导航与控制

导航与控制（共12篇）

导航与控制 篇1

从一人一天到多人多天、从太空行走到交会对接、从自控到人控、从试验飞行到应用飞行……中国航天科技集团五院502所相关负责人2013年6月28日表示, 14年来, 该所研制的飞船GNC (制导、导航与控制) 系统在创新中走向成熟, 并已为空间站工程建设做好了准备。

GNC是载人航天工程最关键、最重要, 也是难度最大、技术最复杂的系统之一, 负责飞船从发射到返回的全部飞行控制任务, 包括发射之初的逃逸救生控制技术, 在轨运行期间手动控制技术, 两航天器自动和手动交会对接控制技术, 绕飞技术, 返回过程中的落点控制技术等, 其可靠性直接关系任务的成败和航天员安全。

导航与控制 篇2

硅微技术在导航、制导与控制中的应用及发展趋势

主要对近几年来微机电系统的技术进步和应用情况作了介绍,特别对基于微机电技术的敏感器和执行机构在航空和航天领域的导航、制导和控制方面的`应用进展作了较为详细的叙述,最后指出了MEMS技术的发展趋势和目前正在突破的关键技术.

作 者：周凤岐 刘智平周军 ZHOU Feng-qi LIU Zhi-ping ZHOU Jun 作者单位：西北工业大学,航天学院,陕西,西安,710072刊 名：测控技术 ISTIC PKU英文刊名：MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY年，卷(期)：26(3)分类号：V241关键词：硅微敏感器 导航、制导与控制 执行机构 噪声模型

激光导航叉车的设计与应用 篇3

关键词：自动导引叉车；重载；激光导航；倾斜油缸

中图分类号：F253.9 文献标识码：A

Abstract： This article introduce the design and apply of one new LGV（laser guided vehicle）. And explain the design of lift. This LGV can afford 3tons， now this kind of LGV have already applied into the rohot spray production line， the using effect can satisfy design requirement.

Key words： AGV； heavy load； laser guide； inclined cylinder

自动导引车（Automated Guided Vehicle，AGV）是一种物料搬运设备，AGV上装备有自动导引的导向系统，可以保障沿预定的路线自动行驶。其中基于配备激光导航的自动导引车习惯上被称为LGV（Laser Guided Vehicle）。LGV中的激光导航叉车由于具有定位精度高、系统柔性好、运行速度快等突出特点在自动化仓库、烟草行业及其它工业领域已经得到了广泛应用。由于传统式激光导航叉车都是根据现有市场上的整体式叉车进行改造，无法满足非标生产线的使用要求。本文将详细介绍一种新型自主研发的激光式导航叉车，并在国内某生产厂商的机器人喷涂生产线上得到应用。

1 激光导航叉车的总体结构

激光导航叉车的外形图如图1、图2所示，叉车采用两个定向随动后轮，前面中间部分一个主驱动轮的三轮结构，由于叉车承载的货物（机器人）主要在车体的后端，所以随动轮起主要承载作用，单个驱动轮起驱动车体作用，由于采用立式安装，节省了车体的长度和宽度尺寸，使车体更加紧凑。车体的运行中心为两随动轮与车体中心线交汇处。驱动轮采用直径350mm的聚氨酯包胶驱动单元。运行功率为5Kw。车体能达到的最大速度为60m/min，拐弯或是接近停车站点时30m/min。车体的主要结构见图3所示。

2 激光导航叉车的导航系统

本项目中叉车使用专用激光测量传感器，该传感器使用红外波段低能量脉冲式激光，且不使用传统的点式光源的光路，激光的光路发散，可保证在任何情况下均不会对人眼造成伤害，该传感器使用“测距+测角”的测量算法，使用专用处理计算位置信息，即保证了系统的测量速度，又提高了测量的可靠性和精度。在AGV行驶过程中，车上的激光检测扫描头不断地扫描周围环境，只要扫描到3个或3个以上的反光支柱即可根据它们的坐标值以及各块反射支柱相对于车体纵向轴的方位角，并由控制器算出车体在全局坐标系中的当前X、Y坐标和当前行驶方向与该坐标系X轴的正向夹角，实现其准确定位。如图4所示激光头与反光板。

3 激光导航叉车的门架倾斜油缸设计

本项目中激光导航叉车承载的机器人规格分别为3吨、1.4吨、0.8吨、0.5吨等，重心离货叉根部距离为700mm。整体需要提升的高度为900mm，所以门架的设计需要按最大承载3吨进行设计，行程按1 000mm设计。此门架的设计难点为倾斜油缸的设计（如图5所示），倾斜油缸在LGV中的门架中主要作用通过后倾防止货物在搬运的过程途中滑落，提高LGV在搬运过程中的稳定性，现将其受力分析及油缸结构尺寸设计原理叙述如下：

（1）由于货物的中心距离货叉根部700mm，鉴于货叉靴的尺寸并根据强度计算，货叉选用宽125mm*厚50mm*长度为1 200mm，材料为33MnCrTiB。根据悬臂梁结构的计算公司得出：

（4）由于门架底部铰点固定，倾斜油缸支座的位置是固定的，所以根据其倾斜角度算出倾斜油缸活塞杆的行程。

4 结束语

导航与控制 篇4

井下深部矿藏资源开采有利于满足矿产资源生产和发展需求,对于缓解资源紧张形势有积极意义。但需要注意的是,在开采深部矿藏资源过程中,如何利用技术手段解决生产安全问题和提升采矿产量与效率至关重要,而无人矿山已经成为了科技人员和矿山企业的发展方向,无人采矿技术越来越受到人们重视。无人采矿技术是对传统采矿工艺的颠覆,能够实现采矿流程的自动化,提升采矿效率,解决深井采矿的安全问题。在无人采矿技术的应用中,采矿技术装备导航与控制是关键所在,要想真正实现无人采矿,需要突破技术装备导航与控制技术瓶颈。

1 当前井下采矿面临的问题

1.1 重大灾害事故频繁

井下采矿环境复杂,空气稀薄且通透性较差,采矿作业环境十分恶劣,很容易引发安全事故,尤其在安全防范不足的情况下,危险系数较高。漏水、瓦斯爆炸、火灾及坍塌是井下采矿主要的安全事故类型,且诱发灾害事故的因素众多,人为操作不合理、自然环境恶劣、设备问题等都可能导致灾害事故的出现[1]。提升安全防范意识、做好安全管理工作能够降低灾害事故发生概率,但要想从根本上解决安全问题,需要积极研究和应用井下无人采矿技术。

1.2 矿产资源需求量大与资源浪费的矛盾

当今时代,经济和社会发展对矿产资源的需求越来越大,而资源浪费问题却日益严重,这就形成了矿产资源需求量大与资源浪费之间的供需矛盾。中国煤炭资源储藏丰富,但市场需求也较大,每年开采量较多,受限于技术水平和人员思想意识,在开采过程中往往存在资源浪费严重的问题,利用效率较低,解决资源浪费问题迫在眉睫。

1.3 整体技术水平有待提升

自改革开放以来,中国采矿业发展迅猛,采矿技术得到了一定发展,但需要注意的是,中国幅员辽阔,许多矿产区域不仅地形复杂,且地质结构有很大不同,这给采矿作业带来了较大难度,虽然一些先进科技的应用取得了一定成效,但没有从根本上解决采矿技术水平落后的问题[2]。尤其对一些经济落后、环境条件恶劣的地区来说,采矿技术发展十分滞后,甚至还在沿用20世纪70、80年代的采矿设备与工艺。中国井下无人采矿技术的发展还处于起步阶段,整体技术水平和采矿设备相对落后,应用范围还不够广泛,相较于发达国家来说,中国无人采矿事业的发展还有一定差距。

2 无人采矿技术装备导航与控制关键技术

2.1 采掘规划技术

采掘规划主要指的是对资源配置方式的规划,通过选择最优的资源配置方式来提升采掘效率。传统的采掘规划技术是通过可行的办法和简单的动作来实现工作空间从初始状态向目标状态的转化,这种采掘规划技术自动化和智能化程度不足,难以满足无人采矿的要求。因此,需要积极提升采掘规划智能化和自动化程度,实现对挖掘机路径和轨迹规划的全自动化微机控制,以此来满足无人采矿的采掘规划要求。

2.2 装备定位与导航控制技术

井下无人采矿主要以自动化设备为基础,这就需要保证井下采矿装备具备定位和导航功能,通过自动导航控制装备进行作业,从而实现井下无人采矿。近年来,激光雷达在移动机器人领域中的应用越来越广泛,以激光雷达为基础,可以在其它算法中集成位置信息,在不需要标定过程的基础上就能够实现对井下障碍物的检测和跟踪,这对于提升井下采矿装备系统的精度、可靠性有重要作用[3]。井下采矿作业环境有着复杂性的特点,矿质粉尘较多、空气稀薄、通透性和可见度较低,这不利于GPS系统和视觉系统对井下采矿装备的定位和导航控制。电磁引导控制方式则能够有效解决这个问题,通过低频来引导电缆形成电磁场,借助电磁传感器装置引导井下采矿设备的移动,结合视觉信标导航系统实现井下装备的自动定位和导航控制。此外,还可以利用超声波传感器实现井下装备定位和导航控制,通过超声波传感器能够对井下移动的装备与巷道之间的距离信息进行测定,通过信息分析控制移动装备的位置控制,以路标为基础来对井下采矿设备进行定位和导航,有效提升了定位与导航控制的精确性。

