精准农业中的农机自动导航控制技术课件.pptx

1、精准农精准农业中业中的的农机自农机自动导航控制技术动导航控制技术报报告告提纲提纲 精准农业精准农业 农机导航技术研究现状农机导航技术研究现状 未来农机导航技术发展趋势未来农机导航技术发展趋势 结束语结束语农农业业鼻祖鼻祖斲木为耜，揉木为耒，耒耨之用，以教万人。始教耕。故号神农氏。史记三皇本纪原原始始农业农业传传统统农业农业传传统统农业农业锄禾日当午，汗滴禾下土，谁知盘中餐，粒粒皆辛苦。现现代代农业农业现现代代农业农业精精准准农业农业农机自动导航农机自动导航精量播种施肥精量播种施肥变量喷洒农药变量喷洒农药收获自动测产收获自动测产精精准准农业农业 世世界界现代现代农农业的业的主主要发要发展展趋势趋

2、势 美国美国70%、英国、英国15%、德德国国10%精准精准农农业技业技术术研究研究和和应用应用效效果显果显著著 节约灌溉水：节约灌溉水：50%节约化肥：节约化肥：30%节约农药：节约农药：30%降低生产成本：降低生产成本：20%精精准准播种施肥播种施肥精精准准喷药喷药精精准准农业农业 精准精准农业农业 精精确的数量确的数量 准准确的时间、地点、方式确的时间、地点、方式精精准准农业技术体系农业技术体系精准作业精准作业准确的时间、地点、方式、数量准确的时间、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决策生成分分 决决析影响作

3、物生长的环境因素的时空差异析影响作物生长的环境因素的时空差异 定如何定如何对作物栽培管理实施按需投入对作物栽培管理实施按需投入析处理田间采集到的数据析处理田间采集到的数据 定土壤水分、肥力、定土壤水分、肥力、作物长势、病虫草害作物长势、病虫草害数据分析数据分析分分 确确数据采集数据采集卫星遥感、航空遥感、近地遥感卫星遥感、航空遥感、近地遥感 田间数据采集、车载产量检测田间数据采集、车载产量检测农农机机自动导航控自动导航控制制技术技术报报告告提纲提纲 精准农业精准农业 农机导航技术研究现状农机导航技术研究现状 未来农机导航技术发展趋势未来农机导航技术发展趋势 结束语结束语 我在 我要 我怎哪？位

4、置测量 传 去哪里？路径规划 农 么去？路径跟踪 转感器 机模型 向控制农农机机自动导航自动导航农农机机自动导航自动导航导航传感器导航传感器位置、航向位置、航向车轮转角车轮转角农机运动模型农机运动模型运动学模型运动学模型动力学模型动力学模型导航规划导航规划直线跟踪直线跟踪曲线跟踪曲线跟踪转向角转向角转向控制转向控制PID控制控制智能控制智能控制农机农机状态状态运动运动状态状态农机农机 状态状态运动运动 状态状态农机状态农机状态早早期期导航传感器导航传感器 1 192920 0s s Steering attachment for tractors（US Patent）1 19 93 30 0s

5、 s 利用绕在一个大圆筒上的钢琴利用绕在一个大圆筒上的钢琴弦弦导航导航 1 19 97 70 0s s 低频、低电流线圈导航低频、低电流线圈导航 1 198980 0s s 机器视觉导航机器视觉导航主主要要导航传感器导航传感器 机机械械触手触手 机器机器视觉视觉 激光激光主主要要导航传感器导航传感器 卫星卫星导航导航位位置置测量测量(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3)(x4,y4,z4)(x,y,z)d1d2d3d4x1 x y1 y z1 z222 cvt1 vt 0 d1x2 x y2 y z2 z cvt 2 vt 0 d2 222x3 x y3 y z z cv

