自主导航的农用轮式移动平台设计与路径跟踪控制

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1、南京农业大学博士学位论文自主导航的农用轮式移动平台设计与路径跟踪控制姓名：王友权申请学位级别：博士专业：农业机械化工程指导教师：姬长英;周俊20081201摘要自主导航的农用轮式移动平台设计与路径跟踪控制捅要当前，各国正在积极地把电子技术、信息技术以及自动化技术引入到农业机器人的开发与研究中，使得农业机械具备更精确的作业能力，以降低劳动强度、减轻农业化学品引起的环境污染、减少农业投入成本．同时，以粮食为主的农产品需求量的不断加大，要求种植面积和产量逐年提高，而农村劳动力成本也在不断提高，特别是我国农村剩余劳动力逐渐减少，因此

2、，需要通过提高作业的效率和自动化程度来解决这一矛盾．在上述背景下，以国家“863计划”立项项目一一移动式水果采摘机器人关键技术的研究为依托，致力于开发一种适合农业环境下的低成本自主导航轮式移动平台，主要进行了移动平台机械子系统的设计、组合导航系统的设计和对路径跟踪控制等进行了系统地研究．以下是完成的主要研究工作：1．将机械、电子信息技术结合在一起完成移动平台的搭建．农业环境移动平台的搭建关键在于机械子系统与导航控制系统的设计．移动平台机械子系统的设计目标是：移动平台能完成沿作物行行走实验的需要，保证控制系统和机械系统相互协调

3、，以降低后续控制系统的开发难度，提高导航和控制变量输入的精度．机械子系统的设计内容包括：轮系及轮子类型的确定、驱动及转向方式的确定、转向电机及驱动电机类型的选定．农业机器人的机械系统应结构紧凑、同时与之配套的驱动机构应具备良好的稳定性和较强的爬坡和越障能力．移动平台导航方式主要是通过cPS／视觉融合进行导航定位，采用四轮同时转向，多电机参与控制。各子系统之间的通讯主要由CAN总线来完成．农田导航实验表明，该平台能初步完成沿作物行行走的自主导航实验．2．根据移动平台的结构特点设计了路径跟踪滑模变结构控制器．在移动平台沿作物行行

4、走的路径跟踪控制器的设计方面，考虑到移动平台的速度不是太快，建立了移动平台行走时的运动学模型，并对模型做一定的简化后设计路径跟踪滑模变结构控制器．控制器的设计主要针对模型简化过程中所带来的模型不精确，模型中的参数摄动等一系列问题．特别是在农用轮式移动平台导航控制中由于控制信号从控制器输出到轮胎实现转向的过程中，有一个时间延迟，该延迟的长短由转向角度的大小和移动平台的结构而定．通常，为了建立模型方便是将其简化为一个时间常数，但在转向角速度较小和转向结构较复杂时该参数会有较大的变化．当平台运行状态处于所设计的滑动模态时性能受该参

5、数的影响较小，因而提高了路径跟踪控制的鲁棒性．3．综合移动平台路径跟踪的特点设计了智能控制器．智能控制器的使用，降低移动平台在导航过程中对模型的依赖，传统的智能控制多依赖于人的经验，所设计的控自主导航的农用轮式移动平台设计与路径跟踪控制制规则不一定适应系统要求。因此，在研究中采用遗传算法对模糊控制的控制规则进行了修正。为使移动平台能连续完成导航控制等复杂的作业任务，在不同的阶段采用了不同的控制决策(速度波动不大时采用滑模控制，其他则借鉴人的经验采用智能控制)，设计间接型专家控制器完成各种控制决策之间的协调．实验表明各种决策之

6、间的切换平稳，平台能作业要求．4．将灰色预测理论运用到视觉导航中错误信号的诊断，实时监测移动平台的位姿．与一般自主导航的移动平台相比较，农用移动平台工作在野外，路面情况复杂，存在着大量的干扰因素，比如：强光反射、阴影、杂物等。机器视觉导航所需的数字图像质量存在不同程度的下降，甚至有时不能及时准确得到导航控制所需要的位姿信息．当导航过程在某些时刻不能准确获得位姿信号时，采用灰色GM(1，1)模型对当前的位姿进行估计，将估计值与视觉传感器的信号相比较，一方面可以监测视觉传感器受到干扰后的错误数据，同时还可以将估计值提供给导航控制

7、器．与一般的故障诊断相比较，灰色动态预测所要求的信息量小，且不需要系统的模型支持，可以很好地解决移动平台导航过程中随机性强和实时性要求高的问题，对提高移动平台导航控制的可靠性起到了一定的作用。关键词：农用轮式移动平台；路径跟踪；滑模变结构控制；专家控制；灰色预测诊断：AbstractDEIGNoFAUToUNoMoUSNAVIGTIONAGIUCULTUREMoBLEPLATFoRMANDPATHTRACⅪNGCoNTRoLLINGAtpresent，manycountriesandregionsareusingtechno

8、logysuch笛electronics，informationandautomationetc．todesigntheagriculturalrobot，inordertolowlaborstrength，avoidtheenvironmentalpollutioncausedbyagr