2.3 井下技术设备自动控制技术

井下采矿面临着隧道工程和地下矿山等复杂、恶劣的作业环境,要想实现井下无人采矿,需要实现井下技术设备的自动化控制。20世纪70年代,中国开始了对铲运机视距遥控技术的研究,操作人员可以独立于作业危险区域范围之外,以遥控的方式对铲运机进行控制,控制效果良好,且保证了井下采矿作业的安全性。随着智能化技术、自动控制技术的发展,技术设备的自动控制越来越受到研究人员关注,提升井下技术设备的自动控制水平成为了新时期井下无人采矿技术发展的主要方向。日本小松公司研制出了一种井下无人采矿卡车,将全球卫星定位系统与耦合脉冲激光校准制导系统相结合,在井下采矿作业中,一旦卡车形势与标准行驶路线偏离,则控制终端会自动接收到告警信息,从而发出控制指令,控制采矿卡车回到正确的行驶路线上,有效提升了井下采矿的自动化水平[4]。此外,通讯技术在井下技术设备自动控制中的应用也逐渐受到关注,通过通讯技术可以将设备控制与操作数据传输回地表控制工作室中,能够实现井下铲运机运行和装卸工作的自动化控制,且能够远程监测和诊断铲运机运行情况,保证井下无人采矿作业的稳定性和安全性。

2.4 目标跟踪技术

要想实现井下无人采矿,需要保证井下设备到达制定的作业地点,这就必须跟踪导航系统规划的路线,目标跟踪技术能够将导航系统规划路径的目标点转换为井下移动采矿设备的执行动作,之后利用运动控制系统将执行动作转换为执行器控制信号,从而实现对设备的导航控制,保证井下移动采矿设备能够跟踪导航系统规划的路线和轨迹。

就目前来看,以无线射频为基础的目标跟踪技术广受关注,其采用射频方式实现非接触式双向通信,工作人员能够识别、跟踪移动、静止等不同状态下的各种井下移动采矿设备,并能够实现与设备的数据交换,这种目标跟踪技术操作简便,信号穿透能力较强,抗干扰能力强,数据传输量较小,不仅能够实现准确的跟踪定位,还能够保证通信的实时性。日本三菱公司研制了一种井下矿石采掘轨迹自动跟踪控制系统,在此系统支持下,井下铲斗能够实现大角度路径挖掘作业。控制中心通过通讯模块能够对井下各车的工作状态、位置等进行跟踪获取,以运筹原理为基础,设置井下各车的优先级,以此为基础自动控制其工作状态和避让状态,保证了井下无人采矿铲运过程的有序化和规范化[5]。

2.5 地形感知技术

井下作业对象较为复杂,地形变化多端,经常会遇到不规则岩石、各种砂砾和不同性质土层,即使采掘地点不断,铲斗也可能遇到不同性质的土壤,要想实现井下无人采矿的全自动化,需要积极采用地形感知技术,随着采掘推进,感知地形环境变化,并自动成像,以此为依据来自动控制采掘作业。就目前来看,超声波技术、激光测距仪、视觉感知技术等都属于地形感知技术范畴。

2.6 运动控制技术

运动控制的主要功能是保证井下采矿装置按照规划的路径自动执行相关动作。从本质上来讲,可以将井下采矿设备看作执行器或执行系统,由几个移动部件组成,通过运动控制技术来保证各个部件进行与周围环境相适应的动作。例如,可以将激光扫描测距仪安装在井下挖掘机上,以此来自动辨识和确定卡车的位置,并探测障碍物和土壤面形状,结合运动控制系统确定挖掘土壤位置,实现对挖掘机的自动化控制,保证挖掘机在挖掘点和卸载点之间高效、快速作业运动。

3 结语

当前中厚煤层开采储量日益下降,社会对矿产资源的需求量逐年递增,面对井下矿产开采的安全性问题、效率低下问题,发展和应用井下无人采矿技术十分必要,而装备导航与控制技术是实现井下无人采矿的关键所在,介绍了井下无人采矿技术装备导航与控制关键技术,旨在进一步推进井下无人采矿技术的应用和发展。

摘要：从井下采矿问题分析着手,着重探讨了井下无人采矿技术装备导航与控制关键技术,旨在进一步促进井下无人采矿技术的应用和发展。

关键词：井下无人采矿,技术装备,导航与控制,关键技术

参考文献

[1]柴晓.井下无人采矿技术装备导航与控制关键技术[J].内蒙古煤炭经济,2016(15):16.

[2]徐龙滨.分析井下无人采矿技术装备导航及关键技术[J].科学中国人,2015(14):61.

[3]方新秋,何杰,郭敏江,等.煤矿无人工作面开采技术研究[J].科技导报,2008(9):56-61.

[4]毛善君.“高科技煤矿”信息化建设的战略思考及关键技术[J].煤炭学报,2014(8):1572-1583.

导航与控制 篇5

基于波束控制的卫星导航接收机抗干扰算法研究

卫星导航接收机抗干扰技术是接收机设计的`一项关键技术.在研究基于功率反演的空域自适应抗干扰算法基础上,提出了采用基于波束控制的抗干扰算法,并进行了仿真计算,结果表明:该算法明显提高了接收机抗干扰性能.

作 者：陈向东 王明诚 李琳 CHEN Xiang-dong WANG Ming-cheng LI Lin 作者单位：北京市5136信箱,北京,100094刊 名：全球定位系统英文刊名：GNSS WORLD OF CHINA年，卷(期)：34(2)分类号：P207关键词：卫星导航接收机 抗干扰 空域自适应 波束控制

导航与控制 篇6

9月27日，高德导航再次扛起免费大旗，宣布高德导航中的人工导航和英文导航等增值服务全部免费（人工导航原价30元/180天、英文导航原价98元），誓将1个月前与百度一同掀起的免费策略进行到底。

8月28日下午3点14分，百度突然宣布旗下应用“百度导航”永久免费。4个小时后，“高德导航”宣布免费。两家竞争对手如此紧锣密鼓地宣布免费，让导航行业弥漫着一股空前的价格战火药味。在此之前，手机用户安装高德导航需要50元，百度导航则需要30元。

高德和百度对市场的联手剿杀效果立竿见影。国内第二大专业地图公司四维图新连续3天时间股价跌停，以至于董事会不得不发公告做出说明，其他的二三线图商希望通过导航产品收费已变得不可能，生存空间日益狭窄。

近日，本刊记者在北京一些汽车用品店发现，汽车导航仪销量在各个门店都有不同程度的下滑，一些店铺的销量甚至只有从前的一半。在京东商城，神行者K700 安卓智能导航仪从799元降到599元，e道航的一款导航仪则从298元降到229元。

近两年来，随着智能手机的普及，越来越多的车主下载使用手机地图、手机导航等移动应用，这本已对传统车载导航仪市场造成了不小的冲击。此次两大行业巨头举起的“免费”大旗，正如一场猛烈的飓风，令整个导航行业更感受伤。

公关暗战背后的竞争逻辑

“高德导航在很早之前就考虑免费，无论从公司的战略和产品的角度来说，都要往免费的方向走。”高德公司董事长兼CEO成从武对《IT时代周刊》说。他还谈到，高德原本打算在8月28日晚7点随财报发布宣布高德导航免费事宜，8月29日召开记者招待会，并在这之前的两个星期里就与手机厂商、新闻媒体沟通，“可能在这个时候走漏了消息”。

两个月前就准备发布会，却在消息发布前被百度抢先。并且，百度董事长李彦宏越发逼紧，表示在此前收过费用的百度导航用户都将给予退款，挑衅意味明显。

因为百度7月份才推出导航产品，并没有收到多少费用，说给用户退费用，无非是想给高德难堪。所以，成从武决定“高德导航不会退款”。

据易观国际统计，今年第二季度，高德以31.3%的市场份额位居手机地图市场第一（包含苹果手机内置高德地图带来的6.6%份额），百度地图为24.4%；同时，高德导航的市场份额为30.7%，位列第一，而百度导航刚上线两个月，未进入前三名。

作为一款导航产品，它需要大量的数据积累及实时的数据更新，这正是拥有十几年地图数据积累的高德的强项——它拥有国家导航电子地图甲级测绘资质、互联网地图甲级测绘资质和航空摄影甲级测绘资质的“三甲”资质，在导航领域一直处于领先地位。从2010年开始投身移动互联网以来，高德导航取得了较快发展，目前拥有7000万用户。

