【word】 基于GPS／GIS的大型农用拖拉机自动导航系统

【word】 基于GPS／GIS的大型农用拖拉机自动导航系统 基于GPS,GIS的大型农用拖拉机自动导 航系统 2007年3月农机化研究第3期 基于GPS/GIS的大型农用拖拉机自动导航系统 孔德峰,汪春,王熙,姜楠 (黑龙江八一农垦大学学院,黑龙江大庆163319) 摘要:自动导航技术是实施精准农业的基础,在精准播种,精准施肥,精准喷药,精准收割等各个方面 起着重要作用.为此,给出了设定导航直线的方法,利用车辆动力学模型设计了自动导航的负反馈控制器, 并对自动导航拖拉机系统的基本组成以及主要工作过程进行了分析. 关键词:农业工程;自动导航;设计;拖拉机;精细农业;GIS;GPS 中图分类号:S219.032.1文献标识码:A文章编号:1OO3—188X(2007)03--0054--02 0引言 自动导航技术是实施精准农业的基础,可以保 证实施起垄,播种,喷药,收获等农田作业时衔接 行距的精度,减少农作物生产投入成本,并使农作 物的种植农艺特性优化,提高农艺作业质量,避免 作业过程中产生衔接行的”重漏”,降低成本,增加 经济效益.应用自动驾驶技术可以提高拖拉机或谷 物联合收割机的操作性能,延长作业时间,可以实 现夜间播种作业,大大地提高了机车的出勤率与时 间利用率;使用该套设备能够减轻驾驶员的劳动强 度,在作业过程中,驾驶员可以利用更多的时间注 意观察农具的工作状况,有利于提高田间作业质量. 大型的农业机械广泛用于喷药,耕耘,播种,收获, 并且需要具有一定经验受过的驾驶员,特别是 由于精准农业的广泛推广,先进机车的引进,拖拉 机的功率越来越大,对机车驾驶员的越来越高. 由于垦区大规模农业机械化作业的需要,自动驾驶 技术研制显得尤为迫切.本文利用GIS提出了一种 路线设定方法,并应用车辆运动学模型应用USB总 线设计了系统的总体结构. 1参考路径的设定以及反馈控制器的设计 1.1参考路径的设定 参考路径是指拖拉机行进时的路线,其设定有 两种方法:一是在电子地图上设定.由于电子地图 上有关地块的信息可以较全面规划耕作的路线,做 法是设定两点,然后自动生成一条直线.二是在田 间根据地块的形状实际设定.机车在地头时设定一 点,然后到地尾再设定一点将两点显示到电子地图 上生成一条直线.具体的方法是:设定一点M(x,Y), 然后设定第二点N(x2,Y2).由++C=0得到A,B 和C的值;然后,由这条直线以及机车的宽度得到 这条直线的平行线,从而得到机车的参考路径. 1.2反馈控制器的设计 由拖拉机的运动学模型…得到拖拉机运动学方 程式为 主:VGOS0 =vsin0 . v(1) 0=——tan/2” , /2”=U 式中,Y一拖拉机后轮中心点坐标; 0一拖拉机的方位角; /2”一拖拉机转向角; 1一拖拉机轴距; U一转向角速度. 拖拉机方向角和转向角逆时针为正. 由于参考的轨道为直线,再由拖拉机的初始状 态参数(,Y,0,/2”)已知,利用无限时间调节器的设 计方法设计拖拉机沿直线行驶控制的调节器. 取目标函数为 minJ=(xax+RU)dt(2) 反馈增益矩阵K=BP控制为U=一KX.其中,P 为Ricoati方程PA+AP—PBBP+Q=0的解. 收稿日期:200606—02r. 基金项目:黑龙江省重点学科建设项目资助(2001—2005)l 作者简介:孔德峰(1980一),男,黑龙江兰西人,硕士研究生,a=lO (Email)kdefeng0163.c.m10 通讯作者:汪春(1963一),男,黑龙江延寿人,教授,博士生导: 师,(Emia1)wangchun570yahoo.Com.cn.X【y .. 54.. i詈],=[i;]B=.r, 一一 = A.小订 0l0 2007年3月农机化研究第3期 2自动导航系统的基本组成以及软件设计 自动导航技术是基于DGPS技术,传感器技术, 微处理器技术,控制技术的综合性系统.其主要包 括传感器,控制系统,执行系统.