6、t 3 vt 0 d3x4 x y4 y z z cv 4 v 0 d42224tt2223 单点单点动动态定态定位位位位置置测量测量 伪距伪距差差分分（D DG GP PS S）动）动态态定定位位位位置置测量测量 载波载波相相位差位差分分（R RT TK K）动态）动态定位定位全全球球导航卫星系导航卫星系统统（GNSS）Global Navigation Satellite System空空间间星座星座 2 24-4-3 35 5颗卫星颗卫星 分布分布在在3 3-6 6个个轨轨道平道平面面 平均平均轨轨道道高高度度1 19 91 10 00 0-2 23 36 61 16 6k km m 转

7、道转道倾倾角角5 55 5-6 65 5度度 周期周期1 11 1-1 14 4小时小时地地面面控制系统控制系统 主主控控站站 管理、协调地面监控系统各部分的工作；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；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；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。卫星维护与异常情况处理。监监测测站站 接收卫星数据，采集气象信息；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。将所收集到的数据传送给主控站。注注入入站站 将导航电文注将导航电文注入入GPS卫星卫星用用户

8、户设备设备全全球球导航卫星系导航卫星系统统（GNSS）GPS（Global Positioning System）空间空间星座星座 21 颗工作卫星颗工作卫星 3 颗备用卫星颗备用卫星 6 个轨道面个轨道面 轨道倾轨道倾角角55度度 平均轨道高平均轨道高度度20200km 周周期期11小小时时 58分钟分钟GPS（Global Positioning System）地面地面控控制系制系统统 主控站主控站：1个个 监测站监测站：5个个 注入站注入站：3个个GPS卫星 注入站 监测站 主控站 GPS 工作工作频率频率 L1：1574.42MHz10MHz L2：1227.60MHz10MHz L5

9、：1176.45MHz10MHz 测量测量精度精度 定位定位：5-10m（C/A码码）、1-2m（P 码）码）授时授时：20ns 测速测速：0.1m/sGLONASS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）空间空间星座星座 21 颗工作卫星颗工作卫星 3 颗备用卫星颗备用卫星 3 个轨道面个轨道面 轨道倾轨道倾角角64.8度度 平均轨道高平均轨道高度度19100km 周周期期11小小时时 15分钟分钟 地面地面控控制系制系统统 系统控制中心（系统控制中心（SCC）中央同步器中央同步器（SC）指令和跟踪站（指令和跟踪站（CTS）相位控制系统（相位控制系统（PCS）

10、光量子跟踪站（光量子跟踪站（QOTS）导航字组控制设备导航字组控制设备（NFCE）GLONASSGLONASS 工作工作频率频率 L1：1.6021.616MHz L2：1.2461.256MHz（军（军用用）测量测量精度精度 定位定位：10-15m 授时授时：20-30ns 测速测速：0.01m/sGalileo 空间空间星座星座 27 颗工作卫星颗工作卫星 3 颗备用卫星颗备用卫星 3 个轨道面个轨道面 轨道倾轨道倾角角56度度 平均轨道高平均轨道高度度23616km 周周期期14小小时时 22分钟分钟 地面地面控控制系制系统统 控制中心（控制中心（GCC，2个）个）法国法国 意大利意大利

11、 上行站（上行站（GUS，14个）个）遥测跟踪控制遥测跟踪控制（TCC，5个）个）任务上行链路任务上行链路（ULS，9个）个）传感器站（传感器站（GSS，30个）个）GalileoGalileo 工作工作频率频率 E2-L1-E1：1575.42 MHz E6：1278.75 MHz E5b：1207.14 MHz E5a：1176.45 MHz 测量测量精度精度 定位定位：4-6m 授时授时：50ns北斗北斗 空间空间星座星座 5 颗静止轨道卫星颗静止轨道卫星（5）27 颗中轨道卫星颗中轨道卫星（4）3 颗倾斜同步轨道卫星颗倾斜同步轨道卫星（5）3 个轨道面个轨道面 轨道倾轨道倾角角55度度

