无人作业船自动导航控制系统的优化

为了提高原有导航系统中低成本传感器的数据检测精度和船体航迹跟踪的控制效果,引入数据融合算法并提出了一种新型的航迹跟踪算法.导航系统首先对船体进行多次坐标变换,通过两次卡尔曼滤波器融合出更精准的船体航向角、坐标和速度;其次提出了一种基于消除航迹速度偏差和航向角偏差的控制算法,将传统的PID控制器设计成由PI控制器和微分控制器组成的串级控制系统,作为内环的微分量正好由现有的加速度计和陀螺仪检测变送,省去了对微分参数的调节,对检测精度不高的系统也可以有较好的控制效果;最后解算出船体两个明轮各自需要的出力情况,以提高航迹跟踪效果.在试验平台上控制无人作业船进行多次巡航试验,通过上位机实时监测船体的状态数据和运行轨迹,并对整体优化后的航迹跟踪效果进行了分析.结果表明:经卡尔曼滤波器融合后的航向角、定位和速度,数据方差更小,更接近于理想值;对于控制算法,系统的超调量不超过3%,响应速度足够快,且稳态误差接近0;航迹跟踪的直线段成功率由优化前的80%提升到了95%,拐弯段的成功率由优化前的60%提升到了90%,直线段的最大偏航平均距离由优化前的0.83 m降到了0.12 m,拐弯段的最大偏航平均距离由优化前的1.25 m降到了0.22 m;拐弯后平均需要0.95 m长的调整距离就可以进入直行状态,直线段和拐弯段的跟踪效果明显得到了改善.

基于自动导航技术的农机化适配与功能设计

智慧农业是现代农业发展的主流趋势,随着农业机械广泛普及应用,农机产品在技术升级的同时进一步向自动化和智能化转型,自动导航技术作为农机自动作业的关键技术,成为近年来研究与应用的重点。为进一步提升自动导航技术在农业机械中的应用质量,从自动导航技术在农业生产的应用情况展开分析,说明了自动导航技术的应用价值,并从农机产品需求和农业生产实际角度,分析了农机自动导航技术的适配趋势,针对农机导航展开功能设计,以期对优化导航技术在农机体系的应用起到促进作用。

农业运输车自动导航系统的设计及试验研究

农业运输车在农业生产中承担着输送产品及运输物资的任务,目前其运输效率及路径计划主要依靠驾驶员的专业技能。农业运输车在进行田间谷物收获、合理调度及运输计划是保证农业运输车高效运行的重要因素,随着自动导航技术的逐渐应用及发展,实现农业运输车高效运输及路径规划具有重要意义。为此,创新研制了一种自主导航系统,将收获和运输问题视为一个带动态卫星的两级多行程车辆路径问题(2E-MTVRPDS),并进行自动导航系统的路径规划、地头转弯、控制系统、卫星传输及人机交互界面设计,以实现农业运输设备的路径自主规划与移动。以谷物联合收获机及拖拉机为试验对象,研究结果表明:当拖拉机完成直线导航时,会自动执行适当的转弯模式,直线跟踪的横向误差不超过6cm,直线跟踪最大横向均方根误差小于5cm,表明提出的农业运输车自动导航系统在引导农用车辆田间工作时具有通用性和良好的工作性能,可以满足田间农业生产要求。