而百度一直采用的是四维图新的电子地图数据，后者在采集手段及人员等方面都受到了一定的体制限制，四维图新的基础兴趣点（POI）数据更新速度较慢。不少车友还表示，在使用百度地图时，不时会出现导航位置不准确，重复计算等问题。

成从武在接受记者采访时表示：“百度自身没有地图数据，相当于只做了产品体验的部分，百度想颠覆导航这个行业不太可能。”

市场的选择表明了高德导航收获更大。宣布免费后的第二天，它在iOS免费应用下载中排名第三，第六天排名仍保持第五。

高德自我革命后：出路呢？

在收获更多用户、扩大移动互联网市场份额的同时，高德导航不得不面临免费造成的收益流失。

根据高德2013年第二季度财报，高德的营收主要来自三块业务：汽车导航、移动和互联网解决方案、政府和企业应用，分别为1910万美元、1470万美元、390万美元。移动端业务已经占高德的近4成收入（高德导航占绝大部分），如果按照以往移动业务以74%的速度增长，一两年内就将超过其传统业务。高德导航免费的决定，意味着手机端的收入近乎全部放弃。

此外，一心投入移动互联网转型的高德也面临着转型过程中的阵痛。在第二季度财报中，高德软件第二季度净营收达到3820万美元，同比下滑5%；股东应得净利润达到380万美元，同比下滑57%，运营利润为0。

成从武并非没有意识到这种情况，他认为“要走更长的路，就必须要有壮士断腕的决心”。他向本刊记者谈道，一年多前，高德导航通过手机预装，一个应用能拿到十几到二十块的收入，但现在中低端手机盈利很低，再向手机厂商收费也很难了，与其这样，不如都免费。另外，既然高德地图已经免费，整个公司做互联网、移动互联网体系的根基也都建立起来，在这个时候提出高德导航免费也是水到渠成。

“按照这个窗口期和互联网现在的态势来看，行业格局大概一年多的时间内会定下来。如果这个决心再拖个一年半年的话，市场就没了。”成从武说，公司拥有5亿美金的现金储备，这充足的现金流能够保证企业进行市场拓展和竞争。

阿里和周鸿祎都是高德导航免费的“推手”。作为高德的独立董事，在高德宣布导航免费后，周鸿祎称高德走上了自我革命的道路，支持高德的免费举措，“要想成功，必先自宫”。数年前，周鸿祎凭着免费杀毒策略把一向执行收费政策的安全软件市场搅了个底朝天，他旗下的奇虎360借势上位，成为国内最大的网络安全服务商。

对于未来的发展模式 ，成从武指出，“整个移动互联网产业链是相互渗透的，如果高德在这个大的产业链中占有一席之地，或者占有很重要的位置，那么将来这个产业的商业模式形成，就肯定有高德的一份。”所以，高德公司并不是单独依靠导航产品盈利，盈利方式是一个组合，包括高德地图与高德导航，还有开发平台与产品之间的组合。

移动的想象空间

步入移动互联网，数字地图成为越来越重要的战略资本，成为本地生活服务最好的载体，拥有着巨大的广告想象空间，因此也成为互联网行业的巨头疯抢和重金投入的阵地。

在近期，腾讯即对旗下SOSO业务做了调整，其中，腾讯并未让出SOSO地图，也没有整合其它地图资源，而是将SOSO地图并入腾讯集团并更名为腾讯地图，由此可见腾讯董事长马化腾对关于移动互联网入口的业务——地图的重视。而其力推的SOSO街景也在全国各地城市铺开。

目前，BAT（百度、阿里、腾讯）三巨头都已基本理清各自的地图思路，百度利用以往搜索资源切入O2O，阿里整合高德资源发力电商，腾讯则借地图助力社交。而在百度、高德导航开启免费之风后，原来规模较小的数字地图公司再通过导航收费变得不可能。

作为高德在车载导航领域的主要竞争对手，四维图新导航产品收入减少成为事实。四维图新发布的2013年上半年年报显示，营业收入、营业利润、归属于母公司所有者的净利润，分别比2012年同期下降12.67%、87.89%和 60.07%。

竞争白热化的趋势下，行业格局越发清晰，传统的图商或中小型公司在面临移动互联网的浪潮时，没有步入快车道，逐渐走向边缘，而关于行业的争霸正逐渐变成巨头间的游戏。

今年初开始，百度地图就借助自身的强大资源，在市场宣传和品牌建设上持续发力，在公交、楼宇、广播电台等渠道大力投放广告，在客户端推广上也不计成本，推广费用动辄千万。在不久前，百度将分发渠道商91无线纳入囊中，其在APP的分发和推广能力得到提高，随后百度又收购团购网站糯米网、接入嘀嘀打车等，全面布局行业的上下游产业链。

5月10日，阿里巴巴以2.94亿美元购买高德28%的股份后，高德也加快了抢夺市场的脚步，公交、楼宇、地铁、广播电台随处可见随处可听到高德地图的广告。

据本刊记者了解，在与阿里的合作中，淘宝账号和高德地图账号已打通，双方还着力“共建共享”，即共建一个数据平台、共享一个数据库，将高德的地图数据和阿里的商户和电商数据进行匹配。“一淘酒店”就是高德与阿里在资本层面战略合作后上线的第一个产品，通过接入高德地图API，能够增强地图与酒店预订的结合度。

“搜索引擎也在发生变化，过去高德的搜索是以地址名称为导向的，以后是以生活服务为基础，届时，我们的引擎会变成生活服务类的引擎。”成从武表示。

导航与控制 篇7

船舶运动控制已经形成一门独立的科学,是自动控制技术、计算机仿真技术应用的一个重要领域。作为船舶控制最重要的一种控制算法,模糊控制具有很好的应用前景,而虚拟技术是船舶运动研究的一种重要方式,被广泛应用在军事领域、航海领域等。本课题结合自动控制原理、计算机仿真技术、数据库技术等,将课本理论知识应用到实际问题中,对提高应用能力具有很好的帮助[1,2]。

2 船舶自动导航仿真系统实现

2.1 系统组成

本系统由4个子模块组成,分别是船舶状态检测模块、模糊控制器模块、数据库模块和动态仿真界面模块。系统结构框图如图1所示。系统的主要功能是:首先设定船舶运动的初始状态,在仿真过程中通过检测船舶在运动过程中的状态,经过模糊控制算法,调整舵角控制量,从而控制偏航量[3]。

各模块的功能如下所示:

(1)船舶状态检测模块。通过检测船舶的运动状态,其中包括偏航量,航向等,提供给模糊控制器。

(2)模糊控制器模块。根据船舶状态检测模块提供的精确数据,通过二维模糊控制器,得到最终输出的舵角控制量。

(3)动态仿真界面模块。通过VC++构建动态仿真界面,根据船舶运动的状态,绘制效果图,并实时更新。在动态界面上,显示当前时刻船舶运动状态数据和仿真时间。

(4)数据库模块。存储仿真过程中的检测数据和控制量,为后续数据分析提供数据。

2.2 控制原理

船舶运动仿真系统的关键环节是模糊控制器,另外,船舶状态检测模块作为数据采集及反馈环节。整个控制系统控制原理图如图2所示[4,5]。

航向模糊控制器以航向量和航向量的变化率为输入,控制舵角1输出,位移模糊控制器以位移量和位移量的变化率为输入,控制舵角2输出,两个舵角的输出总量作为实际的控制输出,从而控制船舶的运动[6]。具体的控制流程如图3所示。

3 船舶运动模型

3.1 坐标轴的选取

为了描述船舶在水面上的6个自由度任意运动,通常定义两个坐标系,即固定于地球表面的惯性坐标系和固定于船舶的附体坐标系OXYZ(X指向船首,Y指向右舷,Z指向龙骨),船舶在海上航行受海浪的影响,像任意的刚体一样会产生6个自由度的运动,即沿3个坐标轴的直线运动和船体绕3个坐标轴的转动,如图4所示[7]。

3.2 质点运动方程

取为固定于地球的大地坐标系,远点O为船舶运动始点,对于短距离运动过程来说,地球的曲率可以不做考虑,不过在涉及到大范围航行的航线设计问题时,需单独处理。设船舶运动的速度向量在方向上的分量为,方向上的分量为;船舶当前的位置是;时间变量以t表示,故有式(1)所示:

在实际船舶运动过程中,速度是一个连续变化的量,但根据系统设计的要求,在计算机仿真中,数据采集是一个离散的过程,故必须对船舶运动进行离散化处理。在船舶运动过程中,一定时间间隔内的船舶速度和外界参数变化可视为恒定值,故船舶运动的位置表达式可以简化,如式2所示。

在实际的船舶运动中,船的实际速度受到外界各种因素的干扰,有风,水,浪等,各种干扰因素具有耦合性,分析相对复杂。根据本系统的设计初衷,着重在于模糊控制算法的应用和数据的处理问题,故船舶运动的模型做了一定的简化。对于外界的干扰源,只考虑了风和水的影响。在风和水的作用下,船舶的运动速度可以用矢量来计算,在惯性坐标系中,船舶的实际运动速度矢量合成如图5所示。

