農(nóng)業(yè)車(chē)輛自主跟隨控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、以農(nóng)業(yè)機(jī)械為載體，以農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新為突破，發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化、信息化和智能化能夠有效地提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，是滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的迫切需求和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化高水平快速發(fā)展的有效途徑。本文以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛自主跟隨為目的，結(jié)合自主改裝的兩輛小型電動(dòng)車(chē)，搭建了自主跟隨車(chē)輛試驗(yàn)平臺(tái)，深入研究了速度控制系統(tǒng)、航向跟隨控制系統(tǒng)、跟隨間距控制系統(tǒng)以及引導(dǎo)車(chē)與跟隨車(chē)協(xié)同控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。主要研究工作包括:
　　1、搭建了自主跟隨車(chē)輛試驗(yàn)平臺(tái)

2、。試驗(yàn)平臺(tái)包括引導(dǎo)車(chē)與跟隨車(chē)控制系統(tǒng)的主控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)與無(wú)線通信系統(tǒng)。引導(dǎo)車(chē)與跟隨車(chē)控制系統(tǒng)的主控制器選用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F28335。兩車(chē)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括調(diào)速機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與制動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制差速電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)車(chē)輛調(diào)速，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，通過(guò)控制電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。兩車(chē)檢測(cè)機(jī)構(gòu)中，增量式旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器和絕對(duì)式拉線位移傳感器分別用于檢測(cè)車(chē)輛的行駛速度、前輪偏轉(zhuǎn)角和電動(dòng)推桿行程;反射型紅外傳感器和超聲波

3、測(cè)距傳感器分別用于檢測(cè)跟隨車(chē)相對(duì)于引導(dǎo)車(chē)的航向偏轉(zhuǎn)角與跟隨間距。兩車(chē)無(wú)線通信系統(tǒng)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊UTC-1212組建，實(shí)現(xiàn)兩車(chē)之間狀態(tài)信息的通訊。并配備了RTK-DGPS系統(tǒng)記錄車(chē)輛的行駛軌跡，驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行效果。
　　2、完成了兩車(chē)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出差速電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了基于PI的速度閉環(huán)控制器，并對(duì)控制器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和參數(shù)整定，結(jié)合制動(dòng)機(jī)構(gòu)協(xié)助調(diào)速，完成

4、了速度控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)和實(shí)際性能測(cè)試。
　　3、完成了跟隨車(chē)輛航向控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。提出了一種基于反射型紅外傳感器檢測(cè)跟隨車(chē)相對(duì)于引導(dǎo)車(chē)的航向偏角的方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)其檢測(cè)原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過(guò)對(duì)跟隨車(chē)輛運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，推導(dǎo)出前輪偏轉(zhuǎn)角與航向偏轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)關(guān)系，設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模型，并在Matlab-Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真研究，完成了基于PD的航向跟隨控制器的設(shè)計(jì)和參數(shù)整定，并完成了實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的

5、性能測(cè)試。
　　4、完成了跟隨間距控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。提出了一種基于超聲波測(cè)距的車(chē)輛間距控制方法，設(shè)計(jì)了基于PD的跟隨間距控制器，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為速度控制環(huán)，外環(huán)為跟隨間距控制環(huán)。對(duì)控制器進(jìn)行仿真驗(yàn)證和參數(shù)整定，并完成了實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的性能測(cè)試。
　　5、設(shè)計(jì)了引導(dǎo)車(chē)與跟隨車(chē)協(xié)同控制算法。針對(duì)組建的兩車(chē)無(wú)線通信系統(tǒng)，結(jié)合自定義的協(xié)同控制命令語(yǔ)句格式與內(nèi)容，設(shè)計(jì)了兩車(chē)協(xié)同控制算法。利用Matlab軟件開(kāi)發(fā)了車(chē)輛

6、行駛狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了自主跟隨中兩車(chē)行駛狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。
　　在軟硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了系列性能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下:
　　1、速度控制性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:設(shè)定行駛速度為1.11m/s(4Km/h)，平整水泥路面下的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.87s，穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.07m/s，與目標(biāo)值之間的相對(duì)誤差為3.6％，穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.04m/s;變路況下的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.85s，穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.06m/s，

7、與目標(biāo)值之間的相對(duì)誤差為4.5％，穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.05m/s;草泥路面下的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.97s，穩(wěn)態(tài)速度平均值為1.04m/s，與目標(biāo)值之間的相對(duì)誤差為6.3％，穩(wěn)態(tài)速度均方差為0.09m/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:控制系統(tǒng)在實(shí)際路況下運(yùn)行時(shí)具有較快的響應(yīng)速度，較高的準(zhǔn)確性和良好的穩(wěn)定性。
　　2、航向跟隨控制性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果:設(shè)定目標(biāo)航向偏轉(zhuǎn)角分別為±5°、±10°、±15°和±20°時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間最大為3.3s，其中±5°和±10

8、°的控制響應(yīng)無(wú)超調(diào)，±15°的控制響應(yīng)超調(diào)量為3.3％，±20°的控制響應(yīng)超調(diào)量為5％。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:航向跟隨實(shí)際控制效果與仿真結(jié)果基本一致，具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。
　　3、自主跟隨控制整體性能試驗(yàn)。水泥路況下，設(shè)定跟隨間距為1.5m，分別開(kāi)展了跟隨速度為2Km/h和5Km/h的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果:兩車(chē)行駛路徑的最大橫向偏差為8.1cm，平均橫向偏差的最大值為2.8cm，方差的最大值為4.5cm2;跟隨間距的最大偏差為7cm，平均