农业机械导航与自动作业是规模化农田生产的必然趋势,水田高地隙喷雾机作为一种重要的植保机械,研究其自动导航作业系统对提高施肥效率和作业质量具有重要的现实意义。由于高地隙喷雾机具有重心高、车轮窄和喷幅宽等特点,在泥脚深浅不一的水田中实施导航控制作业时,车身的颠簸起伏使车辆运动状态信息的准确获取非常困难,滞后的车轮角度控制使地形干扰对系统稳定性的影响显著,车轮的侧偏使喷雾机运动特性具有强非线性,这些都对高精度的导航路径跟踪控制带来挑战。针对以上问题,本文研究了基于组合导航定位系统的车辆运动参数获取方法,基于电-液转向非线性系统解耦的低延时车轮角度跟随控制技术和基于非线性运动学模型的路径跟踪控制方法,在此基础上开发了高地隙喷雾机自动导航作业系统并进行了水田试验。主要研究工作如下:1)基于GNSS和AHRS组合定位系统的车辆运动参数获取方法研究。通过研究车辆动力学、运动学模型和车辆侧偏特性,确定了以前轮位置、车身航向角、前后轮航迹角、行驶速度和车轮转角等参数构成的喷雾机非线性运动学模型。通过分析模型的参数结构,设计了以全球差分导航卫星系统（RTK-GNSS）和航姿参考系统（AHRS）为主要传感器的组合导航定位系统和以坐标投影及变换与卡尔曼滤波为主要数据融合方法的参数获取方案。通过评价离线仿真轨迹与真实轨迹的重合度,验证了组合导航系统的稳定性和运动参数获取的准确性。2)基于电-液转向非线性系统解耦的车轮角度跟踪控制方法。为实现高地隙喷雾机转向机构的电气化控制,在原有的液压系统基础上设计了电-液转向控制系统。采用牛顿第二定律和流体连续性理论,研究了电-液转向系统的动力学特性,建立了非线性系统模型。将非线性系统模型解耦为死区与饱和、非线性增益和间隙特性3个部分,设计了由死区补偿器、PD控制器和动态衰减间隙补偿器构成的车轮角度跟踪控制系统。通过水田环境下的试验测试,验证了采用该方法可获得200-300ms之间的低延时车轮角度跟踪控制。3)适用于水田高地隙喷雾机的路径跟踪控制方法研究。基于喷雾机非线性运动学模型,综合采用Frenet标架相对坐标系、线性链系统构建方法和状态变量变换方法,获得了路径跟踪偏差的线性化模型,基于LQR方法设计了路径追踪控制器。为消减车轮角度控制滞后导致的路径跟踪偏差校正迟缓的问题,提出了基于卡尔曼滤波器和路径跟踪控制律相结合的决策车轮角度预估算法;在水田环境下,通过直线路径跟踪试验进行了测试,数据表明,向前200ms的决策车轮角度预估误差小于1°。为消除系统静态误差和抑制水田环境对路径跟踪控制的干扰,设计了以变速积分为主体,兼具积分保持和抗饱和特性的积分器。通过以上研究,设计了由路径跟踪控制律、车辆运动状态预估器和积分器构成的路径跟踪控制方法。4)喷雾机自动导航作业系统的开发与水田试验验证。通过机-电-液改造和软硬件系统设计整合了信息获取与数据融合单元,车轮角度跟踪控制系统和路径跟踪控制器;为实现喷雾机自动导航作业,设计了一体化作业控制系统及无线监控终端设备。为验证系统的稳定性和控制精度,在水田环境下,在作业速度1.35m/s时进行了自动导航控制作业试验,试验结果表明:喷雾机自动导航作业系统运行可靠;上线过程无超调,路径跟踪控制稳定,地头转弯流畅、作业完毕后停车及时;路径跟踪控制精度较好,在喷雾机最大横滚角度为-4.1°和4.3°、横滚角度标准差为1.2°时,路径跟踪偏差最大值为12.8cm,行间最大偏差标准差为3.2cm,最小标准差为2.4cm,表明本文设计的导航控制系统可满足高地隙喷雾机在水田环境下的喷雾和施肥作业要求。