船舶位置表达式中XY坐标的速度分量表达式如公式3所示:

4 模糊控制规则

船舶模糊控制器是多输入单输出系统,根据实际情况,设计了位移模糊控制器和航向模糊控制器,综合控制船舶偏航量。

选择输入参数为:位移e1,位移变化率de1,航向e2,航向变化率de2,输出参数为:位移舵角量u1,航向舵角量u2。

位移e1的论域为[-0.4,0.4],位移变化率de1的论域为[-0.04,0.04],位移控制器的输出舵角控制量u1的论域为[-4,4]。

航向e2的论域为[-40,40],航向变化率de2的论域为[-8,8],航向控制器的输出舵角控制量u2的论域为[-4,4]。

对于位移和航向变量,其量化等级都取为9级,即{-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}。采用5个模糊子集,即PB、PS、ZE、NS、NB。根据专家经验,人们对事物的判断往往采用正态分布的思维特点,因此,对于输入输出语言变量均选用正态函数:,系统变量隶属度函数如图6所示。

设计模糊控制器的核心是选择模糊控制规则。根据实际操作经验,本系统制定一组由25条fuzzy条件语句构成的推理语言规则。

将以上25条模糊语句进行归纳,建立推理语言规则表,如表1所示。

模糊控制规则表需对所有输入语言变量量化后的各种组合通过模糊逻辑推理后计算出每一个状态的模糊控制器输出,最终得到模糊控制表。在精确化方法的选择中,针对本系统的特点,采用重心法规则进行模糊决策,制定合理的控制规则,可以实现船舶在风、流作用下的偏航量控制。控制规则表如表2所示。

5 数据库设计

根据数据分析需要,建立船舶运动仿真数据库,存储仿真过程中产生的数据。数据结构如表3所示。

本系统使用ODBC建立MFC与SQL Server之间的连接。

6 仿真测试

本系统采用VC++编写MFC单文档程序作为动态仿真界面,如图7所示。界面显示内容包括当前时刻流速、流向、风速、风向等外部干扰参数,还有当前时刻船舶运动状态参数,包括偏移量、前进距离、舵角和航向。船舶运动的角度参照如界面中右上角所示[8,9]。

6.1 船舶回旋运动测试

为了检查程序的可靠性,对船舶进行静水下的旋回运动测试,若船舶回旋运动具有周期性,则所编程序具有较好的可靠性。(下转到136页)(上接第129页)

给定舵角thelta=10°,初始偏航量为0,在无控制策略情况下,静水条件下仿真,得到对应偏航量曲线,如图8所示。

6.2 外部干扰下的船舶运动测试

以顺风顺水条件为例,对船舶进行仿真测试。设定水流速度呈正弦变化,最小值为0km/h,最大值为15km/h,周期为80秒;水流向呈正弦变化,最小值为-10°,最大值为10°,周期为80秒;风速呈正弦变化,最小值为0km/h,最大值为10km/h,周期为50秒;风向呈正弦变化,最小值为-45°,最大值为45°,周期为100秒。仿真时间为300秒,对应的舵角曲线图,偏航量曲线图如图9所示。

仿真数据存入数据库表result中,部分结果如图10所示。

7 结语

本课题的研究是对控制理论应用在实际问题的一项新的探索,针对船舶运动这个具体的实际问题,应用自动控制原理、数据库技术、可视化技术等进行仿真,能够直观地了解到控制理论的实际意义。经过仿真测试,得到如下结论:

(1)针对船舶偏航量控制,制定模糊控制规则。为了提高系统的控制性能,设计了双模糊控制器,分别对位移和航向进行控制,应用在仿真系统中,经过仿真测试,证实具有良好的效果。

(2)完成整个系统设计,模仿人工操纵船舶运动设计船舶的运动控制策略,使用VC++编写仿真程序。融合数据库技术,对仿真数据进行存储和分析,具有实际的意义。

本课题所研究的基于模糊控制的船舶自动导航仿真系统,重点在于将控制理论应用在实践问题中,通过计算机仿真技术实现,为进一步研究仿真技术应用于自动控制中起到积极的作用。

参考文献

[1]张铭钧.智能控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2008.

[2]宋胜利.智能控制技术概论[M].北京:国防工业出版社.2008.

[3]贾欣乐,张显库.船舶运动智能控制与H∞鲁棒控制[M].大连:大连海事大学出版社,2002.

[4]郑明辉,杨松林,王志东.船舶操纵智能控制的实时仿真研究[J].船电技术,2001.5.

导航与控制 篇8

关键词：智能车辆,横向控制,模糊控制,仿真研究

随着汽车电子技术的飞速发展, 国内外众多学者对智能车辆视觉导航系统进行了深入的研究。由于智能车辆视觉导航横向控制系统在实际运行中将会受到车辆参数的影响, 采用何种适宜的横向控制策略是当前研究的热点[1]。国内外关于横向控制策略的研究主要集中在以下方面:参考文献[2]以车辆与路径上近点作为基准点, 结合自适应PID算法和模糊控制方法, 由于对前方环境缺乏预见性而限制了系统的控制有效性和准确性;参考文献[3]基于汽车操纵动力学模型建立了智能车辆自主导航最优控制模型, 该模型非常适用于低速行驶车辆, 取得了较好的控制效果, 但是在智能车辆高速行驶过程中控制效果较差;参考文献[4]将转向盘转矩作为主导控制参数, 建立了一个鲁棒控制模型, 由于转向盘转矩与驾驶人的操纵行为过程密切相关, 但是该模型并未将驾驶人行为模型纳入考虑范畴;参考文献[5]采用直接横摆力矩控制策略进行车辆横向控制, 但该控制策略受预瞄点选择的影响较大, 导致控制效果差异性大;参考文献[6]建立了驾驶人预瞄行为模型, 并结合专家先验知识预测、预瞄距离实现对智能车辆的横向控制, 但是在预瞄控制模型中仅将车辆速度简单划分为快、中、慢3个范围, 导致系统的可靠性和适应性较差。

为了大幅提高智能车辆视觉导航过程中横向控制的精度, 进一步减少路径弯度、预瞄距离等因素的影响, 本文建立了横摆角速度预测模型、车辆7自由度操纵动力学模型, 结合系统辨识的方法, 提出了一种横摆角速度与横向偏差的智能车辆横向模糊控制策略。仿真结果验证了本文所提出的智能车辆视觉导航横向模糊控制策略的有效性和良好的适应性。

1 控制系统结构设计[7]

智能车辆视觉导航横向模糊控制策略如图1所示。根据空间几何坐标系逆透视投影转换得到的车辆预瞄点的相对位置, 建立横摆角速度预测模型以及7自由度车辆操纵动力学模型。模糊控制系统的设计中非常关键的环节即模糊控制器的输入变量的选择, 在智能车辆视觉导航过程中, 车身横向运动的控制本质上即动态调整车辆相对于行驶路径的横向偏差和航向偏差这两个运动参数。综上可知, 车辆实时位姿信息必须作为重点考虑的因素, 因此本文将车辆的横摆角速度和横向偏差作为模糊控制器的两个输入项。

2 横摆角速度预测模型的建立[8]

假设在某一特定时刻, 世界坐标系中的车辆质心坐标为 (Xw, Yw) , 车辆坐标系的纵轴线与横坐标之间的夹角为φv。已知车辆质心速度v、车辆质心侧偏角β以及车辆横摆角速度ω, 则车辆动力学方程可以用下式表示:

通过式 (1) 不难看出, 智能车辆视觉导航中的车身位置姿态与车辆横摆角速度、车辆质心速度、质心侧偏角这3个因素密切相关。在诸多因素之中, 车辆横摆角速度的变化对车辆的轨迹状态影响较大。因此可以在利用车辆质心速度变化率的基础上, 通过控制车辆的横摆角速度进一步干涉智能车辆的运动状态。

在建立横摆角速度预测模型的过程中, 为了进一步提高系统的控制效果, 忽略车辆运动中的质心偏差, 并假设车辆一直沿视觉导航路径行驶, 运动轨迹保持不变, 不发生突变, 则横摆角速度可以通过下式表示:

式中, x, y分别为车辆质心的位置坐标, v为车辆质心速度;s为车辆行驶轨迹;ρ为道路曲率;ρ觶为道路曲率的变化率;ωp为车辆的预测横摆角速度。

3 车辆操纵动力学模型的建立

通过对车辆操纵动力学的研究分析以及根据智能车辆视觉导航过程中横向控制策略仿真研究的实际需要, 本文建立了一个包括横摆、侧倾、俯仰3个自由度以及车轮4个自由度的7自由度车辆操纵动力学模型[9], 如图2所示。

式中, m为整车质量;vx为车辆质心纵向分速度;ω为车辆角速度;Fxij、Fyij分别为前、后车轮所受到的侧向力和纵向力;vy为车辆质心侧向分速度;Iz为车辆绕车身Z轴的转动惯量;lf、lr分别为车辆质心与前、后轴之间的距离;Bf、Br分别为车辆前、后轮的轮距;δ为车辆前轮偏转角。

