基于GNSS的农田信息采集机器人点跟踪控制系统研究

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获取农田地势、墒情、肥力等信息是实施精准农业的前提。现阶段要获得高精度的农田信息必须进行实地田间测量,目前人工采集是实际农业生产与科学研究活动中获取高精度农田信息的主要方式,存在劳动强度大、效率低和数据量不足等问题。本文设计了一种基于RTK-GNSS的移动机器人点对点跟踪控制系统,用于实现农田信息采集机器人遍历田块中系列规划点从而实现高精度信息采集作业。首先进行机器人的硬件设计与控制性能测试;其次,基于轮式移动机器人运动学模型,设计点跟踪的速度与转向控制算法,并采用栅格法生成田块信息采样点,规划跟踪路径;在此基础上,进行机器人点跟踪控制系统软件设计,编写上位机和下位机子程序;最后通过试验验证所设计的点跟踪控制系统的可行性。试验结果表明,在水泥路面上,点跟踪平均偏差为0.027 m,最大偏差为0.043 m;在草坪路面上,平均偏差为0.035 m,最大偏差为0.074 m。所设计的高精度点对点跟踪控制系统可为农田信息采集作业的自动化提供技术支持,具有一定的理论创新与应用价值。主要研究内容如下:(1)硬件系统方案设计提出农田信息采集机器人硬件系统总体方案,分别进行轮式移动机器人底盘、RTK-GNSS、车载计算机与微控制器、转向模块、驱动模块等主要硬件组成的设计,完成硬件系统搭建。(2)点跟踪控制算法设计建立移动机器人点跟踪运动学模型;针对信息采集过程中不同跟踪情形设计机器人的转向控制律和速度控制律;设计多边形田块分割方法生成信息采样点;根据算例生成的采样点设计转弯衔接路径,完成路径规划。(3)软件设计在MATLAB环境中以模块化程序设计方法进行上位机软件设计,完成主程序、串口通讯子程序、RTK-GNSS报文解析子程序以及路径跟踪子程序编写;在下位机控制器中完成直流电机驱动和转向电机驱动程序编写;利用MATLAB GUI工具完成人机交互界面的优化设计。(4)控制系统试验验证首先开展变参数重复试验,确定控制算法最优控制参数;其次开展连续点跟踪试验,验证控制系统实际跟踪效果,并分析跟踪精度;最后对获得的高程数据进行插值处理,绘制地势图,实现农田信息采集系统的初步应用。
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