在农业机械化快速发展的大好形势下,以农业机械为载体,发展智能化农业机械能够有效地提高农业生产的质量和效率、较少环境污染,高效利用农业资源,取得经济效益与环境效益。本文以实现农业车辆精确导航为目的,搭建了智能化农业车辆试验平台,采用 RTK-DGPS(Real time kinematics Differential GPS,实时动态差分 GPS)导航方式,深入研究了 PID(Proportion Integration Differentiation,比例积分微分)、FOPID(Fractional order PID,分数阶 PID)以及 ADRC(Active Disturbances Rejection Controller,自抗扰控制器)控制算法。主要研究内容与结论如下:1、搭建了智能化农业车辆试验平台。以稳定可靠、精度高、响应快、易于控制为目标设计试验平台,试验平台包括传感器系统、执行机构与CAN-Bus通信网络。传感器系统中,RTK-DGPS、惯性传感器、绝对式编码器与增量式编码器分别用于测量车辆全局定位信息、车辆倾斜姿态、转向轮偏角与车辆前进速度,通过对原始传感器数据进行处理提取有用信息。执行器包括转向机构、制动机构与调速机构,控制转向机构的步进电机频率与方向实现转向控制,反接电动推杆的电压实现制动,控制差速电机电压实现调速。各节点通过扩展相应的CAN控制器、CAN收发器,依照制定的CAN-Bus通信协议实现了快速、稳定、可靠的数据通信。2、提出了具有抗干扰性能的导航参数计算方法。土壤环境恶劣时,系统秆臂效应严重,导致RTK-DGPS测量点与车辆质心之间的偏差增大,为此,采用惯性传感器测量车辆的倾斜姿态,通过几何换算补偿杆臂效应。试验结果表明,在铺设障碍的路面上,补偿前后横向偏差的计算值与测量值间的平均误差分别为0.054m与0.026m,补偿后横向偏差的计算精度更高。由于惯性传感器难以适用于磁场干扰较大的环境,为此,提出了利用RTK-DGPS测量的动态定位点结合最小二乘法拟合直线或圆计算航向偏差的方法。试验结果表明,当车辆在平坦的水泥路面直线行驶、做圆周运动与沿任意曲线行驶时,RTK-DGPS计算航向偏差方法与惯性传感器计算航向偏差方法的计算值之间的平均误差分别为0.4798°,1.8029°与1.2277°,验证了利用RTK-DGPS计算航向偏差的可行性。因此,提出的导航参数计算方法能够避免土壤环境干扰与磁场千扰。3、建立了导航控制系统模型。为减小控制系统设计的复杂性,我们期望建立简单且较准确的导航系统模型,将模型不精确带来的不确定性转嫁于控制器的鲁棒性上。根据运动学规律建立了车辆的运动模型。根据转向机构步进电机的频率与转向轮偏角间的物理关系建立了转向机构的开环模型,进行了稳定性分析,为进一步改善转向系统的动态性能,设计了转向比例控制器,人为地向系统施加阶跃信号,通过试验数据辨识了转向机构的闭环模型。最后,根据车辆的运动模型与转向机构闭环模型得到了航向控制系统模型与横向控制系统模型。4、设计了基于性能指标整定的横向PID控制器。针对传统PID参数整定方法的缺点,提出 了利用 ISE(integral square error,平方误差积分)、IAE(integral absolute error,绝对误差值积分)、ITAE(integral time absolute error,时间与绝对误差乘积的积分)、ITSE(integral time square error,时间与平方误差乘积的积分)性能指标整定PID控制器的方法。通过仿真对比分析了相应性能指标得到的控制器对闭环系统动态性能的影响,为保证车辆运行的平稳性,选择使系统瞬态响应震荡最小的ITAE最优PD控制器CITAE=9s + 0.1,它使闭环系统单位阶跃响应的超调量为21.9%,调节时间为0.69s。5、设计了基于FOPID的横向控制器。首次将FOPID控制器应用于农业车辆自主导航系统中。采用两种参数整定方法整定了 FOPID控制器参数,一种是平相位法,为补偿平相位法由于计算导致缺失的部分参数,本文提出了另一种改进的参数整定方法。对比分析了两种参数整定方法,并分别从频域、时域以及鲁棒性三个方面分析了两种方法整定的FOPD控制器的控制性能。仿真结果表明,改进方法整定的控制器CFOPD1(s)= 0.0218(1+300s1.017)性能更优。另外,将控制器CFOPD1(s)= 0.0218(1 + 300s1.017)与ITAE性能最优的整数阶PD控制器CPD(s)=9s+0.1进行对比分析,仿真结果表明,FOPD控制器CFOPD1(s)= 0.0218(1+300s1.017)能使闭环系统的ITAE性能更优,使闭环系统单位阶跃响应的超调量为11.48%,调节时间为0.79S。6、设计了基于ADRC的航向控制器。首次将自抗扰控制方法应用于农业车辆航向控制系统中。在对航向控制系统进行稳定性分析的基础上,设计了 ADRC自抗扰控制器。ADRC中的ESO(Extended state observer,扩张状态观测器)能够有效观测假设的常值扰动与时变扰动,ADRC根据观测的扰动进行线性化补偿,补偿后针对系统已建模部分设计了误差反馈控制率。仿真结果表明,针对假设的常值扰动与时变扰动,设计的ADRC自抗扰能力突出,使闭环系统单位阶跃响应的超调量均为2.13%,调节时间均0.66 s,控制性能令人满意。7、通过试验验证了航向控制与横向控制系统的控制性能。设计了一种简单的控制策略,车辆速度均设定为0.5m s-1。航向控制试验结果表明,初始航向偏差在-86°与84°时,调节时间均在2s以内,稳定后航向跟踪的精度均在1°以内,控制性能令人满意。横向控制试验中,分别进行了基于最优PD控制器与最优FOPD控制器的跟踪试验。基于最优PD控制器,以不同的初始状态作业时,试验1的横向偏差最大值、平均值与标准差分别10.4cm、6.4cm与2.6cm,试验2的横向偏差最大值、平均值与标准差分别为9.2cm、3.5cm与1.7cm。基于最优FOPD控制器,试验1的横向偏差最大值、平均值与标准差分别9.2cm,3.0cm与1.7cm,试验2的横向偏差最大值、平均值与标准差分别为6.2cm,2.4cm与1.6cm。受限于转向机构与传感器反馈数据的精度,两种控制器并未体现出明显的差异,但两种控制器均能使系统平滑稳定地跟踪期望路径,跟踪精度均在厘米级。