4 模糊控制模型的建立

本文建立了智能车辆横向模糊控制器, 其中两个输入变量中, 将横摆角速度e的模糊论域定义为[-3, 3], 横向偏差ec的模糊论域定义为[-3, 3]。其输入变量的论域都划分成7个模糊子集用NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB表示, 输出控制变量k的论域设为[-0.06, 0.06], 并把它划分为7个模糊子集 (即NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB) , 模糊子集中对应的元素分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。在完成了模糊论域和模糊子集的参数化过程之后, 需要进一步确定模糊论域内所包含的元素对模糊变量的隶属度函数。如图3~图5所示分别为横摆角速度e、横向偏差ec以及控制变量k的隶属度函数[10]。

综合考虑智能车辆视觉导航横向控制系统的应用特点, 如表1所示, 本文建立了系统输出控制变量k的模糊控制规则表。

模糊逻辑推理作为模糊控制的核心内容, 用来确定控制参数的模糊向量。本文中采用了模糊控制中普遍使用的Mamdani推理法, 它根据模糊控制算法和规则计算出最终控制量。反模糊化过程采用工业控制中普遍采用的重心法, 以获取较为满意的推理控制结果[11]。

5 系统模糊控制策略仿真分析

为了检验本文所提出的控制策略的有效性和可靠性, 以MATLAB/Simmulink作为仿真环境, 建立了智能车辆视觉导航中的横向模糊控制模型, 并对其进行了仿真实验, 如表2所示为控制系统的部分仿真参数。假设车辆分别以30 km/h和70 km/h的车速行驶, 设置虚拟路径作为模拟仿真的行驶路径, 仿真模拟结果分别如图6~图9所示。

如图6所示为车辆行驶轨迹对比曲线, 从图中可以看出, 采用横向模糊控制策略控制精度更高, 进一步减小了车辆与最近点之间的距离偏差, 在常规路况控制中均能稳定地沿目标路径行驶, 具有良好的跟踪特性。如图7所示为车辆横摆角速度对比曲线, 与不加任何控制策略的横摆角速度曲线相比较, 采用横向模糊控制策略进一步降低了系统的响应时间和减小了响应峰值, 获得了更加优化的动态控制性能, 能够满足系统控制稳定性的需求。

图8和图9分别为车辆低速和高速行驶过程中出现的横向偏差。通常情况下随着车辆纵向速度的增加, 其横摆运动会出现较大幅度的变化, 然而仿真结果表明, 采用横向模糊控制策略车辆横向加速度增大幅度并不明显, 在纵向速度有较大增加时, 智能车辆趋向行车路线所需的时间只是出现略微增加, 当然实际行驶的距离肯定会有明显增加, 但并未对车辆横向控制带来不便, 最终可以提高智能车辆对纵向速度的快速适应能力, 从而获得更好的横向运动稳定性和易操控性。

因此, 采用本文提出的基于横摆角速度与横向偏差的智能车辆横向模糊控制策略, 使得智能车辆横向位移控制精度有显著提高。同时对纵向速度具有较好的适应能力, 取得了非常好的效果, 横向偏差误差范围较小, 具有较好的稳定性和适应性。

本文通过对智能车辆视觉导航中横向控制特点的深入分析, 针对目前横向控制策略存在的问题, 提出了一种基于横摆角速度与横向加速度的智能车辆视觉导航横向模糊控制策略, 并建立了7自由度车辆操纵动力学模型, 最后进行了仿真实验验证。仿真结果表明, 本文采取的控制策略不仅较好地满足了车辆横向控制平稳性和舒适性要求, 并且对车辆纵向速度具有令人满意的适应能力, 具有广泛的应用前景和实际意义。

参考文献

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[3]王荣本, 李兵, 徐友春.基于视觉的智能车辆自主导航最优控制器设计[J].汽车工程, 2001, 23 (2) :97-100.

[4]MASAYASU S, HIROSHI K, ON S, et al.Design of lanekeeping control with steering torque input for a lane-keeping support system[R].SAE, 2001-01-0480, 2001.

[5]PONGSATHORN R, MASAO N, MOTOKI S.Lane keeping control strategy with direct yaw moment control input by considering dynamics of electric vehicle[J].Vehicle System Dynamics, 2006 (44) :192-201.

[6]YANAGIYA M, TOMITA K, TSUGAWA S.Effects of field of view on lateral control performance in a vision-based autonomous vehicle[J].JSAE Review, 1999, 20 (4) :499-504.

[7]丁海涛, 郭孔辉, 李飞, 等.基于加速度反馈的任意道路和车速跟随控制驾驶员模型[J].机械工程学报, 2010, 46 (10) :116-120.

[8]李小勇, 张文涛, 熊显名.基于车辆视觉的车道闸杆防撞系统研究[J].微型机与应用, 2014, 33 (1) :40-45.

[9]王家恩, 陈无畏, 王檀彬, 等.基于期望横摆角速度的视觉导航智能车辆横向控制[J].机械工程学报, 2012, 48 (4) :107-114.

[10]郭孔辉.汽车操纵动力学[M].长春:吉林科学技术出版社, 1991.

导航与控制 篇9

关键词：北斗卫星导航系统,水质检测与控制,终端设计

0 引言

当今社会, 水污染越来越严重, 水源污染事故频繁发生。为了保证用水安全, 水质检测则显得越来越重要。为了保证对水质检测的顺利进行, 本文设计了一种基于北斗卫星导航系统的水质检测控制终端, 实现传感器数据的采集、存储与传输, 同时可以定位水质采集系统。利用北斗卫星导航系统作为中转站, 把水质检测的数据通过北斗收发模块发送到地面检测站, 从而实现了对水质的实时在线检测。

1 系统硬件设计

水质检测控制终端, 主要完成水质采集系统定位、传感器数据采集、数据格式转换、北斗卫星导航系统数据传输功能。系统原理框图如图1所示。北斗卫星导航系统通信模块完成对传感器数据的传送, 并可以接收地面站下达的指令;SD卡存储模块把传感器数据保存在水质检测系统, 作为数据查询之用, 可以保存一个月的检测数据;多参数传感器设备与单片机连接, 传感器的输出可以是RS-232通信、CAN总线通信、RS-485总线通信、所以水质检测控制终端具有至少三种通信方式。

1.1 单片机选择

选用意法半导体公司ARM CortexTM-M3核的32位STM32F103RB单片机, 负责系统的整体运行。单片机特点为:工作频率为72MHz, 3个16位定时器, 其内部集成CAN2.0控制器、USART接口和USB2.0全速接口等, 调试模式为SWD和JATG接口。

1.2 电源模块设计

水质检测系统采用太阳能供电, 蓄电池为系统提供12V直流电, 采用专用的蓄电池保护芯片, 来控制蓄电池的充放电。本控制终端使用LM2596来实现+12V到+5.4V的转换, 使用LM1117实现+5.4V到3.3V的转换。

1.3 北斗卫星导航系统通信模块

北斗卫星导航系统通信模块采用东方联星公司自主设计开发的RD120-2W北斗RDSS短报文通信板, 它是一款基于北斗RDSS功能设计的收发一体化模块, 采用公司自主研制的北斗RDSS射频芯片, 具有卫星短报文通信和定位功能, 通信和定位成功率为95%, 定位精度为20m, 根据SIM卡情况实现不大于120个汉字的通信。模块的供电电压为+5.4V。

1.4 SD卡存储模块设计

水质检测系统在使用时, 把传感器采集的数据、位置信息及时发送到地面站的同时, 检测控制终端也要对传感器采集的数据、位置信息备份。本系统选用16G SD卡, 保证数据可以循环保存半年。SD卡存储模块与单片机的连接电路如图2所示。

1.5 通信接口设计

北斗卫星导航系统通信模块与单片机为RS-232协议接口, 而传感器可以是RS-232通信接口, CAN总线通信接口、RS-485总线通信接口。为了满足系统需求, 从STM32F103RB单片机扩展出两个RS-232通信接口, 一个CAN总线通信接口, 一个RS-485总线通信接口, 满足北斗卫星导航系统通信模块使用要求, 也能够极大的扩展使用, 连接更多类型的传感器。

2 系统软件设计

程序是在KEIL公司Keil uVision4环境下开发的, 子程序包括:传感器数据采集, 北斗卫星导航系统的定位, SD卡数据存储, 数据协议转换与短报文传输。主程序流程图如图3所示。系统对接收地面站的指令的程序如图4所示。

3检测控制终端应用实例

设计好的水质检测控制终端, 在实际测试中, 检测控制终端连接一个RS-232接口的叶绿素a浓度传感器, 一个RS-485接口的PH值传感器, 一个RS-485接口的硝酸盐氮浓度传感器, 检测控制终端可以接收地面站数据、发送水质检测系统的传感器数据到地面站, 并可以把传感器数据、设备定位信息、传感器采集数据时间等信息存储到SD卡内。

4 总结

本文设计了基于北斗卫星导航系统的水质检测控制终端, 从硬件与软件两个方面对其进行了介绍。设计的控制终端, 能够对传感器数据进行采集、存储、传输, 完成设计任务, 基本满足使用要求。本控制终端在水质检测中进行了实验使用, 对数据的远程采集、传输中得到应用。本控制终端也可以用于保密设备的定位、数据交换等, 具有一定的应用前景。

参考文献

[1]王英志, 杨佳, 韩太林.基于STM32的RS232-CAN通信协议转换器设计[J].制造业自动化, 2013, 35 (7) :141-143.

