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農(nóng)機導(dǎo)航多模變結(jié)構(gòu)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(nóng),明確提出要加大農(nóng)業(yè)科技投入,發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),建設(shè)以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)業(yè)智能化裝備為重點的農(nóng)業(yè)全程信息化和機械化技術(shù)體系。農(nóng)機自動導(dǎo)航控制技術(shù)是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要組成部分,作為農(nóng)業(yè)機械智能化裝備的關(guān)鍵技術(shù)之一,對其進行深入研究,符合國家發(fā)展戰(zhàn)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(fā)展問題,保障我國糧食供給與食物安全,關(guān)鍵在于推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進步,在追求數(shù)量發(fā)展的同時,更要提高質(zhì)量、環(huán)保意識。農(nóng)機導(dǎo)航控制技術(shù)是實現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)裝備的一項關(guān)鍵技術(shù),對提高我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化水平起到巨大推動作用。農(nóng)機的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,農(nóng)機導(dǎo)航系統(tǒng)可視為一個非線性、不確定系統(tǒng),而多模變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性控制方法,與智能控制相結(jié)合,能夠更好地解決復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制問題,開展典型農(nóng)機多模變結(jié)構(gòu)智能控制方法的研究具有重要的理論與學術(shù)研究價值.本章闡述了農(nóng)業(yè)機械自動導(dǎo)航控制技術(shù)研究目的及意義,以及開展多模變結(jié)構(gòu)智能控制理論研究,并將其引入到農(nóng)業(yè)機械自動導(dǎo)航技術(shù)研究中的理論意義與學術(shù)價值;在查閱大量國內(nèi)外文獻基礎(chǔ)上,分別對國內(nèi)外在拖拉機、水稻插秧機、開溝鋪管機這三種典型農(nóng)機所開展的自動導(dǎo)航技術(shù)與方法研究現(xiàn)狀進行了介紹;針對農(nóng)機本身及作業(yè)環(huán)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(nèi)容及所采取的技術(shù)路線。
第二章農(nóng)機導(dǎo)航基礎(chǔ)理論
2.1引言
智能農(nóng)業(yè)機械是開展精準農(nóng)業(yè)研究和實踐的重要裝備,自動導(dǎo)航是其關(guān)鍵技術(shù)之一,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械具備沿作業(yè)路線自動行走的功能,對提高農(nóng)業(yè)機械作業(yè)效率和質(zhì)量、減輕駕駛員工作負擔、保護人身安全、解決熟練駕駛?cè)藛T日益短缺等問題具有重要作用。為了更好地開展農(nóng)機導(dǎo)航控制技術(shù)的研究,圍繞典型農(nóng)機導(dǎo)航平臺的特點,本章重點主要從農(nóng)機運動學模型、GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理、國際農(nóng)機CAN總線通訊協(xié)議等方面開展基礎(chǔ)理論研究。
2.2農(nóng)機運動學模型
農(nóng)機運動學模型是導(dǎo)航控制規(guī)則設(shè)計的基礎(chǔ),一個詳細描述農(nóng)機行為的模型,其復(fù)雜性必然會給控制規(guī)則的設(shè)計帶來困難,而一個簡化了的模型,雖然便于控制規(guī)則的設(shè)計,但這樣的模型不能很好地描述農(nóng)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(guī)則之間尋求一個平衡。通常農(nóng)機運動學模型依據(jù)以下的假設(shè)條件推導(dǎo)得到:1.動態(tài)模型的控制變量為農(nóng)機車速和前輪轉(zhuǎn)角;2.農(nóng)機及農(nóng)機具都為剛性體;3.兩個前輪等同于兩輪之間的虛擬輪,農(nóng)機被簡化為一個二輪模型;4.假設(shè)農(nóng)機在平坦、水平的地面上移動;5.假設(shè)農(nóng)機移動為純滾動,無打滑現(xiàn)象發(fā)生。由于描述農(nóng)機所有特征(慣性,打滑,彈跳等),會導(dǎo)致一個非常大的模型,這樣一個動態(tài)模型一般不會被考慮的。此外,大部分的農(nóng)機參數(shù)值(質(zhì)量,車輪地面接觸狀態(tài),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(shè)1-5的運動學模型,忽略農(nóng)機動態(tài)特征,這在移動機器人領(lǐng)域是普遍采取的做法。由模型推導(dǎo)出的控制規(guī)則,在實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(shè)的合理性.
