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近年来,多传感器信息融合系统已在民事应用领域得到了较快的发展,主要用于智能检测系统、智能制造系统、工业过程控制、工业机器人、智能交通系统、遥感等,现已逐步渗入农业工程领域。由于农业生产环境复杂、传感器本身存在的一些不足,单一传感器由于获取的信息有限,通常会存在不确定性以及偶然的错误或缺失,影响整个系统的稳定性和精度。国内外科研机构对于现代传感器信息融合技术应用于农业生产实践的课题进行了大量的工作。
激光平地技术作为一项重要的节本增效措施,研究如何应用多传感器信息融合方法解决水平控制系统存在的问题具有重要的意义。平地铲的水平控制实质上属于姿态角控制问题,采用MEMS惯性传感器组合测量平地铲的加速度和角速度信息并解算姿态角是平地铲倾角测量的有效方法。针对单一传感器测量会出现较多误差的问题,本研究提出多传感器信息融合算法,为平地机水平控制系统提供准确的平地铲姿态角角度信息。
本文首先介绍了激光平地技术的发展状况以及国内外关于平地机水平控制系统的研究工作,并分析了采用多传感器信息融合技术解决平地铲姿态角测量问题的意义。本文重点介绍了惯性导航理论如何解决平地机平地铲的姿态角解算问题,结合姿态航向参考系统(AHRS)的基本工作原理,提出了加速度计与陀螺仪的传感器组合准确计算姿态角的信息融合算法。在此基础上,基于Matlab/Simulink软件平台编写了多传感器信息融合的仿真模型,实现了处理加速度与角速度信息而准确获得运动物体姿态角的目标。考虑到平地机的实际工作状况以及实现低成本导航系统设计,本文改进了传感器信息融合算法,提出减少部分传感器,并通过试验证明余下的传感器组合能提供精度可接受的数据。在硬件方面,本文介绍了基于ARM7 Cotex M3处理器的传感器信息采集系统,该系统实现了同步采集ADIS16300(三轴加速度计与数字陀螺仪组合模块)和AHRS500GA-226(高性能姿态航向参考系统,能精确测量姿态角)的数据。本文介绍了ADIS16300的基本性能并进行了测试,针对数字陀螺仪出现随机漂移误差建立了基于ARMA模型的滤波程序,提高其测量准确性。在实验过程中,ADIS16300与AHRS500GA同步工作,数据采用SD卡存储器保存并通过PC机进行处理。ADIS16300提供的数据使用本研究的传感器信息融合算法计算出平地铲姿态角,其准确性通过与AHRS500GA的测量值比较而作出判断。通过平地铲动态实验以及平地机田间工作的传感器数据处理,结果表明本文提出的多传感器融合信息融合算法有效,其相应的程序能够比较准确计算出平地铲姿态角。ADIS16300采用本文提供的算法能够比较准确测量出平地铲姿态角,满足激光平地的田间作业要求。