[2]于龙洋, 王鑫, 李署坚.基于北斗短报文的定位数据压缩和可靠传输[J].电子技术应用, 2012, 38 (11) :108-111.

导航与控制 篇10

在农业机械自动化飞速发展的今天,农业机械逐步向大型化、自动化、智能化的目标发展[1,2,3]。农业机械自动导航已经逐渐成为农业工程技术的主 要部分[1],很大程度上减少了驾驶员的劳动强度,提高了生产效率和操纵安全性[4]。

本文针对用于草原地形条件下作业的草籽喷播机,在Lab VIEW环境下对其配置的GPS、电子罗盘和超声波传感器进行数据采集,将传感器的数据信息利用串口通讯传输给嵌入式触摸屏; 用PID算法对其自动导航控制系统进行性能测试,为提高草籽喷播机的运行精度、降低草籽喷播机的重播率和漏播率奠定技术基础。

1 导航控制的数据采集的硬件构成

系统的控制器是广州微嵌公司的Win CE嵌入式触摸屏,用来采集GPS、电子罗盘和超声波传感器的数据。数据采集系统的硬件构成框图如图1所示。

1. 1 GPS 模块硬件介绍

GPS模块用来定位喷播机的位置信息,包括: 一是定位UTC时间; 二是纬度; 三是N /S( 北纬或南纬) ; 四是经度; 五是E /W( 东经或西经) ; 六是质量因子; 七是可使用的卫星数( 0 ~ 8) ; 八是水平精度因子; 九是天线高程; 十是大地椭球面相对海平面的高度; 十一是差分GPS数据年龄; 十二是差分基准站号。

1. 2 DCM260B 三维电子罗盘硬件介绍

DCM260B三维电子罗盘集成了高精度的MCU( 微控制单元) ,输出方式多元化,其标准接口包括RS232 / RS485 / TTL等接口。电子罗盘有3个参数,包括Pitch( 倾斜角) 、Roll( 转动角) 及Heading( 方位角) 。其中,电子罗盘的Heading( 方位角) 指向正北极时是0°。

1. 3 超声波传感器硬件介绍

超声波是采用超声波探头发超声波,超声波遇到被测物体后反射给接收探头,来测量模块与被测物体之间的距离,带有RS232 /485输出,需要DC12V供电,采用DB9接头与PC通讯。

2 系统软件设计

系统软件设计主要是上位机Lab VIEW程序设计和Mat Lab建模。Lab VIEW是美国国家仪器公司[5]一种用在图形组态、框图调试和运行的集成化环境,实现虚拟仪器的软件[6]。与其他计算机语言相比,LabVIEW具备编程简单、人机界面友好、数据可视化分析与在线控制等特点[7]。

2. 1 Lab VIEW 的 VISA 节点函数

Lab VIEW串口通信作为仪器通信的一部分,它的函数是VISA( Virtual Instruments Software Architecture)函数的子集。VISA是调用低层驱动器的高层的API,本身并不具备编程能力,使用之前需要事先安装驱动[8]。常用VISA节点函数功能如表1所示[9]。

2. 2 GPS 模块数据采集程序设计

本研究选用遵循NMEA - 0183标准RTCM( RadioTechnical Commission for Maritime Services) 协议的GPS模块[10],Lab VIEW通过“VISA串口配置”函数对系统进行初始化串口配置,再通过“VISA读取”函数读取接收到缓冲区内的GPS数据,通过“截取字符串”的命令截取接收的初始字符串,然后用“ $ GPGGA”判断。如果初始字符串是“ $ GPGGA”,那么把接收的 $ GPGGA后面的所有字符一次性的提取出来,再次通过“截取字符串”提取需要的 $ GPGGA数据,进行数据处理; 如果初始字符不是“ $ GPGGA”,那么Lab VIEW会舍弃本次采集的数据,继续下一次采集。

2. 3 DCM260B 三维电子罗盘数据采集程序设计

标示符固定为68H。数据长度指的是从标示符到校验和的所有字符的长度,数据域根据命令字不同内容和长度相应地变化; 校验和指的是数据长度、地址码、命令字和数据域的和。

Lab VIEW的“VISA资源配置”函数读取电子罗盘,触摸屏以被动接收的方式将电子罗盘采集的数据存放到缓冲区,电子罗盘每采集一次数据是24个字节。电子罗盘的通讯协议的帧格式如表2所示。

根据表1的帧格式,Lab VIEW通过“VISA读取”函数读取缓冲区数据,通过“搜索一维数组”检索起始的标示符68H,“索引数组”判断68H后的3个字节是否是“0D”“00”和“84”,把这4个字节之后的所有字节一并提取出来,进行导航角、旋转角和倾角的数据处理;如果不是这3个字节,舍弃本次采集的数据,继续下一次数据采集。

2. 4 超声波传感器数据采集程序设计

Lab VIEW程序用“VISA写入”指令主动向超声波发送一个呼叫指令( 当发送CF 05 01 01 /02 FD时,喷播机第1个 /第2个超声波启动应答模式) ,超声波接到呼叫指令后,向控制器返回采集的数据。超声波传感器的串口通讯协议的指令格式如表3所示。

超声波传感器的协议是RS485通讯协议,采用应答模式通讯。Lab VIEW通过“VISA串口配置”函数进行串口配置初始化,通过“属性节点”配置“资源名称输出”,通过“VISA读取”函数读取由串口接收到缓冲区内超声波接收的数据; 再通过“搜索一维数组”检索起始的标示符CF,通过“索引数组”判断CF后的3个字节是否是“07”“02”和“01”( 或者“02”) 。如果条件为真,把该4个字节之后的两个字节一并提取出来,进行数据处理; 如果条件为假,舍弃本次数据,继续下一次数据采集。Lab VIEW后面板程序如图2所示。

3 传递函数的建立

转向机构可以看成一阶惯性环节[11],喷播机的方向盘到转向轮的角传动比是2. 432∶1,得到喷播机转向执行机构的传递函数为

式中W1( s) ’—实际转向轮偏转角速度;

W1( s) —方向盘转向角速度。

喷播机转向机构的驱动部分由步进电机、步进电机驱动器和联轴器组成。步进电机通过1∶1. 375的比例与方向盘转轴连接。因此,步进电机转速与方向盘转向角速度之间的传递函数为

实际转向轮偏转角速度W1( s) ’与实际转向偏转角度W1( s) 存在积分关系,有

根据转向驱动机构的基本组成原理,以调节PWM占空比来调节步进电机的转速,在本设计中步进电机驱动器釆用16细分,步进电机固有步距角为1. 8°,所以,由此得步进电机的转速计算公式为

式中n—步进电机转速( 转 /分) ;

f—频率( Hz) ;

T—固有步距角;

X—细分倍数。

当控制步进电机的转速频率较低时步进电机会堵转,频率太高时就会发生失步的现象。通过试验得到频率f与转速n之间的函数关系为

由此可建立调速频率与电机转速的函数关系为

依据转向驱动机构的组成原理,以调整频率f( s)作为输入量,实际转向轮转向角度W1( s) 作为输出量,综合以上公式得到转向驱动机构传递函数模型为

下面进行仿真实验。

4 仿真实验

在Lab VIEW环境下设计的自动导航控制系统,如图3所示。通过Lab VIEW与Mat Lab混合通讯的方法,经过Lab VIEW的数据处理,将抽取的PID算法参数传送给Mat Lab所集成的Simulink进行建模如图4所示。

用GPS接收仪定位喷播机拟跟踪路线,上位机程序实时校准喷播机的运行方向。当喷播机偏离拟跟踪路线时,上位机程序串口发送给喷播机的转向机构校准信号,用阶跃信号模拟上位机发送给喷播机的转向信号,分别选取了喷播机以14. 4、10. 8、7. 2、3. 6km / h的速度跟踪进行仿真,仿真结果如图5所示。

由图5显示: 当喷播机速度很大时,喷播机检测上位机信号的时间和跟踪信号的时间比较短,但喷播机的超调量比较大; 当喷播机速度很小时,超调量则很小,但检测和跟踪上位机信号的时间比较长,使作业效率大大降低。针对草原地形下的作业实际情况,当喷播机以7. 2km /h和10. 8km /h速度运行时,跟踪上位机信号时间分别为3s和4s。其中,检测上位机信号时间分别为1s和2s,最大超调量分别为0. 36km /h和0. 97km /h,基本符合实际作业需要。

5 结论

通过传感器采集数据,运用Lab VIEW数据处理,Mat Lab对草籽喷播机的自动导航系统的性能仿真测试,得出以下结论:

