設施農業(yè)用輪式AGV系統集成設計與避障導航技術研究.pdf

1、設施農業(yè)生產用工多，勞動強度大，作業(yè)環(huán)境高溫高濕，研發(fā)自主作業(yè)的移動式農業(yè)機器人來彌補勞動力短缺并降低用工成本，具有較大的市場需求和應用前景。設施農業(yè)用輪式AGV可作為果實采摘、搬運、施藥、信息探測的移動式搭載平臺，是精準農業(yè)的一項核心關鍵技術，為節(jié)工降本提供了一種有效的解決方案。面向設施農業(yè)的果蔬對靶噴藥、精準采摘和搬運應用需求，研發(fā)實用的輪式AGV作為移動載體，并實現防碰避障導航行駛，是設施果蔬生產裝備的發(fā)展趨勢，對設施果蔬生產有著

2、重要的科學研究意義與應用價值。
　　本文在總結國內外農用AGV行駛系統和導航技術研究現狀的基礎上，以果蔬采摘機器人項目為依托，集成設計了一套設施農業(yè)用輪式AGV行駛系統，主要研究內容如下:
　　1、面向溫室道路和草地路面行駛應用需求，為了消除前輪導向AGV存在車輪側滑問題，基于Ackermann轉向原理設計了一種變長連桿的雙曲柄轉向系統，基于ADAMS仿真驗證了該轉向機構設計的正確性，應用ANSYS分析了轉向豎軸連接結構體的

3、承載能力。集成設計了前輪導向后輪差速驅動的輪式AGV系統，包括AGV整車機械結構、傳感檢測模塊、控制模塊與通信模塊。
　　2、通過推導AGV轉向動力學模型，建立了考慮轉向阻力矩的左、右前輪轉向角閉環(huán)控制模型，提出了左、右前輪轉向角PID同步控制算法，利用MATLAB仿真轉向控制模型的動態(tài)響應，獲得了相關控制參數。
　　3、以松下PLC為核心，構建了由左前輪轉向交流伺服電機、推桿伺服電機、驅動器和編碼器組成的AGV轉向測控系統

4、，設計了前輪轉向系統同步閉環(huán)控制流程，基于PLC開發(fā)了AGV轉向與行駛控制程序，實現AGV純滾動轉向行駛。
　　4、開展了AGV草地路面原地轉向及硬質路面S型軌跡轉向行駛試驗，結果表明:前輪導向AGV轉向系統的左、右前輪期望轉角與實際轉角誤差小于0.1°，AGV轉向系統近似滿足車輪純滾動無側滑運動條件，驗證了輪式AGV純滾動轉向系統設計和轉向控制的正確性與有效性，可有效消除前輪導向AGV的車輪側滑，為輪式AGV在設施環(huán)境應用和輪式

5、拖拉機等前輪導向車輛的轉向系統設計提供參考。
　　5、針對輪式AGV沿直線壟道循跡受到障礙物威脅的問題，按全局預設路徑跟蹤和局域軌跡防碰避障2種行駛模式，以AGV橫向位置偏差和航向偏角作為模糊控制器輸入，獲得AGV前輪期望導向角，實現AGV沿預設直線壟道行駛的無障礙導航。基于滾動優(yōu)化原理提出了調節(jié)航向偏角Δθ和調節(jié)車速Δv的避障導航策略，設計了AGV繞行靜態(tài)障礙物、減速或停車避讓動態(tài)障礙物的導航算法?；贚abVIEW平臺開發(fā)了A

6、GV避障導航的測控程序，實時獲取超聲波傳感器、航姿傳感器和編碼器數據進行導航模型解算，實現AGV避障導航行駛。
　　6、開展了AGV沿直線壟道行駛的避障導航模擬試驗，結果表明:無障礙導航算法可導引AGV沿壟道預設直線路徑糾偏行駛，防碰避障導航算法可導引AGV避免與壟道上的障礙物發(fā)生碰撞，驗證了導航算法的有效性，可為無人化輪式拖拉機等前輪導向車輛沿直線壟道循跡的防碰預警與避障技術提供參考。
　　最后，總結了本文的主要創(chuàng)新之處和