拖拉机自动导航精准作业技术.docx

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1、拖拉机自动导航精准作业技术国外先进农业机械装备技术已开始融合现代微电子技术、 仪器与控制技术、信息技术，加速向智能化、机电一体化方向快 速开展，已拥有现代农业生产技术装备及配套生产管理技术，形成 了系列的智慧农业机械化作峥备和高效的生产监控管理体系。各 种电子监视、控制装置已应用于复杂农业机械匕光机电液一体化的 信息、控制技术在农业装备中的应用，有娓高了农业装备的作业性 能和操作性能。在基于GNSS精密定位的农田作业机械自动导航系统 研究方面，早在20世纪80年前，Willrodt就开始了对农用车辆的自动导航的研 究。最近20年来，随着计算机和传感器技术的迅猛开展，农业车 辆自动导航技术引起了

2、越来越多学者的兴趣。一般来说，车辆导航 系统至少由以下三局部组成：提供系统位置信号的传感器；产生系 统特定校正信号的控制器；改变系统位置、方位状态的激励器。根 据所采用定位传感器的不同，农用车辆导航方法可大致分为基于机 械触头导航、激光导航 GPS导航、机器视觉导航、地磁导航、惯性导航等。其中，以GPS、机器视觉在导航技术中应用最为广泛， 并且具有巨大潜力。GPS卫星定位系统是对机器本身的绝对定 位，适用面广，不限制用户数量，在自动导航中可以与地理信 息系统(GIS)的数字地图联合使用，来确定机器自身位置和方 向。有两种厘米级精度的GPS在农业车辆导航系统中被广泛 采 用104-106 o 一

3、种实 时动态 RTK DGPS ( Real Time Kinematics Differential GPS)能每隔0.2s刷新定位数据，精度达 到2cm o另一种基于载波相位的CPDGPS ( Carrier Phase Differential GPS)误差约为1cm。美国Stanford大学研究者率先 把用于航天器的CPDGPS引入农用车辆自动导航领域，并以此 建立了以John Deere 7800大型拖拉机为平台的导航控制系统。闭环直线跟踪的试验说明车速为3.25km/h时横向偏差的标准 差小于2.5cm。之后，许多研究者对基于GPS的农用车辆导航 控制进行过研究。研究的对象包括插秧

4、机、拖拉机、喷药机、农 用小货车、割草机等，研究的重点主要集中在导航控制方法的设 计，如PID (Proportion Integration Differentiation )控制、模糊控 制、最优控制、神经网络控制、复合控制等。另外，也有一些对 路径规划和避障技术进行过研究。如一些学者提出了一种动态路径 搜索算法用于农用智能拖拉机沿目标路径和地头掉头时的自 动导航。他们利用RTK GPS和陀螺仪来确定拖拉机的当前位 置，用拖拉机的动力学模型来预测其在下一个时间点的位置。动 态路径搜索算法的输出为拖拉机的横向偏差和所需的横摆角。根据 这些输出，智能控制器将会产生适当的转向角操纵峥机沿着参考路

5、 径行驶。为了保证导航的精度和鲁棒性，Noguchi和Reid应用多 传感器融合技术，开发了一套集RTKGPS、陀螺仪和机 器视觉于一体的拖拉机自动导航系统。德国 Hohenheim大学采用两个Trimble 7400型RTK GPS定位系统在 饲料收割机上实现了自动导航。德国Halle-Wittenberg大学也在 GPS导航和多传感器信息融合方面取得了研究成果。芬兰 Modulaire Ltd公司采用DGPS和陀螺仪控制静液压驱动的橡胶履带拖拉机，使它能够 按照任意预先给定的全局路径作业。荷兰农业与环境研究所 采用RTKGPS技术对农具的工作轨迹进行控制，减少了农具在 工作中的偏移口07-

6、1。9。国外对农用车辆自动导航技术的研究起步较早，已经取得 了一些成果，而且有一些技术已经转化为商品。农机自动导航设 备生产商以美国天宝（Trimble）公司和加拿大Hemisphere公司 的农机作业GPS导航自动驾驶系统。美国Trimble公司的 Autopilot自动驾驶系统由中文彩色显示器（内置一体化GPS 接收机）GPS卫星天线、方向传感器和液压控制组件等组成， 作业精度是土（50100mm）力口拿大Hemisphere公司的Outback S3自动驾驶系统由A220双频GPS接收器、Outback S3农用 导航仪和eDriveTC自动驾驶仪等组成，主要差分 模式为OmniSTAR

7、 HP/XP和SBAS/DGPS ,行间精度是 100mm o国内基于卫星导航技术的农机自动导航系统的开发研 究起步相对较晚，始于上世纪90年代，大多借鉴了美国和日本 的先进经验。浙江大学对基于GPS和传感器技术的农用车辆 自动导航系统进行了研究，利用低本钱GPS和固态惯性传感 器技术为农用作业机械提供亚米级定位精度的定位信息，同时 建立了农用作业机械运动学和动力学模型以估计其运动轨迹和 操纵控制,这一农用作业机械模型在导航控制研究领土或具有一定的 通用性。为了提高导航定位精度和定位数据输出频率，开发了基 于PVA模型和多传感器信息融合技术的Kalman滤波器，仿真 结果显示，该Kalman滤

8、波器可以提供高达50Hz的定位数据输 出频率，定位误差在0.10.5m。华南农业大学将GPS技术、 计算机技术、传感器技术进行集成，研制了一种以蓄电池为电 源、电动机为动力的农用智能移动作业平台，以DGPS、电子罗 盘为主要导航传感器，在样机模型上建立了DGPS导航控制系 统，设计了基于预瞄跟随的导航控制算法，其核心是由航向偏差 线性决定驱动轮速度差，使用该导航控制系统，农用智能移动作 业平台样机模型可以实现预定义路线跟踪，直线跟踪精度在1米 以内，曲线跟踪误差较大，到达2米。中国农业大学研究了在 铁牛654拖拉机上搭建DGPS自动驾驶系统的硬件组成及关 键技术，重点设计了自动驾驶控制的软件系

9、统1。山5。国外农机自动导航技术的研究开发应用已被广泛重视，商品化产品已广泛应用。日本等国家根据资源短缺、涉农人员减少、老龄化等现实，提高管理水平和劳动生产率，实现省力化，研究 开发了多种基于GNSS技术的高性能农机自动导航系统。随着我 国现代农业的快速开展，新的农业生产模式和新技术的应用，对 农机自动导航技术在农业生产中的应用需求逐步显现。由于农业生 产的季节性、农产品的价格、农业作业的复杂性等特点对农机自 动导航系统的性价比、智能提出较高的要求，成为制约农机自动 导航技术研究应用的瓶颈问题。基于GNSS精密定位技术的农业机 械自动导航技术朝着高精度和无人驾驶方向开展，作业控制系 统研究开始应用网络化、光机电液一体化、智能化控制技术并 逐步成熟。因此，结合典型农田作业环节，将GNSS高精度导航 定位技术应用于农业智能装备领域，开展基于GNSS的农田作 业机械自动导航关键技术研究开发，将能有效的推动农业领域 技术进步和农业智能装备技术应用水平，缩短与兴旺国家在本领 域的差距，促进农田作业机械自动导航技术实用化J 6119。