精准农业中的农机自动导航控制技术_图文
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– 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
• 地面控制系统
– 主控站：1个 – 监测站：5个 – 注入站：3个
监测站
G P S卫 星
主控站
注入站
GPS
• 工作频率
– L1：1574.42MHz±10MHz – L2：1227.60MHz±10MHz – L5：1176.45MHz±10MHz
• 我在哪？
• 位置测量
• 我要去哪里？ • 路径规划
• 我怎么去？ • 路径跟踪
• 传感器 • 农机模型 • 转向控制
导航传感器
位置、航向 车轮转角
农机 状态
农机状态
农机 状态
运动 状态
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
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
运动 状态
• 1920s
国内第一套大型联合收割机自主导航系统
• 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）
2011年9月
江苏省农业机械 试验鉴定站
• 组织单位
– 中国机械工业联合会
• 鉴定结论
2011年11月
– 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。
• Topcon
– System 110 光靶引导系统 – System 150 自动驾驶系统 – System 200 一体化控制系统 – System 250 G3一体化自动驾驶系统
• 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
• 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
信号 SF1 SF2 RTK
导航精度
适用范围
±30cm 耕地、喷药、饲草应用
±10cm 耕地、喷药、播种、收获
±2cm 所有作业
• Trimble
– EZ-Steer 辅助驾驶 – EZ-Pilot 辅助驾驶 – Autopilot 自动驾驶
• ARM9 核心 • 10” LCD 触摸屏 • CAN 接口 • Windows CE 平台
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
• 连杆转动式 • 直线位移式 • 智能检测器
• ARM9 核心 • ucOS-II系统 • CAN 接口 • 变量作业控制算法
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
97/45
处方图
地速传感器 变量控制器
药
箱
比例阀
GPS信息
分
水
隔膜泵
涡轮流量计
压力 传感器
器
电磁阀 98/45
• 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： 3、5、7km/h
• 检测结果
2013年7月
• 自动驾驶系统
– StarFire 300/3000 接收机 – Greenstar 1800/2630显示器 – ATU 200 驾驶套件
• 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
变量喷洒农药 收获自动测产
• 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%
• 精准农业
– 精确的数量 – 准确的时间、地点、方式
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
– Steering attachment for tractors（US Patent）
• 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
• 机械触手 • 机器视觉
• 激光
主要导航传感器
• 卫星导航
• 单点动态定位
(x2,y2,z2)
决处策方生图成 分析影响作物生长的环境因素的时空差异 决 定如何对作物栽培管理实施按需投入
数据分析
分析处理田间采集到的数据 定土壤水分、 确 肥力、作物长势、病虫草害
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
• 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
• 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）
北斗
• 工作频率
– B1：1561.098 MHz±2.046MHz – B2：1207.14 MHz±2.046MHz – B3：1268.52 MHz±10.23MHz
• 测量精度
– 定位：10m – 授时：50ns – 测速：0.2m/s
导航传感器
位置、航向 车轮转角
农机 状态
农机状态
农机 状态
精准农业中的农机自动导航控制技术_图文 .pptx
• 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
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》
锄禾日当午， 汗滴禾下土， 谁知盘中餐， 粒粒皆辛苦。
农机自动导航 精量播种施肥
运动 状态
导航规划
直线跟踪 曲线跟踪
Hale Waihona Puke Baidu
转向角
转向控制
PID控制 智能控制
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
运动 状态
• 二轮车模型
YG
δ
O
δ
Lt
vt
φt
C
XG
xt vt cost
yt vt sin t
t
vt
tan
Lt
θe
γ VY
G(Vx,Vy)
• 纯几何跟踪模型
• 智能 CAN 节点
– RS232/485 – DI、DO – AD
• 农机总线
– ISO 11783协议栈 – 导航应用协议
92/45
• 国家“863”计划项目研究成果
稻麦联合收割机
长x宽x高
8.8×4.97×4.1 m
轮距（前/后） 2.45 / 2.23 m
转向半径
8m
额定功率
128 kw
• 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
• 空间星座
• 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
• 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
• 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
– GX-45 控制器 – AGI-3 RTK 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
• 适用系统
– System 150/200/250