12、 平均轨道高平均轨道高度度21500km 地面地面控控制系制系统统 主控站主控站 测轨站测轨站 测高站测高站 校正站校正站北斗北斗北斗北斗 工作工作频率频率 B1：1561.098 MHz2.046MHz B2：1207.14 MHz2.046MHz B3：1268.52 MHz10.23MHz 测量测量精度精度 定位定位：10m 授时授时：50ns 测速测速：0.2m/s农农机机自动导航自动导航导航传感器导航传感器位置、航向位置、航向车轮转角车轮转角农机运动模型农机运动模型运动学模型运动学模型动力学模型动力学模型导航规划导航规划直线跟踪直线跟踪曲线跟踪曲线跟踪转向角转向角转向控制转向控制PI

13、D控制控制智能控制智能控制农机农机状态状态运动运动状态状态农机农机 状态状态运动运动 状态状态农机状态农机状态农农机机运动模型运动模型 二轮二轮车车模模型型YGXGvttOLtCxt vt cosyt vt sinv tan tttttL农农机机运动模型运动模型 纯几纯几何何跟跟踪踪模型模型 转弯曲率转弯曲率 2(d cos(e)sin(e)期望转角期望转角V XVYCRRePATHd QLdLG(Vx,Vy)MNPHL 2 d 2)/L 2ddLd 2 d 2)/Ld 2)arctan(2L(d cos(e)sin(e)导导航航路径规划路径规划B1B2BnA1A2AnWd导导航航路径规划路径

14、规划 基基于于A A-B B线的线的路路径规径规划划ABCDQ1OQA1B1C1D1O1W导导航航路径规划路径规划 基于基于边边界线界线的的路径路径规划规划农农机机转向控制转向控制 光靶光靶导航导航农农机机转向控制转向控制 辅助辅助驾驶驾驶农农机机转向控制转向控制 自动自动驾驶驾驶国国外外农机导航产品农机导航产品国国外外农机导航产品农机导航产品 John DeereGreenStar Lightbar 光靶引导系统光靶引导系统GreenStar AutoTrac 自动驾驶系统自动驾驶系统John Deere GreenStar Lightbar 光靶光靶引引导系导系统统 StarFire 30

15、0 接收机接收机 Greenstar 光靶光靶John Deere GreenStar AutoTrac 自动自动驾驾驶系驶系统统 StarFire 300/3000 接收机接收机 Greenstar 1800/2630显示器显示器 ATU 200 驾驶套件驾驶套件StarFire 3000 主要主要特点特点 多种精度多种精度（SF1、SF2、RTK）双系双系统统 （GPS、GLONASS）高灵敏度（能捕获地平线高灵敏度（能捕获地平线上上5度的度的卫卫星星）适用于所适用于所有有JohnDeere导导航航系系统统GreenStar ATU 200 驾驾驶驶套件套件 主要主要特点特点 安装简便安装

16、简便 适用性广适用性广 提高生产效率提高生产效率 降低生产成本降低生产成本 减少操作失误减少操作失误导导航航精度精度信号信号导航精度导航精度适用范围适用范围SF130cm耕地、喷药、饲草应用耕地、喷药、饲草应用SF210cm耕地、喷药、播种、收获耕地、喷药、播种、收获RTK2cm所有作业所有作业John Deere国国外外农机导航产品农机导航产品 Trimble EZ-Steer 辅助驾驶辅助驾驶 EZ-Pilot辅助驾驶辅助驾驶 Autopilot 自动驾驶自动驾驶Trimble E EZ-Z-S St te eerer 辅辅助助驾驶驾驶系统系统 适用于适用于1200多种多种农农机机 提供多

17、种导航精度提供多种导航精度 T2 地形补偿技术地形补偿技术 安装简便安装简便Trimble E EZ-Z-P Pi il lotot 辅辅助助驾驶驾驶系统系统 适用于多种农机适用于多种农机 提供多种导航精度提供多种导航精度 T3 地形补偿技术地形补偿技术Trimble A Au ut to op pi il lo ot t 自动驾驶自动驾驶系统系统 直接与农机液压系统集成直接与农机液压系统集成 提供多种导航精度提供多种导航精度 T3 地形补偿技术地形补偿技术导导航航精度精度国国外外农机导航产品农机导航产品 Topcon System 110 光靶引导系统光靶引导系统 System 150 自动

