摘要
随着智慧农业的推进与实施，无人系统的应用日益广泛，参与到从农田耕种到收获的各个阶段，具有节约劳动力、提升作业率、提高精准度的特点。无人机与无人车的协同、不同类型无人车之间的协同为智慧农业带来了更广阔的发展前景。无人系统能够实现自主定位、实时避障、协同控制等功能，是农业自动化、信息化、智能化发展的有力支撑。无人系统在农业耕种管收各方面的应用，使得各机器人的路径规划具有耦合特性。因此针对实际应用需要，本文以大型地面农用车辆协同作业为主要研究对象，开展空地协同(地面农用车辆与无人机协同)与地地协同(不同类型地面车辆间的协同)规划研究。主要内容包括: 1.介绍了农用自主移动车辆的应用背景与研究意义，分析了地面农用车辆路径规划与协同控制的国内外研究现状。 2.介绍了农用自主移动车辆路径规划系统的构成;分析了地面移动车辆的运动特性并构建了运动模型，同时基于激光测距确定了全局坐标系下的障碍物信息，为后续协同规划与避障提供支持。 3.针对农田环境的障碍物避碰问题，采用人工势场法进行求解，针对单障碍物和多障碍等不同情况提出了相应的解决方案，成功解决了势场法求解中存在的局部最小值问题，实现了点对点的实时路径规划。 4.针对复杂农田环境中，多机器人的路径自主规划问题，采用无人机与地面农用车进行全局和局部跨尺度环境信息获取，并采用栅格法进行环境建模，通过删除栅格模型中的自由栅格和障碍物内部栅格的方法，大量减少了栅格数量，提升了地面农用车路径规划的实时性，结合人工势场法实现了田间障碍物的避碰。 5.针对农用地面车辆在播种、收割等环节的异质车辆协同问题，根据单个车辆的运动模型，分析得到了领航跟随车辆误差模型，进而设计了线性反馈控制器，实现了基于领航跟随方法的过程控制。针对岬角转弯阶段，基于传统“U”型转弯方案，设计了协同转弯流程，避免车辆转弯过程中出现碰撞。最后实现了农田作业区域内的全覆盖协同控制。 经过仿真平台测试，本文设计的无人系统路径规划及协同控制方案，能够实现较为精准的实时规划和控制。在点对点路径规划阶段，路径实时搜索效率性提升了32％;全覆盖协同控制阶段，跟随路径与预设路径间的误差小于2.5cm。此外，本优化方案的容错性和集成度较高，代码逻辑清晰、结构明确，易开展实际应用。
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