农机自动导航模拟系统轨迹跟踪的设计与实现

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1、工程硕士学位论文农机自动导航模拟系统轨迹跟踪的设计与实现作者姓名李青睿工程领域控制工程校内指导教师裴海龙教授校外指导教师李成钢高级工程师所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2015年11月TheDesignandRealizationofTrajectoryTrackingforTractorAutonomousDrivingSimulationSystemADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiQingruiSupervisor：

2、Prof.PeiHailongSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：学校代号：10561学号：201220208614华南理工大学硕士学位论文农机自动导航模拟系统轨迹跟踪的设计与实现作者姓名：李青睿申请学位级别：工程硕士工程领域名称：控制工程校内指导教师姓名、职称：裴海龙教授校外指导教师姓名、职称：李成钢高级工程师论文形式：ꇶ产品研发ꇶ工程设计■应用研究ꇶ工程/项目管理ꇶ调研报告研究方向：嵌入式系统技术论文提交日期：2015年12月5日论文

3、答辩日期：2015年12月5日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：陈雪梅委员：罗飞、肖兵、王剑、康文雄摘要随着中国劳动力市场价格越来越高，农机导航的应用可以大大减少人力投入，提高作业效率和农作物产量，所以开启农机自动导航的研究是大势所趋。其实国内外很早就开展了对无人车辆的研究，但将其用在农业拖拉机上，国内与国外技术相比还有一段很长的追赶距离。农机自动导航系统是安装在拖拉机上的控制系统，适用于田间各类作业，如起垄，播种，耙地，收割，辅膜等活动。拖拉机由传动系统、行走系统、转

4、向系统、制动系统和工作装置五部分组成，而其自动导航系统主要由定位、路径规划、导航控制、车辆模型和通信五部分组成。本文基于前人经验对此系统进行了的设计和应用。本文首先搭建了一个模拟拖拉机的简化机械平台，同时建立了一套基于ARM7为控制核心的硬件平台。接着介绍了导航、姿态和卫星定位相关理论并给出了拖拉机简化运动学模型的建立过程。根据已有的非线性数学模型，将进行离散线性化，并基于此状态方程设计了三种不同的控制器，分别采用近似线性化理论，模型预测算法和线性二次型调节器。通过软件仿真对比了三种控制器的控制效果，选

5、出综合性能最优的LQR控制器进行应用。随后，搭建了本系统的软件平台，根据需求并结合全球定位技术、姿态融合技术，在KeilμVision5软件环境下，使用C语言作为开发语言在嵌入式μC/OS-II实时操作系统下完成了软件系统的设计和开发。重点研究了各种传感器串口接收的驱动、数据解析和导航控制功能的实现。随后，对设计的系统进行了实地测试，试验表明，该系统车速是0.5m/s时，横向最大误差约为40cm，最小误差约为5cm，平均误差约为15cm；车速1m/s时，横向最大误差约为70cm，最小误差约为10cm，平

6、均误差约为28cm；其效果跟市面主流产品相差较远，但已初步具备功能条件。最后，分析了产生较大误差的原因并提出解决方法。关键词：农机自动导航控制系统、路径跟踪、近似线性化、MPC、LQRIAbstractWiththeincreasingpriceoflabormarketinChina,theapplicationofagriculturalmachinerynavigationcangreatlyreducehumaninput,improvingtheoperationalefficiencyand

7、theoutputofcrops,soitisthetrendtoopentheagriculturalmachineryautomaticnavigation.Infact,thestudyofunmannedvehicleshasbeencarriedoutforaverylongtimeathomeandabroad,butputitinuseinagriculturaltractors,comparedwiththedomesticandforeigntechnology,thereisstil

8、lalongtimetocatchup.Automaticnavigationsystemisacontrolsysteminstalledonthetractor,suitableforalltypesoffieldwork,suchasridging,seeding,harrowing,harvesting,auxiliaryfilmactivities.Thetractoriscomposedoffiveparts,whicharet