精准农业中的农机自动导航控制技术

精准农业中的农机自动导航控制技术报告提纲•精准农业•农机导航技术研究现状•未来农机导航技术发展趋势•结束语农业鼻祖斲木为耜，揉木为耒，耒耨之用，以教万人。始教耕。故号神农氏。——《史记·三皇本纪》原始农业传统农业传统农业锄禾日当午，汗滴禾下土，谁知盘中餐，粒粒皆辛苦。现代农业现代农业精准农业农机自动导航精量播种施肥变量喷洒农药收获自动测产精准农业•世界现代农业的主要发展趋势–美国70%、英国15%、德国10%•精准农业技术研究和应用效果显著–节约灌溉水：50%–节约化肥：30%–节约农药：30%–降低生产成本：20%精准播种施肥精准喷药精准农业•精准农业–精确的数量–准确的时间、地点、方式精准农业技术体系精准作业准确的时间、地点、方式、数量精确地实施播种、施肥、喷药、收割等田间作业处方图决策生成分决析影响作物生长的环境因素的时空差异定如何对作物栽培管理实施按需投入析处理田间采集到的数据定土壤水分、肥力、作物长势、病虫草害数据分析分确数据采集卫星遥感、航空遥感、近地遥感田间数据采集、车载产量检测农机自动导航控制技术报告提纲•精准农业•农机导航技术研究现状•未来农机导航技术发展趋势•结束语•我在•我要•我怎哪？•位置测量•传去哪里？•路径规划•农么去？•路径跟踪•转感器机模型向控制农机自动导航农机自动导航导航传感器位置、航向车轮转角农机运动模型运动学模型动力学模型导航规划直线跟踪曲线跟踪转向角转向控制PID控制智能控制农机状态运动状态农机状态运动状态农机状态早期导航传感器•1920s–Steeringattachmentfortractors（USPatent）•1930s–利用绕在一个大圆筒上的钢琴弦导航•1970s–低频、低电流线圈导航•1980s–机器视觉导航主要导航传感器•机械触手•机器视觉•激光主要导航传感器•卫星导航位置测量(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3)(x4,y4,z4)(x,y,z)d1d2d3d4x1xy1yz1z222cvt1vt0d1x2xy2yz2zcvt2vt0d2222x3xy3yzzcvt3vt0d3x4xy4yzzcv4v0d42224tt2223•单点动态定位位置测量•伪距差分（DGPS）动态定位位置测量•载波相位差分（RTK）动态定位全球导航卫星系统（GNSS）GlobalNavigationSatelliteSystem空间星座•24-35颗卫星•分布在3-6个轨道平面•平均轨道高度19100-23616km•转道倾角55-65度•周期11-14小时地面控制系统•主控站–管理、协调地面监控系统各部分的工作；–收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站；–监控卫星状态，向卫星发送控制指令；–卫星维护与异常情况处理。•监测站–接收卫星数据，采集气象信息；–将所收集到的数据传送给主控站。•注入站–将导航电文注入GPS卫星用户设备全球导航卫星系统（GNSS）GPS（GlobalPositioningSystem）•空间星座–21颗工作卫星–3颗备用卫星–6个轨道面–轨道倾角55度–平均轨道高度20200km–周期11小时58分钟GPS（GlobalPositioningSystem）•地面控制系统–主控站：1个–监测站：5个–注入站：3个GPS卫星注入站监测站主控站GPS•工作频率–L1：1574.42MHz±10MHz–L2：1227.60MHz±10MHz–L5：1176.45MHz±10MHz•测量精度–定位：5-10m（C/A码）、1-2m（P码）–授时：20ns–测速：0.1m/sGLONASS（GLOBALNAVIGATIONSATELLITESYSTEM）•空间星座–21颗工作卫星–3颗备用卫星–3个轨道面–轨道倾角64.8度–平均轨道高度