羊场自动导航喷药机器人设计与实验

[目的/意义]大规模肉羊畜舍人工消毒存在费时费力、覆盖不全和消毒不彻底的问题,为保持畜舍卫生和肉羊健康,本研究提出一种羊场自动导航喷药机器人。[方法]从硬件、语义分割模型和控制算法3个方面设计了自动导航喷药机器人。硬件部分包括履带底盘、摄像头和折叠式喷药装置。语义分割模型部分通过引入压缩通道网络注意力(Squeeze-and-Excitation Network, SENet)和基于场景改进的十字交叉注意力(Criss-Cross Attention,CCA)模块,提出一种双注意力ENet语义分割模型(Double Attention ENet, DAENet)。在控制算法方面,针对机器人在面对岔路时无法控制行进方向的问题,利用模拟真实道路的方法,在羊舍外的道路上绘出车道线,提出了道路中心点识别和车道线中心点识别两种算法来计算机器人行进过程中的导航点。为了实现上述两种算法,使用了两台摄像头并设计了摄像头切换算法,依靠此算法实现两台摄像头的切换,并控制喷药装置的开关;提出了一种偏移量与速度计算算法控制机器人履带左右轮速度,实现对于机器人行走的控制。[结果和讨论] DAENet模型在图像分割任务中的平均交并比(Mean Intersection over Union, mIoU)达到了0.945 3;摄像头切换算法测试结果表明摄像头的切换时间在15 s以内,机器人能正确、快速地带动喷药装置的开关;中心点与偏移量计算算法测试的结果表明,在处理多帧视频流时,算法平均处理一帧图片所用的时间为0.04~0.055 s,帧率为20~24 f/s,满足实际工作的实时性要求;羊场实地的整体测试结果表明,机器人完成了两个羊舍的自动导航和消毒任务,并且未碰撞路边料槽,行进轨迹偏移量未超过0.3 m。在0.2 m/s的行进速度下,药箱里的药液能够满足两个羊舍的消毒任务。机器人处理图像的平均帧率为22.4 f/s,对于信息处理的准确性和实时性能够满足实验指标要求。喷药覆盖圈舍地面超过90%,满足实验指标要求。[结论]本研究提出的羊舍自动导航喷药机器人以语义分割模型DAENet为基础,中心点识别算法为核心,通过与硬件设计和控制算法的相互配合,能够在确保安全性和实时性的前提下,实现在羊舍内的自动导航和全覆盖喷药。

果园履带车自动导航自适应控制方法

为提高果园履带车自动导航精度和稳定性,兼顾成本和作业效率,提出一种基于模糊控制的自适应导航控制决策方法,并设计开发了一种自动导航嵌入式控制系统。首先,对果园履带车自动导航控制系统整体架构进行设计;其次,确定各关键子系统硬件和软件结构;再次,基于模糊控制与传统PID控制方法研究自适应导航控制决策方法,并基于MatLab/Simulink平台进行建模仿真;最后,将自动导航自适应嵌入式控制系统应用于果园履带车上进行性能评估,以及自适应控制和传统控制两种模式下的果园履带车自动导航过程对比试验。仿真结果表明:模糊PID控制方法的上升时间、超调量和稳态误差分别为0.17s、4.02%和±0.15%,相较于传统控制方法分别优化了5.88%、41.31%和34.78%。验证试验表明:自适应控制方式下果园履带车自动导航的横向偏差和纵向偏差平均值分别为6.24、9.65cm,相比于传统控制方式偏差平均值分别减小了33.97%和12.67%。所提出的果园履带车自动导航自适应控制方法和设计的嵌入式控制系统,不仅能够实现果园履带车自动导航过程的自适应调整,而且提高了自动导航的精度,保证了行驶的稳定性,可为果园履带车实际生产操作提供参考。

农机领域自动导航系统专利情报分析

随着智能化农业装备的加速推进,研究自动导航技术已成为实现农业精细化生产的重要手段。基于导航方式构建技术分支,归纳和总结了该领域专利申请的总体技术概况、重要申请人、发明人及技术分布等,并梳理了国外在中国申请专利的情况,通过功效标引,构建了技术功效矩阵,以利于寻求技术发展的空白点、研发热点和突破点,旨在为企业或科研院所的技术研发提供可行性参考。

