基于激光导航的果园拖拉机自动控制系统研究

果园以其复杂的环境特征,致使机械自动化作业困难重重。本研究为实现果园机械自动化作业,以改装的福田欧豹拖拉机为研究对象,采用激光扫描仪为导航设备,设计了针对不同果园环境下的车辆自动导航控制系统,实现了模拟果园环境下拖拉机的直线和曲线自动行走功能,为果园机械自动化移动平台的建立准备了条件。 主要研究的内容如下: (1)将激光测距技术应用于果树信息的采集,提出了一种新的果树定位信息提取方法,使果树定位更加精确。 (2)针对果园果树难以定位的问题,建立了以拖拉机为主体的车辆动坐标系,完成激光扫描果树信息从极坐标形式到直角坐标形式的转换,将果园中模糊的果树位置信息,通过车辆动作标系实现定位,为障碍物、路径的识别及导航路径的拟合提供数据支持。 (3)将实际驾驶经验与车辆运动学模型相结合,建立了预见控制的车辆运动学模型。 (4)基于PID控制理论设计了车辆直线行走导航控制器。通过对车辆果园直线实际行走路况的分析,采用最小二乘法拟合直线行走导航路径,以车辆的横向偏差和航向偏差为输入量设计基于PID控制理论的拖拉机果园自动直线行走比例控制器。 (5)基于模糊控制理论设计了车辆曲线行走导航控制器。曲线行走时,根据车辆果园曲线路径行走的实际特点,采用二次曲线法拟合车辆曲线行走导航路径;在车辆控制方案的设计中,提出“以直代曲”实现果园曲线路径导航的思想;在曲线行走导航控制器的设计中,采用车辆前后轴中心点到路径的横向偏差作为控制系统的输入量,设计基于模糊控制理论的拖拉机果园曲线自动行走模糊控制器。 (6)以VC++为开发平台,完成导航控制系统的总体设计。试验结果表明,在直线行走试验中,车辆以0.27/s的速度直线行驶50m,最大横向偏差0.15m;连续直角弯道试验中,车速0.54/s,最大横向偏差0.17m;正弦曲线行走试验中,车速0.27/s,最大横向偏差0.37m。