18、驾驶系统自动驾驶系统 System 200 一体化控制系统一体化控制系统 System 250 G3一体化自动驾驶系统一体化自动驾驶系统Topcon System 110 光靶光靶引引导系导系统统 GX-45 控制器控制器 AGE 接收机接收机 ASC-10 电子控制器电子控制器 光靶吸盘光靶吸盘 自动自动驾驾驶系驶系统统 GX-45 控制器控制器 AGI-3 RTK 接收机接收机 AES-25 电动精确驾驶方向盘电动精确驾驶方向盘 直接界面驾驶控制器直接界面驾驶控制器 液压驾驶控制器液压驾驶控制器Topcon System 150/200/250电电动动精确驾驶方精确驾驶方向向盘盘 适用适用

19、系统系统 System 150/200/250 主要主要特性特性 能提供快速、高精度自动驾驶能提供快速、高精度自动驾驶 可达可达到到2cm精度精度 适合于所有地形状况适合于所有地形状况直直接接界面驾驶控界面驾驶控制制器器 适用适用系统系统 System 150/250 主要主要特性特性 标准总线接口界面标准总线接口界面 自动调节拖拉机液压阀自动调节拖拉机液压阀 适合于目前市面上的所有机车适合于目前市面上的所有机车液液压压驾驶控制驾驶控制 适用适用系统系统 System 200/250 主要主要特性特性 需安装液压控制阀需安装液压控制阀 需安装车轮角度传感器需安装车轮角度传感器 能自动驾驶拖拉机

20、、收割机等能自动驾驶拖拉机、收割机等精精度度选择选择精精度度选择选择Topcon国国内内农机导航技农机导航技术术研研究究 华南华南农农业大业大学学国国内内农机导航技农机导航技术术研研究究 中国中国农农业大业大学学国国内内农机导航技农机导航技术术研研究究 中国中国农农业机业机械械化科化科学学研究研究院院国国内内农机导航技农机导航技术术研究研究 北京北京农农业信业信息息技术技术研研究中究中心心（国（国家家农农业业信信息息化化工工程程技技术术研研究究中中心心）国国内内农机导航技农机导航技术术研研究究 中国中国科科学院学院沈沈阳自阳自动动化研化研究所究所现代农业精现代农业精准作准作业业测控测控技技术实

21、术实验验室室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MultisimKeil MDK-ARMLabVIEW79/30组合导航实验台组合导航实验台农机转向控制实验台农机转向控制实验台变量喷药实验台变量喷药实验台现代农业精现代农业精准作准作业业测控测控技技术实术实验验室室 近近年年来来承承担担的相关的相关科科研项研项目目 院知识创新工程重要方向性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现代农业精准作业测控技术与与核心核心装装置研置研发发（KGCX2-YW-138）国家国家863计划项目计划项目 切纵流智能控制稻麦联合收切纵流智能控制稻麦联合收割割

22、机导机导航航控制控制技技术研究术研究与与开发开发（2010AA101402-4）基于物联网的联合收割机群基于物联网的联合收割机群协协同作同作业业技术技术研研发与示范发与示范（2013AA040403）国家科技支撑计划项目国家科技支撑计划项目 农业装备分布式控制技术与农业装备分布式控制技术与集集成平成平台台研发研发（2011BAD20B0603）现代农业精现代农业精准作准作业业测控测控技技术实术实验验室室 主要研究成果主要研究成果农机智能化集成平台农机智能化集成平台大型联合收割机自动导航系统大型联合收割机自动导航系统自动导航变量喷药机自动导航变量喷药机插秧机自动导航与作业系统插秧机自动导航与作业

