【摘 要】
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丘陵山区果园田间运输作业往往劳动强度较大且费事费力,这在很大程度上制约了该地区果园经济的发展。随着丘陵山区果树种植面积的不断扩大,对于一种自动化、智能化程度较高的转运机械的需求就变的更迫切。本文根据丘陵山区果园田间运输作业的特点,对履带式转运车导航定位及路径跟踪控制系统进行研究,着重研究了基于GNSS（Global Navigation Satellite System）/INS（Inertial
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丘陵山区果园田间运输作业往往劳动强度较大且费事费力,这在很大程度上制约了该地区果园经济的发展。随着丘陵山区果树种植面积的不断扩大,对于一种自动化、智能化程度较高的转运机械的需求就变的更迫切。本文根据丘陵山区果园田间运输作业的特点,对履带式转运车导航定位及路径跟踪控制系统进行研究,着重研究了基于GNSS（Global Navigation Satellite System）/INS（Inertial Navigation System）的组合导航定位技术及履带式转运车路径跟踪技术,完成转运车自主导航系统平台的搭建,最后进行田间试验。研究的主要内容包括:（1）转运车自主导航系统平台搭建。针对丘陵山区果园应用场景,搭建基于履带式底盘的智能农机试验平台,分析并确定自主导航定位系统架构及硬件方案,选择RTK-GNSS与INS模块组成自主导航定位系统。（2）转运车GNSS/INS组合导航系统搭建。基于间接卡尔曼滤波信息融合算法,对GNSS/INS的输出信息及误差进行分析,建立基于GNSS/INS的状态误差方程与量测误差方程。最后对组合导航系统进行仿真及实车定位试验,试验结果表明,相比GNSS单独导航定位,基于间接卡尔曼滤波的GNSS/INS组合导航定位系统能有效提高转运车定位精度,并输出持续稳定的定位信息。（3）履带式转运车地面力学特性分析。根据履带式底盘运动特点,建立转运车运动学模型。针对履带与地面之间的相互作用,对履带式转运车在行走过程的受力进行分析,建立完善的履带式转运车的动力学模型,为接下来转运车的运动控制研究提供理论基础。（4）路径跟踪控制器设计。设计基于模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）的双闭环控制器,外环设计基于运动学模型的MPC控制器,输出履带式转运车的期望线速度与角速度;内环设计基于转运车动力学模型的扩张状态观测器（Extended State Observer,ESO）,来估计与补偿系统内外扰动。最后在Lab VIEW平台搭建控制器及转运车模型,对直线和圆形轨迹进行跟踪仿真试验,并与模糊PID控制进行对比。结果显示,所设计的MPC控制器无论是在超调量、还是调节时间上都优于模糊PID控制。（5）田间道路试验。为验证所搭建的自动行驶系统平台的实际效果,选取典型丘陵山区果园田间作为试验场地。分别在水泥路面及土壤路面进行实车试验,试验结果为:在水泥路面行驶时,最大横向偏差为0.14m,平均绝对偏差0.046m;松软土壤路面行驶时,其最大横向偏差为0.15m,平均绝对偏差0.051m,结果表明所设计平台能有效控制转运车按照目标路径行驶,控制精度满足转运车在田间道路自动行驶的要求。
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