● 摘要
生物能源研究已经在全球范围内为来越多的研究者所关注。以象草（Miscanthus）为典型代表的多种潜在能源农作物受到了系统而深入研究。以农业作为研究特长的美国伊利诺伊大学开展了对能源作物的田间管理和农业生产方面的项目研究。旨在掌握能源植物在各个阶段的生长情况，建立植物生长模型和农作物数据库，预测农业生产关键时间点，例如最佳收割时间窗口等，进而提高其生物质原料的生产效率，增加产量。为了能确切全面地得到田间数据信息，本文提出了农田管理和数据采集的新工具和新方法――高地隙农田数据采集轮式移动平台，并就其中的关键技术展开研究。研究内容和主要创新工作包括：(1) 通过对课题来源和课题需求的调研和分析，对移动装置本体在车身结构、行走机构方面的创新设计。(A)为了适应农田路面环境和多年生能源作物的外形特征和目标作物的种植特点，满足田间移动的基本功能需要，移动装置的本体平台采用了高地隙、框架车身结构。(B)为提高移动平台在田间移动的通过性和机动性，移动装置采用了四轮独立转向、四轮独立驱动的轮式行走机构。本文从理论建模分析和应用测试两个方面，验证了移动装置具备良好的田间移动和承载能力，该移动平台能够作为田间移动数据采集平台的载体，完成科研工作任务。(2) 高地隙农田数据采集轮式移动平台的电子控制系统研究。本文提出了基于无线网络的模块化和层级化的控制系统方案。该控制系统方案以无线网络为基础，组织轮端嵌入式机电控制模块和车载运动控制模块，建立车载运动核心控制系统，并在此基础上根据实际需要扩展数据采集节点和配置远程控制基站。该控制系统一方面满足车辆运动控制的要求，具有较强的实时性；另一方面又能无缝连接其他的嵌入式、计算机和网络系统，实现系统兼容，能够快速添加控制节点、灵活配置功能模块，以适应平台系统工作模式和工作条件的变化。(3) 多轮独立驱动和多轮独立转向的移动装置运动控制方法研究。从车辆运动学建模，控制方法创新等理论层面分析，和从实际工程应用角度出发，提出了基于车辆模型、最小方差ICR算法和归一化耦合速度同步算法的轮式移动装置运动控制方法。该方法对多轮独立驱动和多轮独立转向的冗余系统具有一定的容错能力，能够在容差范围内对轮式移动系统实施运动控制。其中针对多轴独立驱动的车轮转速控制而提出的归一化耦合速度同步算法是轮式移动装置运动控制方法的核心。该算法通过模拟机械传动系统，对多轴驱动系统在等转速和不等转速条件下，具有较强的转速同步控制能力和一定的抗干扰能力。数值仿真和四轴独立驱动平台测试验证了该方法的有效性。(4) 轮式移动装置平台的应用研究。本文以轮式移动装置为载体，展开了一系列应用方面的新方法研究。首先，基于对遥感技术的分析，合理匹配常规遥感传感器，搭建车载遥感系统，提出了非接触式近距移动测量方法。近距测量充分发挥常规数据采集传感器的优点，大幅提高数据分辨率；而非接触式测量能够大幅降低数据采集对目标作物的损伤；利用平台的机动性，实现较为高效的数据采集作业。其次，通过对图像传感器的基础研究，建立图像传感器感光强度与植物光谱反射率模型，结合图像处理技术，提出了基于常规光学图像传感器的植物生长状态指数测量新方法。该方法在降低传感器成本的情况下，能够获得较为准确的测量结果，对诸如植被归一化指数等植物植被生长状态指标的测量具有重要的启发意义。第三，集成激光雷达和惯性测量传感器，提出了植被高度和分布的测量方法。该方法实现了数据采集从二维平面到三维空间扩展，进一步丰富农作物的生长状态信息。最后，本文通过对高地隙农田数据采集移动平台在实际环境下进行的系统性测试，验证了移动平台系统各部分的功能满足应用需求，并证明了本文提出的农田数据采集应用方法的有效性和移动平台作为田间数据采集工具的可行性。高地隙农田数据采集轮式移动平台原型系统的设计及其关键技术研究具有创新和探索意义，对同类平台设计开发和相关技术方法的研究均有启发意义。