设施农业用轮式AGV系统集成设计与避障导航技术研究

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1、ZSTUZhejiangSci-TechUniversity博士学位论文DoctoralDissertation中文论文题目:设施农业用轮式AGV系统集成设计与避障导航技术研究英文论文题目:ResearchonIntegratedDesignandObstacleAvoidanceNavigationTechnologyofWheeledAGVSystemUsedinProtectedAgriculture学科专业：机械设计及理论作者姓名：谢永良指导教师：胡旭东教授、李仁旺教授完成日期：2018年4月18日浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈

2、交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名‥签字日期。妒'&年6月夕日Ⅱ学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩

3、印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名‥所扳签字日期,矽付年‘月/日导师签名:土脾签字日期‥〆〃年/月/日ⅡⅠ浙江理工大学博士学位论文设施农业用轮式AGV系统集成设计与避障导航技术研究摘要设施农业生产用工多，劳动强度大，作业环境高温高湿，研发自主作业的移动式农业机器人来弥补劳动力短缺并降低用工成本，具有较大的市场需求和应用前景。设施农业用轮式AGV可作为果实采摘、搬运、施药、信息探测的移动式搭载平台，是精准农业的一项核心关键技术，为节工降本提供了一种有效的解决方案。面向设施农业的果蔬对靶喷药、精

4、准采摘和搬运应用需求，研发实用的轮式AGV作为移动载体，并实现防碰避障导航行驶，是设施果蔬生产装备的发展趋势，对设施果蔬生产有着重要的科学研究意义与应用价值。本文在总结国内外农用AGV行驶系统和导航技术研究现状的基础上，以果蔬采摘机器人项目为依托，集成设计了一套设施农业用轮式AGV行驶系统，主要研究内容如下：1、面向温室道路和草地路面行驶应用需求，为了消除前轮导向AGV存在车轮侧滑问题，基于Ackermann转向原理设计了一种变长连杆的双曲柄转向系统，基于ADAMS仿真验证了该转向机构设计的正确性，应用ANSYS分析了转向竖轴连接结构体的承载能力。

5、集成设计了前轮导向后轮差速驱动的轮式AGV系统，包括AGV整车机械结构、传感检测模块、控制模块与通信模块。2、通过推导AGV转向动力学模型，建立了考虑转向阻力矩的左、右前轮转向角闭环控制模型，提出了左、右前轮转向角PID同步控制算法，利用MATLAB仿真转向控制模型的动态响应，获得了相关控制参数。3、以松下PLC为核心，构建了由左前轮转向交流伺服电机、推杆伺服电机、驱动器和编码器组成的AGV转向测控系统，设计了前轮转向系统同步闭环控制流程，基于PLC开发了AGV转向与行驶控制程序，实现AGV纯滚动转向行驶。4、开展了AGV草地路面原地转向及硬质路面

6、S型轨迹转向行驶试验，结果表明：前轮导向AGV转向系统的左、右前轮期望转角与实际转角误差小于0.1°，AGV转向系统近似满足车轮纯滚动无侧滑运动条件，验证了轮式AGV纯滚动转向系统设计和转向控制的正确性与有效性，可有效消除前轮导向AGV的车轮侧滑，为轮式AGV在设施环境应用和轮式拖拉机等前轮导向车辆的转向系统设计提供参考。IV浙江理工大学博士学位论文设施农业用轮式AGV系统集成设计与避障导航技术研究5、针对轮式AGV沿直线垄道循迹受到障碍物威胁的问题，按全局预设路径跟踪和局域轨迹防碰避障2种行驶模式，以AGV横向位置偏差和航向偏角作为模糊控制器输入

7、，获得AGV前轮期望导向角，实现AGV沿预设直线垄道行驶的无障碍导航。基于滚动优化原理提出了调节航向偏角∆θ和调节车速∆v的避障导航策略，设计了AGV绕行静态障碍物、减速或停车避让动态障碍物的导航算法。基于LabVIEW平台开发了AGV避障导航的测控程序，实时获取超声波传感器、航姿传感器和编码器数据进行导航模型解算，实现AGV避障导航行驶。6、开展了AGV沿直线垄道行驶的避障导航模拟试验，结果表明：无障碍导航算法可导引AGV沿垄道预设直线路径纠偏行驶，防碰避障导航算法可导引AGV避免与垄道上的障碍物发生碰撞，验证了导航算法的有效性，可为无人化轮式拖

8、拉机等前轮导向车辆沿直线垄道循迹的防碰预警与避障技术提供参考。最后，总结了本文的主要创新之处和研究成果，指出了设施农业用A