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基于GPS/GIS的大型农用拖拉机自动导航系统
2007年3月农机化研究第3期
基于GPS/GIS的大型农用拖拉机自动导航系统
孔德峰,汪春,王熙,姜楠
(黑龙江八一农垦大学工程学院,黑龙江大庆163319)
摘要:自动导航技术是实施精准农业的基础,在精准播种,精准施肥,精准喷药,精准收割等各个方面
起着重要作用.为此,给出了设定导航直线的方法,利用车辆动力学模型设计了自动导航的负反馈控制器,
并对自动导航拖拉机系统的基本组成以及主要工作过程进行了分析.
关键词:农业工程;自动导航;设计;拖拉机;精细农业;GIS;GPS
中图分类号:S219.032.1文献标识码:A文章编号:1OO3—188X(2007)03--0054--02
0引言
自动导航技术是实施精准农业的基础,可以保
证实施起垄,播种,喷药,收获等农田作业时衔接
行距的精度,减少农作物生产投入成本,并使农作
物的种植农艺特性优化,提高农艺作业质量,避免
作业过程中产生衔接行的”重漏”,降低成本,增加
经济效益.应用自动驾驶技术可以提高拖拉机或谷
物联合收割机的操作性能,延长作业时间,可以实
现夜间播种作业,大大地提高了机车的出勤率与时
间利用率;使用该套设备能够减轻驾驶员的劳动强
度,在作业过程中,驾驶员可以利用更多的时间注
意观察农具的工作状况,有利于提高田间作业质量.
大型的农业机械广泛用于喷药,耕耘,播种,收获,
并且需要具有一定经验受过培训的驾驶员,特别是
由于精准农业的广泛推广,先进机车的引进,拖拉
机的功率越来越大,对机车驾驶员的要求越来越高.
由于垦区大规模农业机械化作业的需要,自动驾驶
技术研制显得尤为迫切.本文利用GIS提出了一种
路线设定方法,并应用车辆运动学模型应用USB总
线设计了系统的总体结构.
1参考路径的设定以及反馈控制器的设计
1.1参考路径的设定
参考路径是指拖拉机行进时的路线,其设定有
两种方法:一是在电子地图上设定.由于电子地图
上有关地块的信息可以较全面规划耕作的路线,做
法是设定两点,然后自动生成一条直线.二是在田
间根据地块的形状实际设定.机车在地头时设定一
点,然后到地尾再设定一点将两点显示到电子地图
上生成一条直线.具体的方法是:设定一点M(x,Y),
然后设定第二点N(x2,Y2).由++C=0得到A,B
和C的值;然后,由这条直线以及机车的宽度得到
这条直线的平行线,从而得到机车的参考路径.
1.2反馈控制器的设计
由拖拉机的运动学模型…得到拖拉机运动学方
程式为
主:VGOS0
=vsin0
.
v(1)
0=——tan/2”
,
/2”=U
式中,Y一拖拉机后轮中心点坐标;
0一拖拉机的方位角;
/2”一拖拉机转向角;
1一拖拉机轴距;
U一转向角速度.
拖拉机方向角和转向角逆时针为正.
由于参考的轨道为直线,再由拖拉机的初始状
态参数(,Y,0,/2”)已知,利用无限时间调节器的设
计方法设计拖拉机沿直线行驶控制的调节器.
取目标函数为
minJ=(xax+RU)dt(2)
反馈增益矩阵K=BP控制为U=一KX.其中,P
为Ricoati方程PA+AP—PBBP+Q=0的解.
收稿日期:200606—02r.
基金项目:黑龙江省重点学科建设项目资助(2001—2005)l
作者简介:孔德峰(1980一),男,黑龙江兰西人,硕士研究生,a=lO
(Email)kdefeng0163.c.m10
通讯作者:汪春(1963一),男,黑龙江延寿人,教授,博士生导:
师,(Emia1)wangchun570yahoo.C.X【y
..
54..
i詈],=[i;]B=.r,
一一
=
A.小订
0l0
2007年3月农机化研究第3期
2自动导航系统的基本组成以及软件设计
自动导航技术是基于DGPS技术,传感器技术,
微处理器技术,控制技术的综合性系统.其主要包
括传感器,控制系统,执行系统.在本系统中工控
机为上位机,主要作用是数据采集,导航的计算,
通过从设备接收信息发送控制指令.下位机为单片
机,主要的作用是数据转换将传感器的RS232数据
转化为USB数据格式,同时接收上位机的控制指令
控制执行机构动作.由GPS接收机和一组数传电台
组成DGPS系统得到机车的位置信息(,Y),由地
速雷达实时测量机车的速度信息(V),由陀螺仪得
到机车的方位角(0),由位移传感器得到机车的转
向角().总体结构如图1所示.
RS232总线
IDGPSlI地速雷达I陀螺仪位移传感器
1
usB/Rs232转换芯片(,执行机构,,,
———
一,
J
USB总线控制单元l?-i电子地图l(工控机)l..
十
输入设备
图1拖拉机自动导航系统结构组成图
具体的工作过程是上位机获取传感器数据经过
转换芯片转化成USB数据流,得到机车的
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