试析基于gps和传感技术的农用车辆自动导航系统的研究

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1、浙江大学博士学位论文基于GPS和传感技术的农用车辆自动导航系统的研究姓名：冯雷申请学位级别：博士专业：农业机械化工程指导教师：何勇;张勤20041101摘要拖拉机的自动导航技术已经研究了几十年，它的优点包括提高生产效率，提商澡作精度，提高驾驶安全性等。车辆导航技术，根据定位传感器类型可以分为全球定位系统导航，机器视觉导航，无线电导航、超声波导航、激光导航和电缆导航等；根据定位技术原理可以分析绝对定位和相对定位技术。用航位推测技术(Deadreckoning)，车辆在田间位置是由在车辆运动方向上测试速度、加速度、倾角

2、、偏转等信息计算得到的。这种数据在短时间内非常精确并且抗干扰性强，但是由于传感器的震动、漂移和车辆在行驶中的侧滑等因素，使定位数据存在积累性的误差。随着时间延长，误差急剧增大。相比较而言，用全球定位系统(GPS)技术，每次测量都是独立进行的，没有积累的定位误差。但GPS信号容易受环境干扰，稳定性较差。同时，虽然精确的GPS接收器在位置测量上能够达到厘米级精度，但由于高精度的GPS接收器，价格昂贵，已成为将精确定位技术应用于农业生产领域的障碍。总体上，由于GPS能够提供低频率的绝对定位信息，而航位推测技术能够提供高频

3、率的相对定位信息，合成两种技术能够在田间车辆作业时纠正定位误差，提高定位准确度和抗干扰性。农业生产中．通常行间作物的行距较小，例如玉米作物只有76cm(30英寸)。对于在行间作物实施作业的农业车辆，尤其是附带牵引式农具的车辆，在弯曲的行间路径中作业，精确的侧向控制是必要的。在目前田间自动导航的研究表明，车辆已经可以通过视觉技术、激光技术、声纳技术等准确掌握前方道路信息。但即使掌握了前方道路信息，附带牵引式农具的车辆在转弯时，由于拖拉机和牵引式农具车轮运行的轨迹不一样，如何使用恰当的速度和转角，顺利通过并避免伤及农作

4、物，是值得研究的课题。现有的研究成果之一是基于地图的导航系统。它的原理是将整个地块的导航地图输入车辆的计算机中，由GPS严格按照车辆预定行驶路线控制车辆行进。其缺点是，车辆对所要进行作业的田地信息已经事先完全掌握并经过了分析处理。本课题的目标是在技术上将GPS技术、传感器技术和数学模型融合，研究基于模型的附带牵引式农具的车辆导航技术支持系统。目的是使车辆在未知的土地环境下行驶时，根据前方弯曲道路信息，通过建立自身的动力学数学模型计算拖拉机和牵引式农具车轮运行的轨迹，选择恰当的行驶速度和转角，使车轮轨迹在作物行距允许

5、的范围内，顺利通过并不伤及农作物，实现车辆精确导航。为达到上述目标，本课题分成两部分。由于大多数在用于田间车辆的低价格GPS只能达到米级精度，不能满足多数精细农业操作的定位精度要求。为解决这个问题，合成用航位推测法的相对定位技术和用GPS的绝对定位技术，为农业车辆提供修正的定位精度，已经成为行之有效的方法。本论文第一部分是研究合成GPS技术、传感器技术，开发了一种在低价格，低精度的GPS基础上融合传感器技术，实时定位纠偏，达到亚米级精度(sub—meter)的田间车辆定位系统。整套系统仪器部件价格约30，000元，

6、而达到相同精度的DGPS价格在300，000元以上。这项研究主要创新性点及关键问题如下：1．低成本惯性传感器合成技术开发。该项技术主要是开发基于陀螺仪和加速计数据的确定车辆空间姿态的相关算法。2．开发基于GPS和惯性传感器合成技术的车辆位置一速度一姿态模型算法。这种算法能够降低位置误差提高数据更新频率，合成包括GPS和传感器在内的多种信息。3．开发一种基于卡尔曼滤波器的误差补偿算法，降低测量信息噪音，减少多种信息数据合成的计算量，实现车辆位置实时测量。经过多次田间实验证明，惯性传感器技术和GPS技术的融合，使该系统

7、极大的提高了低价格、低精度的GPS定位准确度，达到亚米级可以满足大部分精细农业田间作业的要求。本课题的第二部分是融合GPS技术、传感器技术和数学模型，创新性地开发了基于拖拉机一农具系统的动力学的模型，用于辅助拖拉机一牵引农具田间导航控制作业。这个数学模型由轮式拖拉机子系统和牵引式轮式农具子系统的两部分组成。拖拉机的侧向控制需要得到轮胎侧滑角和侧向速度的数据，而这些数据很难直接测量。在公路车辆上，目前有研究通过测定车轮的侧偏刚度值得到车辆的转向信息，但通常将侧偏刚度视为常数值。车辆转弯时，侧偏刚度的变化对车轮运行轨迹

8、影响极大，并且它的实际变化是由于由土壤、轮胎、转角、转弯速度等因素决定，很难直接测景。在本研究中，国内首次设计了实时测定车辆转向角的方法，并通过车辆田间测试，将RTK—DPGS轨迹和系统模型模拟轨迹对比分析，创新性地找出特定环境下车轮的侧偏刚度的变化特性。然后用实验得到的车轮的侧偏刚度的变化特性数据，应用于车辆田间导航控制操作中。拖拉机导航系统的运动模型在M