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麵向農業應用的家機導航關鍵技術研究

2019-05-22 11:40:18

進入21世紀以來,隨著農業生產模式從傳統的粗放作業模式向先進的作業模式轉變,農業技術在歐美發達國家已經得到了廣泛的推廣應用,農作物生產的成本降低了20%以上,經濟效益顯著。農機導航技術是實現農業作業的核心技術之一,貫穿於種植、噴灑、收獲的全過程,是農業技術的一種基本應用。農機導航技術通過位姿傳感裝置,獲取農機的當前位置和姿態信息,將其與目標路徑對比,根據結果控製農機的行進方向,使其沿目標路徑行駛。由於能夠自動控製農機的行駛方向,所以駕駛員可以將注意力集中在作業機具的操作上,顯著降低了作業強度、提高了生產效率和農機利用率。

農機導航控製研究中需要解決的共性問題包括:

(1)設計開發一個通用的農機導航控製平台及相關裝置,可以方便地應用在各種農機上;

(2)轉向控製方法的研究;

(3)農機模型及導航控製方法的研究;

(4)在不同的農機上從硬件、軟件、網絡角度.

如何快速集成安裝導航控製係統。本文對上述四個問題進行了深入研究,設計了通用導航控製平台,提出了相關模型和控製算法,在聯合收割機和拖拉機上成功地進行了平台的集成應用,並完成了路麵和田間自動導航控製實驗。

農機導航

具體的研究內容包括:

首先,設計了分布式導航控製平台。根據農機導航控製係統的功能需求,設計了基於CAN總線的導航控製平台總體結構,劃分了各裝置的功能,給出了整個導航控製平台的工作原理。對係統中的各主要裝置:田間計算機、導航控製器、機械式轉向執行機構、電液式轉向執行機構、連杆式轉向角測量機構、直線位移式轉向角測量機構和多功能通用智能節點等進行了詳細的功能及軟硬件設計。針對農機自動導航控製中對通信功能的需求,在農林機械串行通信控製網絡協議ISO 11783的基礎上,自行設計了導航通信協議。

其次,進行了轉向執行機構的建模與控製方法研究,提出了基於預測控製和PD控製的串級轉向控製方法。以安裝有機械式轉向執行機構的農機為研究對象,對轉向執行機構采用機理建模的方法,對農機轉向係統采用辨識建模的方法,建立了自動轉向控製係統模型。研究設計了串級轉向控製方法,內環角速度控製器采用動態矩陣控製方法,外環角度控製器采用PD控製方法。在CarSim與Simulink聯合仿真環境中,將提出的轉向控製方法進行了仿真驗證,並在洋馬VP6插秧機上進行了實車實驗,驗證了所提轉向控製方法具有跟蹤速度快、精度高的優點。

第三,提出了農機運動狀態預測模型。在農機二輪車運動學模型基礎上,根據幾何關係,推導提出了農機運動狀態預測模型,並將該模型應用在PID控製方法中進行了直線路徑追蹤仿真。與傳統PID控製方法比較,引入該模型後,能夠在不明顯降低追蹤速度的前提下,大幅減小超調,且穩態追蹤誤差更小。

第四,提出了基於模糊自適應比例控製的農機導航控製方法。由於傳統比例控製方法中采用恒定的比例係數,則當偏差較大時,追蹤速度會比較慢,當偏差較小時依然會進行較為頻繁的調節。所以本文提出了基於模糊自適應比例控製的導航控製方法,根據橫向偏差和航向偏差的值,采用模糊推理在線調節比例係數,在提高路徑追蹤速度的同時也降低了追蹤誤差。第五,製定了農機導航控製係統集成規範。針對目前國內研究開發的農機導航控製係統結構多樣、接口封閉、難以與農機其它車載電子係統互聯等缺點,研究提出了農機導航控製係統的集成規範。從硬件係統集成、軟件係統集成和網絡集成三個方麵,對農機導航控製係統的集成技術進行了研究,製定了相關接口規範。

之後,上述研究內容的成果,構成了一套通用的農機導航控製平台和控製方法,並成功地應用在聯合收割機和拖拉機上。其中,在雷沃穀神聯合收割機上采用機械式轉向執行機構進行轉向控製,在雷沃歐豹TA800拖拉機上采用電液式轉向執行機構進行轉向控製,並且都成功地完成了路徑追蹤實驗,追蹤精度能夠滿足農業作業對自動導航控製精度的要求。

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