拖拉机作业路径规划与辅助导航系统的研究

河南省及中原地区的农业机械化生产多以中小型农机装备为主,农田作业面积较小,因此广泛应用由中小型拖拉机和作业机具构成作业机组。在机组的作业过程中,拖拉机的行驶路径是否符合农机作业规范和要求直接影响到农业机械化生产整体的质量和效率。本文根据河南地区农业生产特点并以提高田间作业的信息化水平为切入点,围绕拖拉机的田间作业路径的规划方法和辅助导航驾驶技术两个关键问题展开研究试验,开发了“拖拉机作业路径规划与辅助导航系统”,并进行了田间的应用试验。本研究主要包括以下几个方面:(1)根据拖拉机的运动学模型将其抽象为刚体,确定了拖拉机的定位基准点和随体坐标系,从而得到其最小转弯半径与通过空间等的计算方法;建立大地固定坐标系表示拖拉机的位置和姿态信息,得到了使用姿态参数对位置参数进行补偿以及降低姿态传感器系统安装误差的计算方法;应用高斯投影原理及其正算公式获得拖拉机平面坐标,阐明了RTK和ARHS设备的通信协议内容和信息格式。(2)根据拖拉机典型转弯方式,建立了转弯路径的数学解析模型,从而得到转路径所必需的地头转弯区域宽度和时间成本等参数的计算方法;阐述了使用农田边界形状以及自定义等多种方式确定直线作业路径的方法和流程;提出使用全排列算法确定直线路径在路径规划方案中的先后顺序,通过数值计算试验总结和归纳出直线路径遍历顺序的规律。(3)设计开发了“拖拉机作业路径规划与辅助导航系统”应用软件,其功能涵盖了从采集农田地理信息数据到规划作业路径,再到拖拉机辅助导航驾驶等田间作业的主要环节;建立了RTK和ARHS与计算机系统之间的串口通信,根据通讯协议解析实现了两者之间的双向数据通信;设计开发了电子地图和辅助导航交互界面,为驾驶员提供作业机组的实时位置姿态和导航驾驶指示参考信息。(4)采用拖拉机作业路径规划与辅助导航系统软件在试验田进行了作业路径规划试验和小麦玉米的播种试验,路径规划试验数据表明软件系统所生成的路径规划方案中转弯路径消耗的时间较其他行走方式至少降低50%;小麦玉米的播种试验数据表明:在辅助导航和光靶导航时拖拉机行驶轨迹相对于直线路径的最大横向偏差要小于自动导航,而自动导航时的行驶轨迹相对于自身拟合直线的最大横向偏差远小于辅助导航和光靶导航。