自动导航插秧机执行机构通用性研究

农机自动导航技术的推广与应用对提升农机作业效率和作业质量,实现农业数字化、精准化和智能化具有重要意义。但是,大部分农机自动导航设备只适用于特定型号的农机设备,限制了农机自动导航技术的推广和普及。提高农机自动导航系统的通用性,扩大应用范围,对促进农业现代化具有重要意义。基于现有的自动导航插秧机试验平台开展执行机构通用性研究,优化自动导航电控方向盘装配方案,提出一种基于U型夹具的装配方案并进行静力学仿真验证。仿真结果表明,此方案通用性优,在同样的夹紧力条件下转向柱表面应力远低于屈服极限且变形趋势不明显,对比原方案能更好地保护插秧机转向柱。

农业水稻机械自动导航技术的应用研究

【目的】我国水稻机械化作业面临定位难题与参数控制难题,导致作业效率较低,无法满足大规模种植的需求。【方法】分析了水稻机械自动化的技术需求,提出精准导航定位与闭环控制是实现自动化的关键;详细探讨了构建自动导航系统的核心技术,包括高精度RTK定位技术、满路网轨迹规划方法、电机驱动闭环控制技术、机械传动与稳定控制技术等。【结果】基于多源信息融合的导航定位技术可以满足厘米级精度需求,满路网轨迹规划方法可以实现高效作业,电机驱动的闭环控制技术可以实现参数精确调节,所构建的水稻机械自动导航系统整体上实现了无人作业平台的技术目标,满足了水稻机械化无人作业的技术需求。【结论】未来自动导航技术可结合机器视觉、增强现实等新技术,实现对作物和环境的感知与响应,通过构建智能化的作业系统,有助于推动我国水稻生产向无人机械化方向发展,其具有广阔的应用前景。

自移机尾控制系统设计及自动导航控制方法研究

针对目前自移机尾输送带跑偏量和自移机尾相对输送带架的位置无法精确检测、推移过程中仍然需要人为干预调整、无法真正实现无人化操作的问题,设计了一种电液控制系统,引入内置式位移传感器、双轴倾角传感器、行程传感器和视觉检测系统,用来检测自移机尾自身状态、输送带跑偏及与输送带架相对位置,实现了自移机尾的手动、遥控、远程及自动控制。同时提出了一种自动导航控制方法,并完成了初步的测试验证,促进了自移机尾自动化、无人化水平的提升。

农机自动导航设备销量突破10万台,均价跌破1.5万元

据来自农机360网的消息,自2013年,农业用北斗终端被部分地区纳入农机购置补贴范围后,经过多年的市场培育,自动导航设备在黑龙江、新疆、新疆兵团、黑龙江农垦、内蒙古等地逐步受到用户认可。2020年首次从几千台的年销量,升至万台规模,这个期间经历了7年。

基于视觉语言大模型的可进化GUI自动导航方法研究

近年来,视觉语言大模型在GUI自动导航任务上的研究越来越多,体现出其较为先进的屏幕解释、行动推理和定位能力。然而这些方法受限于图像尺寸问题和案例参考能力,动作识别准确率偏低,且无法直接迁移到相同场景不同流程的GUI导航任务上。本文提出了一种基于视觉语言大模型的可进化GUI自动导航方法Qwen-VL-i VP,该方法使用Qwen-VL,创新性地设计了视觉提示模块和多任务Prompt模版以提升大模型动作定位准确性,同时增强模型自主学习和进化的能力。实验结果表明,与基线方法 Qwen-VL相比,该方法在GUI自动导航任务上有了显著的改进。

基于高精度GNSS惯性导航设备的自动导航驾驶拖拉机作业性能试验研究

介绍了高精度GNSS惯性导航测试设备的主要性能指标和安装方法,提出了自动导航拖拉机的作业性能试验方法和导航控制精度的计算方法,开展了自动导航拖拉机的作业性能试验,分析了自动导航拖拉机试验结果和作业质量。

基于机器视觉的变电站巡检机器人自动导航系统设计

随着智能电网的普及,变电站巡检机器人逐渐成为电力系统运维的重要工具。变电站巡检机器人是一种利用机器视觉技术,依据图像处理与识别,实现对变电站设备进行自主巡检和状态监测的智能设备。其自动导航系统是确保巡检机器人高效、安全运行的关键。文章设计了一种基于机器视觉的变电站巡检机器人自动导航系统,详细阐述了系统的硬件设计、关键算法设计,并通过实验验证了系统的有效性与实用性。