1) Lab VIEW对传感器的开发周期短,自动导航系统界面有很好的直观性、实用性和可移植性;

导航与控制 篇11

1. prefer v. 更喜欢，更喜爱； prefer some-thing / doingsomething 更喜欢某事 / 做某事

2. gentle adj. 轻的，低的，温和的

3. remind v. 提醒，使记起

4. photography n. 摄影，照相； photograph=photo n. 照片, photographer 摄影师、摄影者

5. display n. & v. 展览，陈列；on display 展览; 陈列；同义词：onshow

6. interest v. 引起……关注，使……感兴趣的； be / become interested in something / doing something 对……变得感兴趣

7. class n. 等级, 类别； a world-class photographer 一个世界级的摄影大师； 班级：Class One 一班; 课：have a music class 上音乐课

8. honest adj. 诚实的，真诚的；反义词：dishonest； an honest man一个诚实的人

短语小结

1. prefer doing something to doing something 喜欢 ……胜过喜欢……，比……更喜欢

2. along with伴随……，同……一道

3. dance to随着……跳舞

4. kind of有点……； a kind of 一种……；（all） kinds of多种多样的

5. quiet and gentle songs 轻松优雅的歌曲

6. remind somebody of somebody / something 提醒，使……记起……

7. take somebody / something to...带某人 / 某物去 ……

8. be important to somebody对某人重要；be important for somebody to do something 做某事对某人很重要

9. look for 寻找

10. be sure to do something 肯定要做某事，一定要做某事；be sure of something 对……有把握

11. on display 展览, 陈列； on show 陈列

12. over the years 很多年来

13. see somebody do something 看见某人做过某事；see somebody doing something 看见某人正在做某事

14. nothing better 没有更好的了

15. feel sick 感到恶心

16. most of ...大多数

17. rather than 而不是 / 胜过

18. to tell the truth说实话

19. stay away from ...远离……

20. be in agreement on / upon something 对……意见一致，在……上持相同意见

考点航导

1. I like music that I can dance to. 我喜欢能跟着跳舞的音乐。

I love singers who write their own music. 我喜欢自己写音乐的歌手。

【精解】 在复合句中修饰某一名词或代词的从句叫定语从句，定语所修饰的词叫先行词。当先行词是指人的名词时，引导定语从句的关系代词一般要用who；当先行词是指物的名词时，关系代词一般要用which；关系代词that既可以指人，也可以指物。

【中考链接】 1) —That is the man ______ saved ten children in the earthquake (地震).

—How brave he is!(2008辽宁12市)

A. whoB. whichC. whereD. what

2) This is the question ______ we are talking about now. (2008吉林省)

A. that B. who C. whereD. when

2. What does it remind you of? 它使你想起了什么？

【精解】 remind是及物动词，意为“提醒，使记起”，一般用remind sb. of sth.(使某人想起某事)，或remind sb. to do sth. (提醒某人做某事)。

【中考链接】 The picture ______ me of my childhood. (2008 山东省高青市)

A. rememberedB. reminded

C. orderedD. had

3. What do you dislike about this CD? 你不喜欢这张CD的什么地方？

【精解】 dislike是由前缀dis-加like构成的，它的同义词是hate。dis-意为“不”，或用来表示相反的动作。这样构成的新词还有：disappear, dishonest, dissatisfy, disappoint, disagree, disallow等。例如：

I disagree with you. 我不同意你的说法。

The teams second goal was disallowed.那个队踢进的第二个球不算。

【中考链接】 Mrs. Smith hates sleeping on a hard bed. (2008 山东省平阴市)(选择与划线部分意思相同或相近的一项)

A. likesB. dislikes

C. agreesD. love

4. What do you think of it? 你觉得它怎么样？

【精解】 think of的意思是“对……有特定的看法 / 想法”，常用在句型What do you think of ...?中，意为“你认为 / 觉得……怎么样？”，与句型How do you like ...?的意思相同。

【中考链接】 —What do you ______ your hometown?

—I love it very much. (2007内蒙古乌兰察布市)

A. look at B. talk about

C. think ofD. think over

5. I prefer classical music to pop music. 我喜欢古典音乐而不喜欢通俗音乐。

【精解】 prefer = like ... better，意为“更喜爱，更喜欢”。prefer在表示选择时，常用两种句型，一种是prefer ... to ...，to前后用相同的词类或组合，它此时相当于like ... better than ...；它的另一种句型是prefer +动词不定式+ rather than +不带to的不定式。

【中考链接】 —Tom prefers ______ to ______.

—Lets ask him to take part in our dancing club! (2008 黑龙江省鸡西市)

A. singing; dancingB. dancing; singing

C. to sing; dance

6. Were looking for a quiet place to go on vacation. 我们正在寻找一个僻静的地方去度假。

【精解】 look for的意为“寻找”，强调“找”的动作或过程。

【中考链接】 My little dog is lost. All of my friends are helping me to ______ it. (2008吉林省)

A. look at B. look for

C. look afterD. look like

7. This person doesnt mind eating burnt food. 这个人不介意吃烧烤食品。

【精解】 mind意为“反对；介意”，后面可接名词、动词-ing形式或从句，通常用于疑问句、否定句或条件状语从句中。

【中考链接】 —Would you ______ turning down the music a little bit? Its too noisy.

—Of course not. Ill do it right away. （2008 湖北省宜昌市）

A. adviseB. succeed

C. like D. mind

8. Whatever you do, dont miss this exhibition. 无论如何都别错过这次展览。

【精解】 1)某些疑问词（when, what, how等）在其词尾加上ever就变成了连词，用来引导状语从句。whatever意为“无论什么，不管什么”，等于no matter what，引导一个让步状语从句。例如：

Dont change your plans, whatever happens.无论发生什么，别改变计划。

2) miss用作动词时主要意思有“未赶上，未看到；想念，怀念；遗漏，省去”，其后可以跟名词、动词的-ing形式作宾语。例如：

I dont want to miss seeing that play on TV tonight.我不想错过今晚电视里播出的这出戏。

He misses living in the country.他怀念以前住在农村的日子。

You have missed out a word.你漏掉了一个词。

【中考链接】 1)______ we met with difficulties, soldiers came to help us. (2008 山东省章丘市)

A. WheneverB. However

C. IfD. What

2)Read the sentence carefully and youll see youve ______ a verb in it. （2008 浙江省宁波市）

A. lostB. gone C. missedD. left

Keys: 1.1) A2)A2. B3. B4. C 5. B6. B7. D8. 1)A 2)C

单元背景知识

英美音乐

英美人民都非常喜欢音乐。无论是古典音乐(classical music)中的圆舞曲(waltz)、小夜曲(serenade)、狂想曲 (rhapsody)、浪漫曲(romance)、奏鸣曲 (sonata)、交响曲(symphony)等还是现代音乐(modern music)中的乡村音乐( country music)、爵士乐(jazz)、摇滚乐(rock and roll)和流行音乐 (pop music)等都拥有大量的爱好者。在英美青少年中,大多数都喜欢现代音乐。

美国乡村音乐又称乡村和西部音乐 (country and western music),属于通俗交响乐,是19世纪早期的传统音乐。到20世纪60年代,曾和摇滚乐一起成为美国流行音乐的主流。乡村音乐所使用的乐器有吉他 (guitar)、小提琴 (violin)、班卓琴 (banjo)和鼓(drum)等。歌曲节奏强烈,歌词率直真实,主题有抒发思乡的愁绪和爱情的喜悦等。

爵士乐于20世纪初期在美国新奥尔良产生。其特点主要表现在即兴表演及强烈的切分音,乐器用萨克斯管(saxophone)、单簧管(clarinet)、小号(trumpet)、长号(trombone)、小提琴、钢琴(piano)、吉他和鼓等。

摇滚乐产生于20世纪50年代末期,音乐风格热情奔放,具有很强的感染力。如今摇滚乐已成美国人生活中不可缺少的组成部分。

流行音乐不像经典歌曲那样百听不厌、长盛不衰,但流行音乐反映了人们普遍的心态,所以特别受年轻人的欢迎。

语法在线：定语从句

能力迁移：掌握询问某人对某人或某事物的感受、看法和印象。在定语从句中，用关系代词that指代物，关系代词who指代人，通过大量的口、笔头练习进行反复操作，掌握规律。用定语从句修饰先行词，在习作中增强语言的表现力。