23、系统现代农业精现代农业精准作准作业业测控测控技技术实术实验验室室82/32农农机机智能化集成智能化集成平平台台 核心装置核心装置 模块化、规范化、平台化模块化、规范化、平台化 ARMARM9 9 核心核心 1010”LCLCD D 触触摸摸屏屏 CACAN N 接口接口 WindWindo ow ws s C CE E 平台平台田田间间计算机计算机 系统配置系统配置 任务管理任务管理 路径规划路径规划 作业监控作业监控田田间间计算机计算机转转向向控制装置控制装置 机械式机械式转转向向控制装置控制装置 液压式液压式 A AR RM M9 9 核心核心 S SD D卡卡 C CANAN 接口接口

24、导航导航控控制算制算法法导导航航控制器控制器 连杆连杆转转动动式式 直线直线位位移移式式 智能智能检检测测器器车车轮轮转角检测器转角检测器 A AR RM M9 9 核心核心 u uc cO OS S-I II I系统系统 C CANAN 接口接口 变量变量作作业控业控制制算算法法变变量量作业控制器作业控制器 智智能能 C CANAN 节点节点 RS232/485 DI、DO AD 农机农机总线总线 ISO 11783协协议议栈栈 导航应用协议导航应用协议分分布布式控制通信式控制通信平平台台农农机机导航集成平台导航集成平台92/45变变量量作业控制集作业控制集成成平台平台核核心心装置检测装置检

25、测联联合合收割机导航收割机导航系系统统国内第一套大型联合收割机自主导航系统国内第一套大型联合收割机自主导航系统 国国家家“8“86 63 3”计计划划项项目研究目研究成成果果稻麦联合收割机稻麦联合收割机长 x 宽 x 高8.84.974.1 m轮距（前/后）2.45/2.23 m转向半径8 m额定功率128 kw联联合合收割机导航收割机导航系系统统 柏油路面柏油路面 平均误平均误差差 5.6厘米（直线）厘米（直线）平均误平均误差差 8.4厘米（曲线）厘米（曲线）稻田稻田 平均误平均误差差 11.2厘米（直线）厘米（直线）平均误平均误差差 15.7厘米（曲线）厘米（曲线）江苏省农业机械 试验鉴定

26、站2011年年9月月 组织组织单位单位 中国机械工业联合会中国机械工业联合会 鉴定鉴定结论结论 该成果在大型联合收割机自动该成果在大型联合收割机自动导导航控航控制制技术技术 研究及导航控制系统设计开发研究及导航控制系统设计开发方方面，面，取取得了得了 具有创新性的成果，达到具有创新性的成果，达到了了国国际际先进先进水水平平。成成果果鉴定鉴定2011年年11月月97/45自自动动导航变量喷导航变量喷药药机机 国国家家“十十二二五五”科科技技支撑计支撑计划划项目研项目研究究成成果果药 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变变量量喷药喷药地速传感器自

27、自动动导航导航自自动动导航与变量导航与变量喷喷药药 检测检测方法方法“A-B”直线导航模式直线导航模式 50米距离直线控制自动米距离直线控制自动运运行行 速度设定速度设定：3、5、7km/h 检检测测结果结果自自动动导航与变量导航与变量喷喷药药2013年年7月月导航误差导航误差变量喷药控制误差变量喷药控制误差1.7cm5%报报告告提纲提纲 精准农业精准农业 农机导航技术研究现状农机导航技术研究现状 未来农机导航技术发展趋势未来农机导航技术发展趋势 结束语结束语高高级级导航技术导航技术地形地形补偿补偿自动转弯自动转弯主动主动避障避障多机协同多机协同协协同同作业作业农农机机物联网物联网报报告告提纲提纲 精准农业精准农业 农机导航技术研究现状农机导航技术研究现状 未来农机导航技术发展趋势未来农机导航技术发展趋势 结束语结束语结束语结束语 精精准准农农业业世界现代农业发展的必然趋势世界现代农业发展的必然趋势 智智能控能控制制技技术术精准农业的重要支撑技术精准农业的重要支撑技术 农农机自机自动动导航导航控控制技制技术术农机精准作业的核心技术农机精准作业的核心技术