19100km–周期11小时15分钟•地面控制系统–系统控制中心（SCC）–中央同步器（SC）–指令和跟踪站（CTS）–相位控制系统（PCS）–光量子跟踪站（QOTS）–导航字组控制设备（NFCE）GLONASSGLONASS•工作频率–L1：1.602～1.616MHz–L2：1.246～1.256MHz（军用）•测量精度–定位：10-15m–授时：20-30ns–测速：0.01m/sGalileo•空间星座–27颗工作卫星–3颗备用卫星–3个轨道面–轨道倾角56度–平均轨道高度23616km–周期14小时22分钟•地面控制系统–控制中心（GCC，2个）•法国•意大利–上行站（GUS，14个）•遥测跟踪控制（TCC，5个）•任务上行链路（ULS，9个）–传感器站（GSS，30个）GalileoGalileo•工作频率–E2-L1-E1：1575.42MHz–E6：1278.75MHz–E5b：1207.14MHz–E5a：1176.45MHz•测量精度–定位：4-6m–授时：50ns北斗•空间星座–5颗静止轨道卫星（5）–27颗中轨道卫星（4）–3颗倾斜同步轨道卫星（5）–3个轨道面–轨道倾角55度–平均轨道高度21500km•地面控制系统–主控站–测轨站–测高站–校正站北斗北斗•工作频率–B1：1561.098MHz±2.046MHz–B2：1207.14MHz±2.046MHz–B3：1268.52MHz±10.23MHz•测量精度–定位：10m–授时：50ns–测速：0.2m/s农机自动导航导航传感器位置、航向车轮转角农机运动模型运动学模型动力学模型导航规划直线跟踪曲线跟踪转向角转向控制PID控制智能控制农机状态运动状态农机状态运动状态农机状态农机运动模型•二轮车模型YGXGvtφtδδOLtCxtvtcosytvtsinvtantttttL农机运动模型•纯几何跟踪模型–转弯曲率2(dcos(e)sin(e)–期望转角VXVYCRRθePATHdQLdLG(Vx,Vy)MNPHΦγL2d2)/L2ddLd2d2)/Ld2)arctan(2L(dcos(e)sin(e)导航路径规划B1B2BnA1A2An导航路径规划•基于A-B线的路径规划导航路径规划•基于边界线的路径规划农机转向控制•光靶导航农机转向控制•辅助驾驶农机转向控制•自动驾驶国外农机导航产品国外农机导航产品•JohnDeere–GreenStarLightbar光靶引导系统–GreenStarAutoTrac自动驾驶系统JohnDeereGreenStarLightbar•光靶引导系统–StarFire300接收机–Greenstar光靶JohnDeereGreenStarAutoTrac•自动驾驶系统–StarFire300/3000接收机–Greenstar1800/2630显示器–ATU200驾驶套件StarFire3000•主要特点–多种精度（SF1、SF2、RTK）–双系统（GPS、GLONASS）–高灵敏度（能捕获地平线上5度的卫星）–适用于所有JohnDeere导航系统GreenStarATU200驾驶套件•主要特点–安装简便–适用性广–提高生产效率–降低生产成本–减少操作失误导航精度信号导航精度适用范围SF1±30cm耕地、喷药、饲草应用SF2±10cm耕地、喷药、播种、收获RTK±2cm所有作业JohnDeere国外农机导航产品•Trimble–EZ-Steer辅助驾驶–EZ-Pilot辅助驾驶–Autopilot自动驾驶Trimble•EZ-Steer辅助驾驶系统–适用于1200多种农机–提供多种导航精度–T2地形补偿技术–安装简便Trimble•EZ-Pilot辅助驾驶系统–适用于多种农机–提供多种导航精度–T3地形补偿技术Trimble•Autopilot自动驾驶系统–直接与农机液压系统集成–提供多种导航精度–T3地形补偿技术导航精度国外农机导航产品•Topcon–System