履带式农机自动导航控制系统研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 孟鹏 |
| 答辩日期 | 2021-05-21 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 白晓平 |
| 关键词 | 履带式农业机械 车体模型 状态反馈控制器 模糊控制器 |
| 学位名称 | 专业学位硕士 |
| 学位专业 | 机械工程 |
| 其他题名 | Research on Automatic Navigation Control System of Crawler Agricultural Machinery |
| 英文摘要 | 随着现代科学技术的不断进步、产品的信息化和智能化的不断发展，提高农业机械的智能化水平更加符合当下时代的发展趋势。同时，也更加符合“精准农业”和“智慧农业”等概念的提出。农业机械的自动导航控制系统的研究是实现农业机械智能化至关重要的一个环节。传统的农业机械作业方式主要依靠人工驾驶，效率低，作业性能低，且驾驶员容易疲劳无法实现连续作业，劳动强度大。采用自动导航控制系统可以实现农业机械的无人驾驶和田间作业。同时，还可以提高农业机械的作业效率，提高农业机械的性能，有效实现连续作业，降低劳动强度。要提高导航系统对农机的控制效果，需要重点解决车辆的建模精度和控制的设计精度。目前在农业机械自动导航控制系统方面存在较多的有关轮式车辆的研究方法和内容，针对自动导航控制系统在履带式农业机械（转向执行结构是方向盘）上使用的研究相对较少和分散。履带式农业机械的自动导航控制系统主要有两大部分组成，分别是车体建模和控制器设计。传统的车体建模方式有：基于虚拟导向轮的运动学建模、基于微变形或不变形路面的动力学建模。这两种设计方法是当前存在相对较多的研究方法。但是，对于履带式农业机械来说存在三个主要的问题，第一个问题是研究对象是履带式农机而非轮式农机；第二个问题是转向执行系统是液压转向；第三个问题是车辆底盘采用差速滑移转向，对于变形较大的路面作用力复杂多变。针对上述第一个问题，本文分析并建立了履带式农业机械的位姿变化模型。关于第二个问题，本文建立了转向执行系统与车体之间的关系。对于最后一个问题，本文在前两个问题的基础之上建立了优化后的履带式运动学模型。同时，本文在控制器的设计方面也提出了相应的创新和设计方法。本文研究内容主要包括以下几个方面：（1）针对履带式农业机械的运动特点，对其进行了位姿变化分析，并进行位姿变化建模。包括车辆运动状态的分析和位姿变化的分析两部分的内容。对于履带式农业机械来说，车辆存在五种运动状态，分别是前进状态、左转向状态、右转向状态、原地左转向状态、原地右转向状态。依次对车辆的各个状态进行分析。（2）针对液压差速驱动的问题提出了转向执行系统与车体建模的解决方法。即建立转向执行结构和车辆底盘之间的模型。通过对引用实验数据的分析采用近似化的方法获得两者之间的函数模型。该模型是将车辆的转向执行结构和车辆状态空间变化相联系起来的一个至关重要的环节。通过该模型可以直接得到履带式农业机械最后的方向盘转向角输出。通过对控制转向轮盘而实现对车辆转向执行结构（方向盘）的控制。（3）优化运动学模型。采用运动学建模的原因是因为研究对象是农业机械，作业环境多变复杂。履带与地面之间的作用力随着地形的变化而变化，不易建立其动力学模型。针对采用虚拟导向轮建模的方法进行优化，对车辆的运动状态变化进行分析，获得履带式农业机械空间状态变化量与车辆位姿变化时各项参数（如：横向误差、横向误差变化率、航向偏差角等）之间的关系，即车体模型。（4）履带式农业机械自动导航控制系统的主体部分设计，即控制器的设计。该部分采用的是组合控制器的设计模式，即设计两个控制器。其中一个作为主控制器，即状态反馈控制其作为主控制器；另外一个作为辅控制器，即模糊控制器作为辅控制器。主控制器的作用是在履带式农业机械的横向误差较大时通过转向轮盘控制车辆进行位姿的调整。设计辅控制器是用来解决小横向误差减小的问题提出的。在履带式农业机械自动导航控制系统中，不断优化主控制器可以获得不断优化的主控制器。但是，由于系统内存在因为农业机械作业环境带来的复杂多变性和传感器的检测误差，设计单一的控制器并不能很好的解决这些问题。而设计一个辅控制器用来对这些误差进行补偿，表现在导航控制系统中就是对车辆的横向误差进行补偿。（5）转向轮盘在自动导航控制系统中是转向控制上层执行器的一个重要环节。因此，将原有设计方案进行升级。主要包括两方面的升级，内部升级和外部升级。对于内部方面，主要对传动齿轮与壳体之间的接触方式和齿轮的结构进行了升级。同时，对传动比也进行了相应的修改。对于外部方面，将原来的大圆盘模型修改为空间利用率更高的优化模型。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 68页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/28964]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_数字工厂研究室 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孟鹏. 履带式农机自动导航控制系统研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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