在本系统中工控 机为上位机,主要作用是数据采集,导航的计算, 通过从设备接收信息发送控制指令.下位机为单片 机,主要的作用是数据转换将传感器的RS232数据 转化为USB数据格式,同时接收上位机的控制指令 控制执行机构动作.由GPS接收机和一组数传电台 组成DGPS系统得到机车的位置信息(,Y),由地 速雷达实时测量机车的速度信息(V),由陀螺仪得 到机车的方位角(0),由位移传感器得到机车的转 向角().总体结构如图1所示. RS232总线 IDGPSlI地速雷达I陀螺仪位移传感器 1 usB/Rs232转换芯片(,执行机构,,, ——— 一, J USB总线控制单元l?-i电子地图l(工控机)l.. 十 输入设备 图1拖拉机自动导航系统结构组成图 具体的工作过程是上位机获取传感器数据经过 转换芯片转化成USB数据流,得到机车的状态,然 后从预存的路径或是输入设备设定的路线读取路径 数据,依据设定算法控制执行机构(步进电机)动作. 自动导航软件总体框架由VB语言编写,有关GIS 部分由VB对mapobject进行二次开发.转换芯片的 软件由C语言和汇编语言编写. 在软件设计时涉及到拖拉机在坡路行驶的问 .拖拉机在坡路行驶示意图,如图2所示.由于 拖拉机行进时遇到坡路或坑洼时机身发生偏移导致 GPS天线的投影偏离中心线,A点是GPS天线的位 置,此时获取的GPS天线的值垂直投影在C点,而 真正能够代机车状态的点是B点,这样将会产生 L=htanO误差.同样,在拖拉机前后翻转,左右扭 转时也会产生类似的状况,在软件中进行校正,尽 量地减小因地面不平而产生的误差,使它在恶劣的 路况下可以走出理想路径. 3结论 图2拖拉机在坡路行驶示意图 文中所用的工控机为上位机,单片机为下位机, 数据传输方式为USB总线.这样做的优点是将一部 分工作由上位机转移到下位机上,使上位机只进行 数据处理和导航算法的计算以防止计算量过大影响 速度;同时,USB的数据传输方式可以使上位机有 更多的带宽来接收数据,而下位机可以使控制更加 精确.由于USB总线是当前发展的趋势,并且当前 Pc机USB端口较多,而串口只有一个,并且可以使 普通的没有多个串口的电脑接人,从而减少成本. 参考文献: [1]陈军,鸟巢谅,朱忠祥.拖拉机在牧草地上自动引导行 走的控制[J].农业机械,2OO5(7):104—107 [2]于长官.现代控制理论(第2版)[M3.哈尔滨:哈尔 滨工,l大学出版社,2004:129—151. DesignofLargeTractorAutomaticGuidanceSystemBaseonGPS/GIS K0NGDe—feng,WrANGChun,WrANGXi,JIANGNan (EngineeringCollege,HeilongjiangAugustFirstLandReclamationUniversity,Daqing163300,China) Abstract:Thetechnologyofautomaticguidanceisthebaseofprecisionagriculture.Thereisimportantto precisionseeding,precisionfertilization,precisionspraying,precisionirriga ting,andprecisionreapingandSO on.Thispaperintroducesthemethodofsetline.Itdesignsfeed—forwardcontr olleronavehiclekinematical mode1.Itanalyzesthepreliminarycompositionandnarratesprocessofworkingofautomaticguidancesystem. Kevwords:agriculturalengineering;automaticguidance;design;tractor;precisionagriculture;GIS;GPS 55