第三章農(nóng)機導(dǎo)航多模變結(jié)構(gòu)智能控制方法試驗驗證
3.1引言
基于多模變結(jié)構(gòu)智能控制理論與方法,并結(jié)合不同農(nóng)機導(dǎo)航的特點及問題,提出了模型參考自適應(yīng)導(dǎo)航控制方法、滑動自校正導(dǎo)航控制方法和多模態(tài)自調(diào)整模糊控制方法。為了對三種農(nóng)機導(dǎo)航智能控制方法進行實際應(yīng)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(chǔ)試驗平臺上分別采用模型參考自適應(yīng)導(dǎo)航控制方法、滑動自校正導(dǎo)航控制方法和多模態(tài)自調(diào)整模糊控制方法,實現(xiàn)了農(nóng)機導(dǎo)航控制系統(tǒng),并進行了實際田間作業(yè)試驗及結(jié)果分析。
3.2模型參考自適應(yīng)導(dǎo)航控制試驗
本節(jié)選取輪式拖拉機為農(nóng)機導(dǎo)航試驗平臺,引入多模變結(jié)構(gòu)智能控制策略,采用模型參考自適應(yīng)導(dǎo)航控制方法,實現(xiàn)拖拉機自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)。將模型控制與自適應(yīng)控制方法相結(jié)合,在拖拉機導(dǎo)航控制過程中,發(fā)揮模型控制方法在導(dǎo)航控制的獨特優(yōu)勢,同時通過自適應(yīng)調(diào)整單元降低導(dǎo)航過程中不確定干擾的不良影響,提高拖拉機導(dǎo)航控制精度。拖拉機模型參考自適應(yīng)導(dǎo)航控制原理如圖6-1所示。設(shè)定參數(shù)初始值為0.08,Kd=0.6
結(jié)論與展望
1結(jié)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(nóng)機運動特征,對農(nóng)機狀態(tài)變量和運動學模型的推導(dǎo)進行了系統(tǒng)研究,建立了農(nóng)機運動學模型,并在運動學模型基礎(chǔ)上,確定了基礎(chǔ)的導(dǎo)航控制規(guī)則,為典型農(nóng)機平臺智能控制技術(shù)的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。(2)自主研制了低成本、兼容北斗/GPS/GLONASS三系統(tǒng)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(yōu)于1cm,完成可以滿足農(nóng)機自動導(dǎo)航的需要,為自動導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的實際應(yīng)用提供了技術(shù)、設(shè)備保障;搭建了基于CAN總線的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),簡化了導(dǎo)航控制系統(tǒng)各模塊之間的數(shù)據(jù)連接,提高了系統(tǒng)可靠性。(3)基于多模變結(jié)構(gòu)智能控制原理及理論,針對農(nóng)機導(dǎo)航過程的復(fù)雜性,引入多模變結(jié)構(gòu)智能控制策略思想,將多種智能控制技術(shù)與方法相融合,充分利用各自的特點,進行了農(nóng)機導(dǎo)航控制方法的研究,試驗結(jié)果也驗證了控制方法的優(yōu)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(nóng)機導(dǎo)航產(chǎn)品還占據(jù)著我國主要的市場份額,面對我國巨大的農(nóng)機導(dǎo)航需求潛在市場,下一步將進一步推動研究成果的產(chǎn)品化進程,投入到實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,在應(yīng)用過程中不斷完善產(chǎn)品功能和可靠性,打破國外相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)與市場壟斷地位。
(2)拖拉機掛接機具在田間作業(yè)時,機具負載會隨著作業(yè)深淺、田間土質(zhì)軟硬等情況時刻發(fā)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(fù)雜,給導(dǎo)航控制帶來一定的難度, 如何進一步降低田間作業(yè)負載等隨機干擾的影響,提高導(dǎo)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(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,田間可能存在障礙物,斜坡的田地上作業(yè),曲線模式作業(yè),復(fù)雜地頭條件掉頭等情況,要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械田間作業(yè)完全無人駕駛還有一段距離。考慮將農(nóng)田遙感信息與三維地形重構(gòu)技術(shù)相結(jié)合,生成農(nóng)田環(huán)境數(shù)字三維地圖,將事先完成的數(shù)字三維地圖輸入到導(dǎo)航控制系統(tǒng)中,將有助于農(nóng)業(yè)機械無人駕駛技術(shù)的發(fā)展。
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