農業智能化裝備為重點的農業全程信息化和機械化技術體系。農機自動導航控制技術是現代化農業生產的一個重要組成部分,作為農業機械智能化裝備的關鍵技術之一,對其進行深入研究,符合國家發展戰略需求。進入新世紀,我國面對"資源短缺,地少人多,人增地減”的發展問題,保障我國糧食供給與食物安全,關鍵在于推動農業生產技術的進步,在追求數量發展的同時,更要提高質量、環保意識。農機導航控制技術是實現智能化農業裝備的一項關鍵技術,對提高我國現代農業信息化水平起到巨大推動作用。農機的作業環境復雜,農機導航系統可視為一個非線性、不確定系統,而多模變結構控制是一種非線性控制方法,與智能控制相結合,能夠更好地解決復雜非線性系統的控制問題,開展典型農機多模變結構智能控制方法的研究具有重要的理論與學術研究價值.本章闡述了農業機械自動導航控制技術研究目的及意義,以及開展多模變結構智能控制理論研究,并將其引入到農業機械自動導航技術研究中的理論意義與學術價值;在查閱大量國內外文獻基礎上,分別對國內外在拖拉機、水稻插秧機、開溝鋪管機這三種典型農機所開展的自動導航技術與方法研究現狀進行了介紹;針對農機本身及作業環境存在時變、不確定性以及擾動的特點,闡述了本文開展的主要研究內容及所采取的技術路線。
第二章農機導航基礎理論
2.1引言
智能農業機械是開展精準農業研究和實踐的重要裝備,自動導航是其關鍵技術之一,實現農業機械具備沿作業路線自動行走的功能,對提高農業機械作業效率和質量、減輕駕駛員工作負擔、保護人身安全、解決熟練駕駛人員日益短缺等問題具有重要作用。為了更好地開展農機導航控制技術的研究,圍繞典型農機導航平臺的特點,本章重點主要從農機運動學模型、GNSS衛星導航定位原理、國際農機CAN總線通訊協議等方面開展基礎理論研究。
2.2農機運動學模型
農機運動學模型是導航控制規則設計的基礎,一個詳細描述農機行為的模型,其復雜性必然會給控制規則的設計帶來困難,而一個簡化了的模型,雖然便于控制規則的設計,但這樣的模型不能很好地描述農機的行為,給控制性能帶來不良影響。因此,這就必須在模型和控制規則之間尋求一個平衡。通常農機運動學模型依據以下的假設條件推導得到:1.動態模型的控制變量為農機車速和前輪轉角;2.農機及農機具都為剛性體;3.兩個前輪等同于兩輪之間的虛擬輪,農機被簡化為一個二輪模型;4.假設農機在平坦、水平的地面上移動;5.假設農機移動為純滾動,無打滑現象發生。由于描述農機所有特征(慣性,打滑,彈跳等),會導致一個非常大的模型,這樣一個動態模型一般不會被考慮的。此外,大部分的農機參數值(質量,車輪地面接觸狀態,彈簧剛度等)是不為人知的,要通過試驗辨識也非常困難。因此,基于假設1-5的運動學模型,忽略農機動態特征,這在移動機器人領域是普遍采取的做法。由模型推導出的控制規則,在實際的農業生產條件下,性能試驗取得了令人滿意的效果,從而驗證了上述假設的合理性.
第三章農機導航多模變結構智能控制方法試驗驗證
3.1引言
基于多模變結構智能控制理論與方法,并結合不同農機導航的特點及問題,提出了模型參考自適應導航控制方法、滑動自校正導航控制方法和多模態自調整模糊控制方法。為了對三種農機導航智能控制方法進行實際應用性能試驗研究,本章在輪式拖拉機、水稻高速插秧機和大型開溝鋪管機基礎試驗平臺上分別采用模型參考自適應導航控制方法、滑動自校正導航控制方法和多模態自調整模糊控制方法,實現了農機導航控制系統,并進行了實際田間作業試驗及結果分析。
3.2模型參考自適應導航控制試驗
本節選取輪式拖拉機為農機導航試驗平臺,引入多模變結構智能控制策略,采用模型參考自適應導航控制方法,實現拖拉機自動導航控制系統。將模型控制與自適應控制方法相結合,在拖拉機導航控制過程中,發揮模型控制方法在導航控制的獨特優勢,同時通過自適應調整單元降低導航過程中不確定干擾的不良影響,提高拖拉機導航控制精度。拖拉機模型參考自適應導航控制原理如圖6-1所示。設定參數初始值為0.08,Kd=0.6
結論與展望
1結論
本文的主要研究貢獻包括以下幾方面:(1)為了較好描述農機運動特征,對農機狀態變量和運動學模型的推導進行了系統研究,建立了農機運動學模型,并在運動學模型基礎上,確定了基礎的導航控制規則,為典型農機平臺智能控制技術的應用奠定理論基礎。(2)自主研制了低成本、兼容北斗/GPS/GLONASS三系統的GNSS定位模塊,并對其進行了試驗研究。該定位模塊PTK定位方式下,水平定位精度(RMS)優于1cm,完成可以滿足農機自動導航的需要,為自動導航技術在農業生產中的實際應用提供了技術、設備保障;搭建了基于CAN總線的監控網絡系統,簡化了導航控制系統各模塊之間的數據連接,提高了系統可靠性。(3)基于多模變結構智能控制原理及理論,針對農機導航過程的復雜性,引入多模變結構智能控制策略思想,將多種智能控制技術與方法相融合,充分利用各自的特點,進行了農機導航控制方法的研究,試驗結果也驗證了控制方法的優越性和實用性。
2對今后工作的展望
對今后工作的具體展望如下:
(1)目前,國外農機導航產品還占據著我國主要的市場份額,面對我國巨大的農機導航需求潛在市場,下一步將進一步推動研究成果的產品化進程,投入到實際的農業生產過程中,在應用過程中不斷完善產品功能和可靠性,打破國外相關產品的技術與市場壟斷地位。
(2)拖拉機掛接機具在田間作業時,機具負載會隨著作業深淺、田間土質軟硬等情況時刻發生變化,整車重心隨之波動,拖拉機車輪與地面接觸情況將變得非常復雜,給導航控制帶來一定的難度, 如何進一步降低田間作業負載等隨機干擾的影響,提高導航控制精度,還需要完善控制理論與方法,進行大量田間試驗研究。
(3)由于農業機械田間作業環境復雜,田間可能存在障礙物,斜坡的田地上作業,曲線模式作業,復雜地頭條件掉頭等情況,要實現農業機械田間作業完全無人駕駛還有一段距離。考慮將農田遙感信息與三維地形重構技術相結合,生成農田環境數字三維地圖,將事先完成的數字三維地圖輸入到導航控制系統中,將有助于農業機械無人駕駛技術的發展。
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