温室电磁诱导式移动平台垄间行走跟踪控制

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在狭小空间内的行走控制是设施园艺智能移动机器人研究的关键技术。基于温室垄间结构特征,本文设计了一种电磁诱导式移动平台,构建一种自适应模糊神经网络PID行走控制算法,实现该移动平台垄间直线行走和垄头直角转向控制,结合ADAMS与MATLAB对该控制算法进行了仿真实验验证。为有效实现该控制算法,基于SmartARM2200开发平台设计了电磁诱导式移动平台行走控制系统硬件;在Labview平台上开发上位机控制程序,在江苏大学温室进行了垄间行走测试实验。  (1)针对移动平台行走机构性能指标,采用履带式和轮式组合的行走机构实现其垄间直线行走和垄头转向。为扩宽平台垂直作业的范围,为其设计升降装置,提出基于SmartARM2200硬件平台实现电磁导引式移动平台控制系统方案,结合PID和自适应模糊神经网络构建路径跟踪复合控制器,分析了移动平台的运动学模型。  (2)对移动平台控制系统进行设计和仿真验证。采用自适应模糊神经网络设计路径纠偏控制器,采用PID设计速度控制器,并对PID参数进行优化,进一步基于PID控制构建垄头直角转向控制器。在ADAMS内构建移动平台三维几何模型与行走路面,在MATLAB/Simulink中搭建移动平台仿真控制系统,实现ADAMS与MATLAB可视化联合仿真,结果表明:在路面干扰和信号延迟下,当行驶速度为1m/s,直线跟踪平均偏差为0.3cm,最大跟踪偏差小于1.2cm;当以速度大小为0.5m/s垄头直角转向时,偏离转向点的最大偏差约为2.5cm,验证该控制器可行与有效。  (3)基于SmartARM2200开发平台设计了行走控制系统硬件,主要包括接口板、信号采集处理板、电磁感应传感器、信号发生器和直流电机驱动模块的设计。其软件部分是在μC/OS—Ⅱ操作系统上编制完成。  (4)为获取控制算法实验所需的导航参数,通过移动平台前后所安装传感器检测的电压偏差,建立与横向偏差和航向偏差两者之间的关系,提取导航参数。基于Labview与MATLAB/Simulink之间的数据连接构建上位机控制界面,根据ARM与Labview之间的串口通信实现上位机与下位机信息的交换;在江苏大学温室内进行了垄间行走测试实验,实验表明:在垄间宽为80cm的水泥垄道路面,当速度1 m/s时,5m内直线跟踪航向偏差小于0.8°,横向偏差小于1.1cm,行走距离误差约为0.08m,平均行走距离误差约为0.016m;在垄间宽为65cm的柔性垄道路面,当速度1m/s时,3m内直线跟踪航向偏差小于1°,横向偏差小于1.5cm,行走距离误差为0.09m,平均行走距离误差为0.03m;以速度大小为0.5m/s实施垄头原地直角转向,转向的精度达91.4%。实验结果验证控制算法具有较好的鲁棒性与实时性。
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