农机自动驾驶系统的设计与测试

农机自动驾驶系统的设计与测试

姜彦辉

农安县农安镇综合服务中心 吉林省长春市 130200

摘要：随着农业机械数字化、智能化的发展，特别是北斗产业的全面推广，农机辅助自动驾驶设备应运而生，大大提高了农业生产力。然而，目前市场上的农机自动驾驶设备良莠不齐，一些质量问题影响了用户体验和作业效果。因此，设计并实现一种高精度、低成本的农机自动驾驶系统，并对其性能进行测试，具有重要的现实意义。本文以STM32嵌入式处理器为核心，结合北斗系统定位模块和角度传感器，实现路径追踪和航向追踪功能。经过水泥路面测试和田间作业测试，结果表明系统设计合理、运行稳定可靠，具有广阔的应用前景。

关键词：农机自动驾驶；北斗导航；STM32；路径追踪；性能测试

1系统功能需求分析

1.1路径追踪

路径追踪要求系统能够根据预设的路线，实现自动导航和精确的路径追踪。系统通过集成北斗或其他全球卫星导航系统（GNSS）接收模块，实时获取农机的精确位置信息。同时，结合地图匹配算法和路径规划算法，系统能够计算出农机当前位置与预设路线之间的偏差，并据此调整农机的行驶方向和速度，以确保农机能够沿着预设路线精准行驶。

1.2航向追踪

航向追踪要求系统在行驶过程中，能够保持预定的航向，确保农机按照预定轨迹作业。系统通过实时监测农机的前轮转角、车身姿态等信息，结合航向控制算法，计算出农机当前航向与预定航向之间的偏差，并据此调整农机的转向机构和动力系统，以保持预定的航向。这一功能的实现，使得农机在复杂多变的田间环境中，仍能保持稳定的行驶轨迹，从而提高作业精度和效率。

1.3数据采集

数据采集要求系统能够实时采集农机的位置、速度、前轮转角等关键信息，并将这些信息传输至中央处理器进行进一步处理和分析。系统通过集成这些传感器和数据采集模块，能够实时获取农机的各项运行参数，为后续的路径规划、航向控制、故障诊断等提供准确的数据支持。同时，系统还能够将这些数据存储在本地或远程服务器上，以便进行历史数据分析和数据挖掘，为农业生产提供更加全面、精准的决策支持。

2系统详细设计

2.1 硬件详细设计

2.1.1STM32嵌入式处理器

在农机自动驾驶系统的核心处理器选择上，采用了STM32F767微控制器。这款微控制器以其卓越的性能和低功耗特性，成为了系统控制核心的理想之选。STM32F767微控制器内置高性能的Cortex-M7内核，主频可达216MHz，能够轻松应对系统实时性要求高的场景。同时，其低功耗设计使得系统在长时间运行时，能够保持较低的能耗，延长了电池续航时间，提高了系统的整体能效。

2.1.2北斗系统定位模块

在农机自动驾驶系统的定位模块选择上，采用高精度北斗定位芯片。这款芯片支持多频点接收，能够充分利用北斗卫星导航系统的多频信号，提高定位精度和稳定性。多频点接收技术能够有效减少电离层延迟和多路径效应对定位精度的影响，使得系统在复杂多变的田间环境中，仍能保持准确的定位。此外，该定位模块还具备高灵敏度、低功耗和抗干扰能力强等特点，确保了系统在各种恶劣环境下的稳定运行。

2.1.3角度传感器

在农机自动驾驶系统的角度传感器选择上，选用高精度角度传感器。这款传感器能够准确测量农机前轮转角的变化，将转角信息转化为电信号，并实时传输给系统控制核心。高精度角度传感器的使用，为航向追踪提供了可靠的数据支持。系统根据接收到的转角信息，结合预设的航向控制算法，能够实时计算出调整前轮转角的控制指令，确保农机在行驶过程中保持预定的航向。

2.2 软件详细设计

2.2.1嵌入式操作系统

在农机自动驾驶系统的软件开发中，选择了μC/OS-III作为嵌入式操作系统。μC/OS-III是一款开源的、可裁剪的、实时多任务操作系统，具有高度的可靠性和稳定性。通过搭载μC/OS-III，实现了对系统任务的精确调度和管理，有效提高了系统的实时性和可靠性。μC/OS-III的实时性主要体现在其快速的任务切换和中断响应能力上，这使得系统能够迅速响应外部事件，执行相应的控制指令。同时，μC/OS-III的可裁剪性允许根据实际需求，对系统资源进行灵活配置，从而优化了系统的整体性能。

2.2.2主控软件设计

在主控软件的设计上，采用了层次性架构和模块化实现的方式。首先，利用C语言进行编程，将系统划分为多个功能模块，这些模块之间通过函数接口进行通信和协作，共同实现了系统的整体功能。层次性架构使得系统结构清晰、易于维护，而模块化实现则提高了系统的可扩展性和可重用性。通过模块化设计，可以根据实际需求，方便地添加或删除功能模块，从而灵活地调整系统的功能。

2.2.3路径追踪算法

采用PID（比例-积分-微分）控制算法。PID控制算法是一种经典的控制算法，具有简单、实用、鲁棒性强等优点。通过PID控制算法，可以根据预设路线和当前位置信息，计算出相应的控制指令，实现路径追踪功能。在算法实现过程中，对PID参数进行了精细的调试和优化，以确保系统的稳定性和准确性。同时，还结合了农机自动驾驶系统的特点，对PID算法进行了针对性的改进，使其更加适应田间复杂多变的环境。

2.2.4航向追踪算法

充分利用了角度传感器采集的前轮转角信息，并结合了PID控制算法。通过角度传感器实时采集前轮转角数据，可以准确地获取农机的航向信息。然后，利用PID控制算法，根据目标航向和当前航向之间的偏差，计算出相应的控制指令，实现航向追踪功能。这种融合方式不仅提高了系统的航向追踪精度，还增强了系统的抗干扰能力。

3系统测试

3.1 测试环境

为了全面评估系统的性能，选择在水泥路面和田间进行测试。水泥路面测试主要用于验证系统的路径追踪和航向追踪功能，田间测试则用于评估系统在实际作业环境中的表现。

3.2 测试方法

路径追踪测试：在水泥路面上设置预设路线，启动系统，观察农机是否能够按照预设路线行驶。记录行驶过程中的横向误差和纵向误差，评估路径追踪精度。

航向追踪测试：在水泥路面上设置不同航向，启动系统，观察农机是否能够保持预定航向行驶。记录航向偏差，评估航向追踪精度。

田间作业测试：在田间设置不同作业任务，启动系统，观察农机是否能够按照预定轨迹完成作业。记录作业过程中的横向误差、纵向误差和作业效率，评估系统在实际作业环境中的性能。

3.3 测试结果

经过多次测试，得到以下结果：

路径追踪测试：横向误差在±3.2cm以内，纵向误差在±5cm以内，满足设计要求。

航向追踪测试：航向偏差在±2°以内，满足设计要求。

田间作业测试：横向误差在±5cm以内，纵向误差在±10cm以内，作业效率显著提高，系统整体运行稳定可靠。

结束语

综上所述，设计并实现了一种高精度、低成本的农机自动驾驶系统，并对其性能进行了测试。系统以STM32嵌入式处理器为核心，结合北斗系统定位模块和角度传感器，实现了路径追踪和航向追踪功能。经过水泥路面测试和田间作业测试，结果表明系统设计合理、运行稳定可靠，具有广阔的应用前景。未来，将进一步优化算法，提高系统精度和稳定性，为现代农业的发展贡献更多力量。

参考文献

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