• 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
• 适用系统
– System 150/250
(x3,y3,z3)
(x4,y4,z4)
(x1,y1,z1)
d2
x1
x 2
y1
y 2
z1
z 2
cvt1
vt0
d1
d1
x2 x y2 y2 z2 z2 cvt2 vt0 d2 2 x3 x2 y3 y2 z 3 z2 cvt3 vt0 d3 x4 x2 y4 y2 z 4 z2 cvt4 vt0 d4
• 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
核心装置
• 模块化、规范化、平台化
82/32
• 系统配置 • 任务管理 • 路径规划 • 作业监控
LabVIEW
78/30
现代农业精准作业测控技术实验室
组合导航实验台
农机转向控制实验台
变量喷药实验台
79/30
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）
– 传感器站（GSS，30个）
• 工作频率
– E2-L1-E1：1575.42 MHz – E6：1278.75 MHz – E5b：1207.14 MHz – E5a：1176.45 MHz
• 测量精度
– 定位：4-6m – 授时：50ns
• 空间星座
北斗
北斗
• 地面控制系统
– 主控站 – 测轨站 – 测高站 – 校正站
– 转弯曲率
2(d cos(e ) sin(e )
L 2 d2)/L 2
d
d
– 期望转角
Ld
L P dQ
M
N
R
H
PATH
VX
R Φ C
arctan(2L(d cos(e ) sin(e ) Ld 2 d 2 ) / Ld 2 )
• 基于A-B线的路径规划
B1 B2
• 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
• 适用系统
– System 200/250
• 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
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
d3
d4
(x,y,z)
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
Global Navigation Satellite System
• 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
Bn
A1
A2
An
• 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
• John Deere
– GreenStar Lightbar 光靶引导系统 – GreenStar AutoTrac 自动驾驶系统
• 光靶引导系统
– StarFire 300 接收机 – Greenstar 光靶
国内农机导航技术研究
• 中国农业机械化科学研究院
• 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
拖拉机
插秧机
种肥机
喷药机
精密电源
精密万用表
波形发生器
多功能校准仪
Multisim
Keil MDK-ARM
导航误差 变量喷药控制误差
1.7cm
5%
• 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
地形补偿 自动转弯 主动避障 多机协同
• 测量精度
– 定位：5-10m（C/A码）、1-2m（P 码） – 授时：20ns – 测速：0.1m/s
• 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）
• 地面控制系统
– 主控站：1个 – 监测站：5个 – 注入站：3个
监测站
G P S卫 星
主控站
注入站
GPS
• 工作频率
– L1：1574.42MHz±10MHz – L2：1227.60MHz±10MHz – L5：1176.45MHz±10MHz
• 我在哪？
• 位置测量
• 我要去哪里？ • 路径规划
• 我怎么去？ • 路径跟踪
• 传感器 • 农机模型 • 转向控制
导航传感器
位置、航向 车轮转角
农机 状态
农机状态
农机 状态
运动 状态
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
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
运动 状态
• 1920s
国内第一套大型联合收割机自主导航系统
• 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）
2011年9月
江苏省农业机械 试验鉴定站
• 组织单位
– 中国机械工业联合会
• 鉴定结论
2011年11月
– 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。
• Topcon
– System 110 光靶引导系统 – System 150 自动驾驶系统 – System 200 一体化控制系统 – System 250 G3一体化自动驾驶系统
• 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
• 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
信号 SF1 SF2 RTK
导航精度
适用范围
±30cm 耕地、喷药、饲草应用
±10cm 耕地、喷药、播种、收获
±2cm 所有作业
• Trimble
– EZ-Steer 辅助驾驶 – EZ-Pilot 辅助驾驶 – Autopilot 自动驾驶
• ARM9 核心 • 10” LCD 触摸屏 • CAN 接口 • Windows CE 平台
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
• 连杆转动式 • 直线位移式 • 智能检测器
• ARM9 核心 • ucOS-II系统 • CAN 接口 • 变量作业控制算法
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
97/45
处方图
地速传感器 变量控制器
药
箱
比例阀
GPS信息
分
水
隔膜泵
涡轮流量计
压力 传感器
器
电磁阀 98/45
• 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： 3、5、7km/h
• 检测结果
2013年7月
• 自动驾驶系统
– StarFire 300/3000 接收机 – Greenstar 1800/2630显示器 – ATU 200 驾驶套件
• 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
变量喷洒农药 收获自动测产
• 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%
• 精准农业
– 精确的数量 – 准确的时间、地点、方式
