农机导航多模变结构智能控制方法的研究论文
第一章绪论
近年国家中央一号文件聚集三农,明确提出要加大农业科技投入,发展现代化农业,建设以农业物联网和农业智能化装备为重点的农业全程信息化和机械化技术体系。农机自动导航控制技术是现代化农业生产的一个重要组成部分,作为农业机械智能化装备的关键技术之一,对其进行深入研究,符合国家发展战略需求。进入新世纪,我国面对"资源短缺,地少人多,人增地减”的发展问题,保障我国粮食供给与食物安全,关键在于推动农业生产技术的进步,在追求数量发展的同时,更要提高质量、环保意识。农机导航控制技术是实现智能化农业装备的一项关键技术,对提高我国现代农业信息化水平起到巨大推动作用。农机的作业环境复杂,农机导航系统可视为一个非线性、不确定系统,而多模变结构控制是一种非线性控制方法,与智能控制相结合,能够更好地解决复杂非线性系统的控制问题,开展典型农机多模变结构智能控制方法的研究具有重要的理论与学术研究价值.本章阐述了农业机械自动导航控制技术研究目的及意义,以及开展多模变结构智能控制理论研究,并将其引入到农业机械自动导航技术研究中的理论意义与学术价值;在查阅大量国内外文献基础上,分别对国内外在拖拉机、水稻插秧机、开沟铺管机这三种典型农机所开展的自动导航技术与方法研究现状进行了介绍;针对农机本身及作业环境存在时变、不确定性以及扰动的特点,阐述了本文开展的主要研究内容及所采取的技术路线。
第二章农机导航基础理论
2.1引言
智能农业机械是开展精准农业研究和实践的重要装备,自动导航是其关键技术之一,实现农业机械具备沿作业路线自动行走的功能,对提高农业机械作业效率和质量、减轻驾驶员工作负担、保护人身安全、解决熟练驾驶人员日益短缺等问题具有重要作用。为了更好地开展农机导航控制技术的研究,围绕典型农机导航平台的特点,本章重点主要从农机运动学模型、GNSS卫星导航定位原理、国际农机CAN总线通讯协议等方面开展基础理论研究。
2.2农机运动学模型
农机运动学模型是导航控制规则设计的基础,一个详细描述农机行为的模型,其复杂性必然会给控制规则的设计带来困难,而一个简化了的模型,虽然便于控制规则的设计,但这样的模型不能很好地描述农机的行为,给控制性能带来不良影响。因此,这就必须在模型和控制规则之间寻求一个平衡。通常农机运动学模型依据以下的假设条件推导得到:1.动态模型的控制变量为农机车速和前轮转角;2.农机及农机具都为刚性体;3.两个前轮等同于两轮之间的虚拟轮,农机被简化为一个二轮模型;4.假设农机在平坦、水平的地面上移动;5.假设农机移动为纯滚动,无打滑现象发生。由于描述农机所有特征(惯性,打滑,弹跳等),会导致一个非常大的模型,这样一个动态模型一般不会被考虑的。此外,大部分的农机参数值(质量,车轮地面接触状态,弹簧刚度等)是不为人知的,要通过试验辨识也非常困难。因此,基于假设1-5的运动学模型,忽略农机动态特征,这在移动机器人领域是普遍采取的做法。由模型推导出的控制规则,在实际的农业生产条件下,性能试验取得了令人满意的效果,从而验证了上述假设的.合理性.
第三章农机导航多模变结构智能控制方法试验验证
3.1引言
基于多模变结构智能控制理论与方法,并结合不同农机导航的特点及问题,提出了模型参考自适应导航控制方法、滑动自校正导航控制方法和多模态自调整模糊控制方法。为了对三种农机导航智能控制方法进行实际应用性能试验研究,本章在轮式拖拉机、水稻高速插秧机和大型开沟铺管机基础试验平台上分别采用模型参考自适应导航控制方法、滑动自校正导航控制方法和多模态自调整模糊控制方法,实现了农机导航控制系统,并进行了实际田间作业试验及结果分析。
3.2模型参考自适应导航控制试验
本节选取轮式拖拉机为农机导航试验平台,引入多模变结构智能控制策略,采用模型参考自适应导航控制方法,实现拖拉机自动导航控制系统。将模型控制与自适应控制方法相结合,在拖拉机导航控制过程中,发挥模型控制方法在导航控制的独特优势,同时通过自适应调整单元降低导航过程中不确定干扰的不良影响,提高拖拉机导航控制精度。拖拉机模型参考自适应导航控制原理如图6-1所示。设定参数初始值为0.08,Kd=0.6
结论与展望
1结论
本文的主要研究贡献包括以下几方面:(1)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系统研究,建立了农机运动学模型,并在运动学模型基础上,确定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。(2)自主研制了低成本、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。该定位模块PTK定位方式下,水平定位精度(RMS)优于1cm,完成可以满足农机自动导航的需要,为自动导航技术在农业生产中的实际应用提供了技术、设备保障;搭建了基于CAN总线的监控网络系统,简化了导航控制系统各模块之间的数据连接,提高了系统可靠性。(3)基于多模变结构智能控制原理及理论,针对农机导航过程的复杂性,引入多模变结构智能控制策略思想,将多种智能控制技术与方法相融合,充分利用各自的特点,进行了农机导航控制方法的研究,试验结果也验证了控制方法的优越性和实用性。
2对今后工作的展望
对今后工作的具体展望如下:
(1)目前,国外农机导航产品还占据着我国主要的市场份额,面对我国巨大的农机导航需求潜在市场,下一步将进一步推动研究成果的产品化进程,投入到实际的农业生产过程中,在应用过程中不断完善产品功能和可靠性,打破国外相关产品的技术与市场垄断地位。
(2)拖拉机挂接机具在田间作业时,机具负载会随着作业深浅、田间土质软硬等情况时刻发生变化,整车重心随之波动,拖拉机车轮与地面接触情况将变得非常复杂,给导航控制带来一定的难度, 如何进一步降低田间作业负载等随机干扰的影响,提高导航控制精度,还需要完善控制理论与方法,进行大量田间试验研究。
(3)由于农业机械田间作业环境复杂,田间可能存在障碍物,斜坡的田地上作业,曲线模式作业,复杂地头条件掉头等情况,要实现农业机械田间作业完全无人驾驶还有一段距离。考虑将农田遥感信息与三维地形重构技术相结合,生成农田环境数字三维地图,将事先完成的数字三维地图输入到导航控制系统中,将有助于农业机械无人驾驶技术的发展。
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