东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统

该文在东方红X-804拖拉机上开发了基于RTK-DGPS的自动导航控制系统。系统主要包括RTK-DGPS接收机、导航控制器、转向操纵控制器、电控液压转向装置和转向轮偏角检测传感器。其中转向操纵控制器、转向轮偏角检测传感器和电控液压转向装置构成转向轮偏角的闭环控制回路,该回路可根据导航控制器提供的期望转向轮偏角实现偏转角的随动控制。将拖拉机运动学模型和转向操纵控制模型相结合,建立了拖拉机直线跟踪的导航控制传递函数模型,模型的输入是横向跟踪误差,输出是期望的转向轮偏角。设计了基于PID算法的导航控制器,仿真分析了系统稳定性和动态响应性能,确定了PID控制参数的较佳取值。针对东方红X-804拖拉机转弯半径大的特点,采用跨行地头转向控制方式,提出了具体的控制流程及算法。田间试验结果表明:采用所设计的DGPS自动导航控制系统,在拖拉机行进速度为0.8m/s时,直线跟踪的最大误差小于0.15m,平均跟踪误差小于0.03m,所提出的跨行地头转向控制方法对试验拖拉机具有良好的适用性。

雷沃ZP9500高地隙喷雾机的GNSS自动导航作业系统设计

为减少农药喷雾作业对人体造成的化学损害,该研究以雷沃高地隙喷杆喷雾机为平台,基于GNSS开发了自动导航作业系统,实现喷雾机在极少人工干预情况下的自动导航作业。通过对平台的机-电-液改造,实现了喷雾机作业系统的电气化控制。基于简化的二自由度车辆转向模型设计了以位置偏差和航向偏差为状态变量的直线路径跟踪控制算法,基于纯追踪模型设计了曲线路径跟踪控制算法。根据喷雾机田间作业需要设计了喷雾机一体化自动导航作业控制方法,使系统能够自动控制喷雾机完成直线、地头转弯行驶和喷雾作业,油门调节以及车辆启停控制。在1.3 m/s左右的前进速度条件下,分别在水泥路面、旱田、水田环境中进行了试验,测试结果表明:水泥路面车身横滚在–1.6?~1.5?范围,直线路径跟踪误差最大值为3.9 cm,平均值为-0.15 cm,标准差为1.0 cm;旱田地块车身横滚在–1.4?~3.3?范围,跟踪误差最大值为9.8 cm,平均值为1.3 cm,标准差为3.3 cm;水田环境车身横滚在–2.4?~5.2?范围,跟踪误差最大值为17.5 cm,平均值为2.2 cm,标准差为4.4 cm。试验数据表明,所设计的自动导航作业系统初始上线快速、地头转弯对行平顺、各设计功能执行可靠;导航系统具有良好的稳定性和控制精度,能够满足水田、旱田环境下的喷雾作业要求。

基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统

阐述了一种基于自适应模糊控制的拖拉机自动导航系统。由PLC、电控开关液压阀和比例方向液压阀组成自动转向控制系统,设计了PD转向控制算法;为提高拖拉机自动导航的精度和稳定性,提出了一种基于遗传算法的自适应模糊控制方法,采用遗传算法在线优化模糊控制规则以及输出比例因子,既保留了传统模糊控制的优点,又有效改善了系统的控制品质;仿真和田间试验结果表明,该方法可以迅速消除跟踪误差,响应速度快,超调小,系统工作稳定,稳态跟踪误差不超过10 cm。

