自主導航的農(nóng)用輪式移動平臺設計與路徑跟蹤控制.pdf

1、當前，各國正在積極地把電子技術、信息技術以及自動化技術引入到農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)與研究中，使得農(nóng)業(yè)機械具備更精確的作業(yè)能力，以降低勞動強度、減輕農(nóng)業(yè)化學品引起的環(huán)境污染、減少農(nóng)業(yè)投入成本。同時，以糧食為主的農(nóng)產(chǎn)品需求量的不斷加大，要求種植面積和產(chǎn)量逐年提高，而農(nóng)村勞動力成本也在不斷提高，特別是我國農(nóng)村剩余勞動力逐漸減少，因此，需要通過提高作業(yè)的效率和自動化程度來解決這一矛盾.在上述背景下，以國家“863計劃”立項項目--移動式水果采摘機器人

2、關鍵技術的研究為依托，致力于開發(fā)一種適合農(nóng)業(yè)環(huán)境下的低成本自主導航輪式移動平臺，主要進行了移動平臺機械子系統(tǒng)的設計、組合導航系統(tǒng)的設計和對路徑跟蹤控制等進行了系統(tǒng)地研究.以下是完成的主要研究工作： 1.將機械、電子信息技術結(jié)合在一起完成移動平臺的搭建.農(nóng)業(yè)環(huán)境移動平臺的搭建關鍵在于機械子系統(tǒng)與導航控制系統(tǒng)的設計.移動平臺機械子系統(tǒng)的設計目標是：移動平臺能完成沿作物行行走實驗的需要，保證控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)，以降低后續(xù)控制系

3、統(tǒng)的開發(fā)難度，提高導航和控制變量輸入的精度。機械子系統(tǒng)的設計內(nèi)容包括：輪系及輪子類型的確定、驅(qū)動及轉(zhuǎn)向方式的確定、轉(zhuǎn)向電機及驅(qū)動電機類型的選定.農(nóng)業(yè)機器人的機械系統(tǒng)應結(jié)構緊湊、同時與之配套的驅(qū)動機構應具備良好的穩(wěn)定性和較強的爬坡和越障能力。移動平臺導航方式主要是通過GPS/視覺融合進行導航定位，采用四輪同時轉(zhuǎn)向，多電機參與控制。各子系統(tǒng)之間的通訊主要由CAN總線來完成，農(nóng)田導航實驗表明，該平臺能初步完成沿作物行行走的自主導航實驗.

4、 2.根據(jù)移動平臺的結(jié)構特點設計了路徑跟蹤滑模變結(jié)構控制器。在移動平臺沿作物行行走的路徑跟蹤控制器的設計方面，考慮到移動平臺的速度不是太快，建立了移動平臺行走時的運動學模型，并對模型做一定的簡化后設計路徑跟蹤滑模變結(jié)構控制器.控制器的設計主要針對模型簡化過程中所帶來的模型不精確，模型中的參數(shù)攝動等一系列問題。特別是在農(nóng)用輪式移動平臺導航控制中由于控制信號從控制器輸出到輪胎實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的過程中，有一個時間延遲，該延遲的長短由轉(zhuǎn)向角度的大小和

5、移動平臺的結(jié)構而定。通常，為了建立模型方便是將其簡化為一個時間常數(shù)，但在轉(zhuǎn)向角速度較小和轉(zhuǎn)向結(jié)構較復雜時該參數(shù)會有較大的變化.當平臺運行狀態(tài)處于所設計的滑動模態(tài)時性能受該參數(shù)的影響較小，因而提高了路徑跟蹤控制的魯棒性。 3.綜合移動平臺路徑跟蹤的特點設計了智能控制器。智能控制器的使用，降低移動平臺在導航過程中對模型的依賴，傳統(tǒng)的智能控制多依賴于人的經(jīng)驗，所設計的控制規(guī)則不一定適應系統(tǒng)要求。因此，在研究中采用遺傳算法對模糊控制的控

6、制規(guī)則進行了修正。為使移動平臺能連續(xù)完成導航控制等復雜的作業(yè)任務，在不同的階段采用了不同的控制決策(速度波動不大時采用滑模控制，其他則借鑒人的經(jīng)驗采用智能控制)，設計間接型專家控制器完成各種控制決策之間的協(xié)調(diào)。實驗表明各種決策之間的切換平穩(wěn)，平臺能作業(yè)要求. 4.將灰色預測理論運用到視覺導航中錯誤信號的診斷，實時監(jiān)測移動平臺的位姿.與一般自主導航的移動平臺相比較，農(nóng)用移動平臺工作在野外，路面情況復雜，存在著大量的干擾因素，比如：

7、強光反射、陰影、雜物等。機器視覺導航所需的數(shù)字圖像質(zhì)量存在不同程度的下降，甚至有時不能及時準確得到導航控制所需要的位姿信息，當導航過程在某些時刻不能準確獲得位姿信號時，采用灰色GM(1，1)模型對當前的位姿進行估計，將估計值與視覺傳感器的信號相比較，一方面可以監(jiān)測視覺傳感器受到干擾后的錯誤數(shù)據(jù)，同時還可以將估計值提供給導航控制器.與一般的故障診斷相比較，灰色動態(tài)預測所要求的信息量小，且不需要系統(tǒng)的模型支持，可以很好地解決移動平臺導航過程