习作演练：简述你最喜欢的歌手或音乐组合，讲一讲他们的音乐特色及你喜欢他们的原因，也可谈谈你最近听过他们CD后的感受。

My Favorite Singer / Musical Group

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导航与控制 篇12

自动导航作为农业现代化的标志之一,是综合了计算机、通信、电子于一体的技术。相比机器视觉导航及机械接触式导航,激光导航技术具有测量距离远、精度高、能以较高频率提供大量准确的距离信息等特点; 相比GPS导航,激光导航具有成本低、不易受环境因素影响等优点。激光导航在农业机械自动导航研究中得到了广泛的应用,在移动机器人导航中应用日益增多。Oscar C. Barawid Jr[1]等在果园导航中采用二维激光扫描仪为导航传感器,应用霍夫变换检测树行,并应用RTK - GPS确定方向,在UTM坐标系中计算出拖拉机与障碍物之间的距离,最后得出了横向偏差为0. 11 m、航向偏差为1. 5°的导航结果。BradleyHamner[2]等开发了一款用于果园的多用途自主移动机器人—APM,其两侧车辆利用两个电机独立驱动,机器人前方安装两个LMS291激光扫描仪作为导航传感器,车辆能够自动避障。将此机器人用于果园果树行间实验时,机器人可以顺利通过果园; 在转弯实验时,在未成熟果园和树叶较为稀疏果园中,转弯成功率为90% 以上; 在树叶较密果园中,转弯成功率为50% 。

本文以激光扫描仪作为导航设备,实时提取果园中果树位置信息; 基于霍夫变换确定导航路径,并提取了果树行间直线; 确定了运动学模型,根据基于PID控制理论设计了履带机器人自动导航的比例控制器。

1 导航系统总体设计

自制履带机器人作为平台[3],机器人采用2个直流伺服电动机驱动两侧履带驱动轮。系统包括计算机( 惠普CQ - 41) 、MODUS控制板( 西安明朗) 、直流伺服电机驱动器、直流伺服电机( 左右2个) 及激光扫描仪( 德国SICK公司LMS - 291) ,如图1所示。

1. 直流稳压电源 2. 激光扫描仪 3. 计算机4. MODBUS 控制板 5. 直流电机驱动器 6. 直流伺服电机

激光扫描仪用来检测前方果树位置信息,计算机用来接受树点信息并生成导航路径,MODUS控制板接受计算机控制指令并通过PWM控制驱动器实现左右两个电机转动。

2 导航路径规划

2. 1 果树位置信息确定

为实现履带机器人自动导航,必须确定果树位置。通过激光扫描仪扫描后的树形发现,果树树干一般为凹陷点,通过确定凹陷点位置及其在直角坐标系中的方位,就可以确定果树的位置信息。

激光雷达在每个时间周期都会获得前方0° ~180°范围内的361个距离数据,每0. 5°获得1个数据,可以精确反映机器人前方的环境信息( 见图2) 。当前方遇到障碍物时,扫描距离Li≤80m,角度λi= 0. 5( i - 1 ) ,i = 1,2,…,361[4,5]。将小于80m的Li对应的λi保存,即可获得障碍物信息。

2. 2 果园树行路径拟合算法

2. 2. 1 霍夫变换

Hough变换的基本原理在于利用点与线的对偶性,将原始图像空间的给定曲线通过曲线表达形式变为参数空间的一个点,从而把原始图像给定曲线的检测问题转化为检测参数空间的峰值问题。也就是把检测整体特性转化为检测局部特性,主要用于图像处理中直线与圆的检测。当已知数据点集中存在干扰点和噪声时,它可以很好地抑制干扰和噪声,同时还可以将已知数据点集拟合成多条直线[6]。

在图像空间坐标系中,将需要检测的直线表示为

其中,k和b是参数,分别是斜率和截距。实际应用中可以检测到通过直线上的一些点( 见图3) ,将这些点表示到r - θ( 参数坐标系) 中,其原点到直线的最短距离为

其中,r为从原点到直线的最短距离; θ为x轴与该直线形成的夹角。对于在直线上的任意一点,r和θ是固定不变的。式( 2) 将图像空间坐标系与参数坐标系之间连接起来,直线上的一个点在r - θ( 参数坐标系)中对应一条正弦波( 见图4) ,其中正弦曲线的交点即为该直线。

2. 2. 2 树行识别

霍夫变换能够将激光扫描仪获取的数据在树行中提取直线,其目的在于能够自动识别树行,从而实现对车辆的方向的控制。通过激光扫描仪可获得距离d和角度Φ,然后利用霍夫变换可确定树行估计线( 见图5) ,将扫描到的树点对应到r - θ坐标系中。式( 2) 可以转化为

其中,ri为激光扫描仪到障碍物之间的最短距离;di为障碍物到激光扫描仪之间的距离; Φj为x轴到障碍物之间的角度。由图4可知,所有的正弦曲线具有相同的趋势,故θi中0≤i≤180,Φj中0≤j≤180。横向偏差为

其中,rR和rL分别为激光扫描仪到左右两侧树行之间的距离; εl是计算拖拉机与目标点之间距离的重要参数。利用霍夫变换,将激光扫描仪识别出的树点拟合成直线( 见图6) ,其黑点为实际抓取点,代表果树,生成的中心线为目标直线。将抓取的果树点在r- θ坐标系中表示,每个点代表一个正弦曲线,如图7所示。由此可以看出: 其有明显的4个区域存在相交的可能性。由于曲线不可能完全相交,对其设定阈值,设定其距离为20cm,两两曲线交点之间在阈值以内即可; 然后取这些交点的中点,可得到4个点; 基于霍夫变换的性质,将偏离交点较远的点剔除,通过曲线较多的点即为所求点,可得到rR和rL; 同时也可得到对应角度θR和θL、rR为右侧果树的交点,rL为左侧果树交点。通过式( 2) 和式( 1) 即可拟合树行估计线方程,拟合结果如图6所示。由图6可以看出: 其大部分点都在拟合直线附近,可根据求得的直线拟合方程求得中心线方程。

3 机器人导航控制方法

3. 1 车辆运动模型建立

通过路径拟合后可,以得到方向角θ和履带车距离拟合中心线的距离d。由于履带机器人本身存在的误差及履带的滑移,计算机到发送指令到电动机转动本身存在滞后,机器人的控制总是滞后于误差变化,所以采用增量式PID控制器即能满足要求。增量式PID控制避免被控量的严重超标,改善系统在调节过程中的动态特征,改善系统的稳态误差[7,8,9]。

本文以自制履带车为平台,运动模型如图8所示。设AA'为履带机器人的运动轨迹,A和A'分别为机器人运动前、后机器人中心的位置[10,11,12],其运动轨迹为一条弧线; 直线A'C为果行的中心线,d为原点A到直线的最短距离,θ为方向角,即为机器人需要偏转的角度。A'点为目标点,当车辆运动至A'点时,其速度方向与中心线A'C相切[10,11,12]。

3. 2 控制模型

根据履带车运动特点,履带车左右速度比率只与θ和d相关,得控制模型为

履带机器人的航向偏差θ和横向偏差d为控制器输入量,设定式 ( 5) 中K1= 0. 6、K2= 0. 05、周期为300ms,将需要偏转的角度换算成增量Δu,左右电机PWM初始恒定电压值为U0,PWM电压增量为Δu,电压增量Δu与恒定转速电压U0叠加,形成电动机的驱动电压U1和U2,即一侧电动机驱动电压U1= U0+ Δu,另一侧电动机驱动电压U2= U0- Δu。

通过MODUS控制板发送PWM信号给电机驱动器,带动两侧电动机以不同速度旋转,从而实现在一个周期内对车辆方向的控制[13]。

4 试验结果及分析

实车试验在西北农林科技大学机电学院水泥路面进行( 见图9) 。利用PVC管模拟果树树干,PVC管高度1. 2m,直径40cm,间距4m,行距2. 5m,履带车速度0. 14m /s。

经过8次试验取平均值,横向偏差如表1所示。其中,正向最大平均横向偏差为0. 26m,负向平均最大横向偏差为0. 14,平均偏差为0. 06,标准差平均值为0. 04。由图10可知: 车辆在从10m开始经过短暂减小,当到达17. 5m时偏差达到最大值。经过分析发现: 由于这一段地面不平,致使负向一侧履带打滑而不能前进,导致误差不断增大; 其次是由于制造误差一侧履带链条较松,会造成滑移使误差明显增大。根据以上分析可知: 图7所反映的结果与分析基本一致。这说明,系统具有一定的可控性与精确度,最大误差0. 26m时也可满足要求,能够适用于果园作业。

5 结论

以激光扫描仪为导航设备,对果园模拟环境进行了信息的采集与分析,通过霍夫变换提取了果树行间直线,并设计了PID比例控制 器。通过实车 行驶25m,当机器人在模拟环境下以0. 14m / s行驶时,最大横向为偏差0. 26m。试验结果表明: 本系统能够迅速、精确地采集果树信息,使果园移动机器人在复杂环境下的自动导航具有一定的适应能力与可靠度。

摘要：以实现果园作业自动化为目的,开发了一种履带式移动机器人作为作业移动平台。机器人采用激光测距仪实现对果树位置信息实现实时的采集,采用霍夫变换规划机器人导航路径,实现了树行直线方程的提取。机器人的航向偏差和横向偏差作为比例控制器的输入量,以机器人实际偏转的角度为输出量,实现机器人沿导航路径自动直线行走。机器人以0.14m/s速度直线行驶25m,最大横向偏差0.26m。试验结果表明,该系统导航控制算法性能良好。