基于BDS的果园施药机自动导航控制系统

根据果园施药机自动导航喷药作业需求,设计了一种基于北斗卫星导航系统(BDS)的施药机自动导航控制系统。该系统主要包括RTK-BDS接收机、导航控制器、转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘。其中转向控制器、电控气动转向系统和三轴电子罗盘构成转向角闭环控制回路,该回路可根据导航控制器发送的施药机期望转向角实现转向角的随动控制。将施药机的运动学模型和纯追踪模型相结合,设计了施药机直线跟踪导航控制器,输入为位置坐标和方位角,输出为期望转向角。针对果园地形特点对施药机进行了导航路径规划,并在果园进行现场试验。试验结果表明:所设计的导航控制系统,在施药机行进速度为2 km/h时,直线跟踪最大误差不大于0.13 m,平均跟踪误差不大于0.03 m,能满足果园自动导航作业精度要求。

基于自动导航的小麦精准对行深施追肥机设计与试验

针对冬小麦返青期地表追施氮肥使氮素挥发导致肥料利用率低的问题,结合目前在小麦追肥过程中缺少深施氮肥作业装备的现状,进行了基于拖拉机自动导航技术实现精准对行深施氮肥的技术研究,设计了小麦精准对行精量深施追肥机。追肥机采用安装有自动导航系统的拖拉机牵引实现精准对行,以RTK-GNSS接收机测取的作业速度为基准,通过液压系统驱动排肥机构工作,双圆盘开沟器开沟深施,采用PID控制排肥轴转速与车辆行驶速度实现实时匹配,达到精量控制追肥量的目的。田间试验结果表明:设置目标追肥量为200 kg/hm2,车辆行驶速度为5 km/h时,追肥机能完成对行深施追肥作业,机具对行作业误差在±6 cm以内,追肥量偏差小于9%,可满足实际生产需求;对照撒肥机表层撒肥作业,每公顷减施氮肥25 kg左右,小麦每公顷增产486.5 kg左右。

基于速度自适应的拖拉机自动导航控制方法

针对速度因素对拖拉机自动导航系统稳定性的影响,提出了基于横向位置偏差和航向角偏差的双目标联合滑模控制方法,在建立两轮拖拉机-路径动力学模型和直线路径跟踪偏差模型的基础上,应用Matlab/Simulink进行整体系统仿真,验证了控制方法的可靠性;以雷沃TG1254拖拉机为载体搭建了自动导航控制系统田间试验平台,分别在定速和变速条件下,进行了拖拉机直线路径跟踪控制的田间试验;分析了不同速度条件下的动态跟踪控制效果,验证了设计的自动导航控制系统的稳定性和控制精度。试验结果表明:在拖拉机田间作业常见的定速直线行驶工况下,采用基于速度自适应的双目标联合滑模控制方法,拖拉机直线路径跟踪控制的横向位置偏差最大值为10.60 cm,平均绝对偏差在3.50 cm以内;航向角偏差最大值为3.87°,平均绝对偏差在1.70°以内;在进入稳态以后,前轮转向角最大摆动幅度为3°,摆动标准差为0.80°。结论表明,该文提出的基于速度自适应的拖拉机自动导航控制系统,能基本实现不同速度下的直线路径自动跟踪控制。

基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法

为了提高农田平整作业工作效率,分析了基于全球导航卫星系统(Global navigation satellite system,GNSS)的农田平整自动导航解决方案的可行性,改进了系统硬件设计,提出了一种基于GNSS的农田平整自动导航路径规划方法。该方法将全局路径规划和局部实时路径规划相结合,以铲车空载或满载时间最短为最优评价基准,融合K-均值与密度均值,聚类农田栅格;根据设计的铲车挖高填低方法和局部搜索策略得到平地路径全局规划,在实际作业中根据拉力传感器反映的实时载荷进行局部调整和规划。通过仿真试验和农田路径规划平地对比试验分析表明,最大高度差从22.8 cm降到2.7 cm,平整度从12.6 cm降到1.5 cm,高差分布列从81%上升到97%,平整效果能满足精细灌溉需求。该方法能够较好地实现路径规划,实现拖拉机高效平地作业,其中铲车的满载和空载率较其他方法小,满载和空载率总和在20%左右,增加了有效工作时间,降低了人工劳作强度,提高了平地效率。