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
– Steering attachment for tractors（US Patent）
• 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
• 机械触手 • 机器视觉
• 激光
主要导航传感器
• 卫星导航
• 单点动态定位
(x2,y2,z2)
决处策方生图成 分析影响作物生长的环境因素的时空差异 决 定如何对作物栽培管理实施按需投入
数据分析
分析处理田间采集到的数据 定土壤水分、 确 肥力、作物长势、病虫草害
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
• 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
• 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）
北斗
• 工作频率
– B1：1561.098 MHz±2.046MHz – B2：1207.14 MHz±2.046MHz – B3：1268.52 MHz±10.23MHz
• 测量精度
– 定位：10m – 授时：50ns – 测速：0.2m/s
导航传感器
位置、航向 车轮转角
农机 状态
农机状态
农机 状态
精准农业中的农机自动导航控制技术_图文 .pptx
• 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
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》
锄禾日当午， 汗滴禾下土， 谁知盘中餐， 粒粒皆辛苦。
农机自动导航 精量播种施肥
运动 状态
导航规划
直线跟踪 曲线跟踪
Hale Waihona Puke Baidu
转向角
转向控制
PID控制 智能控制
农机运动模型
运动学模型 动力学模型
运动 状态
• 二轮车模型
YG
δ
O
δ
Lt
vt
φt
C
XG
xt vt cost
yt vt sin t
t
vt
tan
Lt
θe
γ VY
G(Vx,Vy)
• 纯几何跟踪模型
• 智能 CAN 节点
– RS232/485 – DI、DO – AD
• 农机总线
– ISO 11783协议栈 – 导航应用协议
92/45
• 国家“863”计划项目研究成果
稻麦联合收割机
长x宽x高
8.8×4.97×4.1 m
轮距（前/后） 2.45 / 2.23 m
转向半径
8m
额定功率
128 kw
• 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
• 空间星座
• 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
• 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
• 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
– GX-45 控制器 – AGI-3 RTK 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
• 适用系统
– System 150/200/250
• 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
• 适用系统
– System 150/250
(x3,y3,z3)
(x4,y4,z4)
(x1,y1,z1)
d2
x1
x 2
y1
y 2
z1
z 2
cvt1
vt0
d1
d1
x2 x y2 y2 z2 z2 cvt2 vt0 d2 2 x3 x2 y3 y2 z 3 z2 cvt3 vt0 d3 x4 x2 y4 y2 z 4 z2 cvt4 vt0 d4
• 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
核心装置
• 模块化、规范化、平台化
82/32
• 系统配置 • 任务管理 • 路径规划 • 作业监控
LabVIEW
78/30
现代农业精准作业测控技术实验室
组合导航实验台
农机转向控制实验台
变量喷药实验台
79/30
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）
– 传感器站（GSS，30个）
• 工作频率
– E2-L1-E1：1575.42 MHz – E6：1278.75 MHz – E5b：1207.14 MHz – E5a：1176.45 MHz
• 测量精度
– 定位：4-6m – 授时：50ns
• 空间星座
北斗
北斗
• 地面控制系统
– 主控站 – 测轨站 – 测高站 – 校正站
– 转弯曲率
2(d cos(e ) sin(e )
L 2 d2)/L 2
d
d
– 期望转角
Ld
L P dQ
M
N
R
H
PATH
VX
R Φ C
arctan(2L(d cos(e ) sin(e ) Ld 2 d 2 ) / Ld 2 )
• 基于A-B线的路径规划
B1 B2
• 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
• 适用系统
– System 200/250
• 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
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
d3
d4
(x,y,z)
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
Global Navigation Satellite System
• 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
Bn
A1
A2
An
• 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
• John Deere
– GreenStar Lightbar 光靶引导系统 – GreenStar AutoTrac 自动驾驶系统
• 光靶引导系统
– StarFire 300 接收机 – Greenstar 光靶
国内农机导航技术研究
• 中国农业机械化科学研究院
• 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
拖拉机
插秧机
种肥机
喷药机
精密电源
精密万用表
波形发生器
多功能校准仪
Multisim
Keil MDK-ARM
导航误差 变量喷药控制误差
1.7cm
5%
• 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
地形补偿 自动转弯 主动避障 多机协同
• 测量精度
– 定位：5-10m（C/A码）、1-2m（P 码） – 授时：20ns – 测速：0.1m/s
• 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）