110光靶引导系统–System150自动驾驶系统–System200一体化控制系统–System250G3一体化自动驾驶系统TopconSystem110•光靶引导系统–GX-45控制器–AGE接收机–ASC-10电子控制器–光靶吸盘•自动驾驶系统–GX-45控制器–AGI-3RTK接收机–AES-25电动精确驾驶方向盘–直接界面驾驶控制器–液压驾驶控制器TopconSystem150/200/250电动精确驾驶方向盘•适用系统–System150/200/250•主要特性–能提供快速、高精度自动驾驶–可达到2cm精度–适合于所有地形状况直接界面驾驶控制器•适用系统–System150/250•主要特性–标准总线接口界面–自动调节拖拉机液压阀–适合于目前市面上的所有机车液压驾驶控制•适用系统–System200/250•主要特性–需安装液压控制阀–需安装车轮角度传感器–能自动驾驶拖拉机、收割机等精度选择精度选择Topcon国内农机导航技术研究•华南农业大学国内农机导航技术研究•中国农业大学国内农机导航技术研究•中国农业机械化科学研究院国内农机导航技术研究•北京农业信息技术研究中心（国家农业信息化工程技术研究中心）国内农机导航技术研究•中国科学院沈阳自动化研究所现代农业精准作业测控技术实验室78/30插秧机种肥机喷药机拖拉机精密电源精密万用表波形发生器多功能校准仪MultisimKeilMDK-ARMLabVIEW79/30组合导航实验台农机转向控制实验台变量喷药实验台现代农业精准作业测控技术实验室•近年来承担的相关科研项目–院知识创新工程重要方向性项目•现代农业精准作业测控技术与核心装置研发（KGCX2-YW-138）–国家863计划项目•切纵流智能控制稻麦联合收割机导航控制技术研究与开发（2010AA101402-4）•基于物联网的联合收割机群协同作业技术研发与示范（2013AA040403）–国家科技支撑计划项目•农业装备分布式控制技术与集成平台研发（2011BAD20B0603）现代农业精准作业测控技术实验室•主要研究成果–农机智能化集成平台–大型联合收割机自动导航系统–自动导航变量喷药机–插秧机自动导航与作业系统现代农业精准作业测控技术实验室82/32农机智能化集成平台核心装置•模块化、规范化、平台化•ARM9核心•10”LCD触摸屏•CAN接口•WindowsCE平台田间计算机•系统配置•任务管理•路径规划•作业监控田间计算机转向控制装置•机械式转向控制装置•液压式•ARM9核心•SD卡•CAN接口•导航控制算法导航控制器•连杆转动式•直线位移式•智能检测器车轮转角检测器•ARM9核心•ucOS-II系统•CAN接口•变量作业控制算法变量作业控制器•智能CAN节点–RS232/485–DI、DO–AD•农机总线–ISO11783协议栈–导航应用协议分布式控制通信平台农机导航集成平台92/45变量作业控制集成平台核心装置检测联合收割机导航系统国内第一套大型联合收割机自主导航系统•国家“863”计划项目研究成果稻麦联合收割机长x宽x高8.8×4.97×4.1m轮距（前/后）2.45/2.23m转向半径8m额定功率128kw联合收割机导航系统•柏油路面–平均误差5.6厘米（直线）–平均误差8.4厘米（曲线）•稻田–平均误差11.2厘米（直线）–平均误差15.7厘米（曲线）江苏省农业机械试验鉴定站2011年9月•组织单位–中国机械工业联合会•鉴定结论–该成果在大型联合收割机自动导航控制技术研究及导航控制系统设计开发方面，取得了具有创新性的成果，达到了国际先进水平。成果鉴定2011年11月97/45自动导航变量喷药机•国家“十二五”科技支撑计划项目研究成果药箱分水器隔膜泵涡轮流量计压力传感器比例阀电磁阀变量控制器处方图GPS信息98/45变量喷药地速传感器自动导航自动导航与变量喷药•检测方法–“A-B”直线导航模式–50米距离直线控制自动运行–速度设定