GPS组合模糊控制的农田机器人导航系统设计

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1、2015年9月农机化研究第9期GPS组合模糊控制的农田机器人导航系统设计丁巍，戈振扬，卢衷正(昆明理工大学现代农业工程学院，昆明650500)摘要:设计了一种GPS组合模糊控制的农田机器人导航系统，采用GPS对田间Ι坐标定位;模糊控制对田间Ⅱ坐标定位。根据GPS信号接收机能够确定农田机器人所在田间行;根据导航角、导航距建立模糊控制规则及数据库，确定农田机器人在行间的行走路线。通过MatlabSimulink软件对输入、输出信号及误差反馈量E模拟仿真显示:GPS组合模糊控制对农田机器人导航易于实现、系统响应快、鲁棒性好。关键词:GPS;模糊控制;农田

2、机器人;导航系统中图分类号:S127文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)09－0109－04DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.09.0240引言为了降低机械除草及农药除草等方法对农产品及施药人员危害。近年来，农田机器人尤其是除草机器［1］人得到了广泛关注。当前，农业机器人导航中更多的采用机器视觉或组合方式导航，但这些导航方法均存在弊端，视觉导航系统反应速度较慢，运行时需要进行复杂的算法调节，造成系统响应较慢，实现比较繁琐。而组合导航中又存在高度阻尼等问题，达不到预期导航精度等。图1GPS定位原理本文设计了

3、一种GPS组合模糊控制的农田机器Fig．1GPSpositioningprinciple人导航系统，GPS对田间Ι坐标定位;模糊控制对田间在使用过程中，用户接收机时钟和卫星时钟之间Ⅱ坐标定位，具有系统响应快、易于实现、鲁棒性好等会存在钟差，所以必须接收到4颗(或4颗以上)卫星特点。才能确定接收机天线位置，利用方程(1)求出钟差和P点三维坐标，确定某点具体位置。则有1GPS定位坐标ΙPj=GPS定位系统由3部分组成，即空间部分－GPS[(X－X)2+(Y－Y)2+(Z－Z)2]1/2+c·tjnjnjn卫星星座、地面监控系统－地面监控系统和用户设备其

4、中，(Xj，Yj，Zj)表示卫星瞬时地心坐标;(Xn，［2］部分－GPS信号接收机。空间部分有21+3颗卫星Yn，Zn)表示接收机的地心坐标;t表示接收机钟差;Pj分布在6个倾角为55°轨道面上，每个轨道面有4颗表示伪距测量值(j=1，2，3，4);c表示光速。卫星(GPS导航定位时，必须同时监测4颗卫星);地利用GPS能确定农田机器人田间所在行，如图2面监测系统则包括:1个主控站、3个注入站、5个监测所示。图2为一块形状规则正方形田地，X轴表示田站;利用户设备部分－GPS信号接收能计算出被测体间横向，Y轴表示田间纵向。以横向方向将田间分为的三维位

5、置、速度等，如图1所示。6个田间行(以田间第2行杂草为例)。农田机器人起始位置位于坐标(1，1)处，定位时以GPS进行定位收稿日期:2014－09－25(定位时以X轴为基准)，GPS能够对杂草位置进行初基金项目:国家自然科学基金项目(60971115)作者简介:丁巍(1988－)，男，江苏泰州人，硕士研究生，(E－mail)步计算，确定出杂草所在准确田间行，机器人以X轴254391882@qq．com。为运动起点，运动至X轴坐标2～3之间，完成对坐标通讯作者:戈振扬(1959－)，男，昆明人，教授，博士，(E－mail)ge．27@kmust．ed

6、u．cn。Ι定位。·109·2015年9月农机化研究第9期设计中，以导航角θr(t)和导航距λ(t)作为其参数。在误差较大时，主要考虑调整的速度，采用三角形隶属函数，保证机器人避障要求;在误差允许范围［5］内，主要考虑平稳性，采用曲线型隶属函数。建立控制规则时，同时使用导航角建立，当导航角在以田间中点逆时针旋转至5°时，标记为LS(左小);导航角旋转角度在5°～14°时，标记为LM(左中)，导航角旋转角度在14°～23°时，标记为LB(左大)，如图4所示。为控制农业除草精度可以对导航角和导航距进行细分，其划分越细精度越高。图2GPS定位坐标ΙFig

7、．2GPScoordinatesI2模糊控制器定位坐标Ⅱ模糊控制是应用模糊集合理论进行控制的方法，能将复杂问题简单化，并通过人的经验、决策等进行模糊逻辑推理，可用模糊性语言对整个时变的控制过［3］程进行描述。由于农田机器人在进行Ⅱ坐标导航时误差和不确定因素较多，采用模糊控制导航其准确性、动态性更好。模糊控制器主要由5部分组成，即输入量模糊化、［4］数据库、规则库、模糊推理机和输出量解模糊。数据库和规则库共同组成了知识库，如图3所示。图4控制规则库示意图Fig．4Schematicdiagramofcontrolrulebase模糊控制定位坐标Ⅱ建立

8、控制规则时采用Ｒi:ifQ1isAiandQ2isBi，thenuisCi等形式。其中，Ｒi表示第i条控制规则。控制规则为