GPS導航計算機畢業設計開題報告

時間：2024-07-29 07:46:43 開題報告我要投稿

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GPS導航計算機畢業設計開題報告

　　全球衛星定位系統（GPS）能全天候全天時提供高精度的位置、速度和時間信息，在軍事和民用上顯現出越來越重要的用途，其應用前景遠遠超出人們的想象。我們在這里和大家分享一篇GPS導航計算機畢業設計開題報告，希望大家喜歡。

GPS導航計算機畢業設計開題報告

　　一、研究的意義

　　精準農業，也叫精確農業（Precisionagriculture），是在20世紀90年代，為了倡導環境保全型的農業，由美國明尼蘇達大學的土壤學者的提出。通過使用科學技術手段，從而讓農田內不同單元小區的農業生產的投入為最經濟和科學合理的，以達到獲得經濟、環境等方面最高的回報目的，從而實現農業生產的精準管理的方式，這種方式是精準農業技術思想的實質。

　　精準農業的技術核心是用信息技術改造傳統農業，將全球定位系統，地理信息系統等高新技術集成起來，實現農業可持續發展目標。拖拉機是實施精準農業所必須的物質載體，它可以與附裝的、懸掛的或牽引的的農機具一起完成起壟、播種、施肥、噴藥等大部分田間作業。

　　精準農業的技術體系可以分成兩類，一是基于3S技術的精準農業，另一類基于傳感器技術的精準農業。

　　基于3S技術的精準農業，也被稱為基于地圖的精準農業（Map-basedapproach），是以地理信息系統（GIS）、全球衛星定位系統（GPS）、遙感技術（RS）和計算機自動控制系統為其主要核心。農業信息的重要組成部分是精準農業，特點是在土壤的監測和作物信息數據分析使用地理信息系統，作為屬性數據，并與矢量化地圖數據一起制成具有實效性和可操作性的田間管理信息系統。

　　基于傳感器的精準農業（Sensor-basedapproach），可以通過使用傳感器及時性的特點，測定所需的特性，如土壤、作物等，對這些測得的信息，經過快速的數據處理以后，就可以直接用于控制變量管理，所以，這種操作可以不依賴GPS系統的支持，同樣也不依賴GIS的支持。

　　從當前的研究進展得知，以3S技術為基礎的精準農業的應用較為普遍，主要原因是因為田間實時傳感器昂貴，精度差。另一方面，采用GPS定位技術和GIS技術相結合的方法，對土壤的取樣、產量的實時監測、遙感、土壤地圖的繪制等都非常的便利，加上統計學、作物模擬的多種方法，使得以3S技術為基礎的精準農業的應用模式更為普遍。

　　隨著勞動生產率的挑高，農用拖拉機向大型化方向的發展，這種趨勢在歐洲和北美表現尤為明顯。近幾年，在我國東北地區，其發展勢頭也日益迅猛，另外，現代農業作業要求作業速度越來越快、作業幅寬越來越寬、作業質量越來越高，其結果就是人們越來越依賴少數幾臺功率較大的拖拉機，并迫切需要能夠最大限度的提高這些拖拉機的作業效率。這也對駕駛員的操作水平提出了越來越高的要求，駕駛員的工作負荷也越來越大。在高速寬幅作業機械行進過程，要求駕駛員操縱作業機械精確的沿作物行間隙或預定路線行走。

　　我國目前的農業生產比較落后，普遍存在資源利用率低，投入產出率低的的現象。現有農業生產主要基于農業原料（如化肥等）的大量投入條件下獲得的，由于盲目的施用大量的化肥，化肥投入量大，每年單位耕地面積化肥投入量高于世界平均水平的3倍多。

　　嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統綜合運用了嵌入式技術、GPS、GIS和計算機編程等技術。

　　GPS和GIS技術是嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統的核心技術，如何利用相關的技術提高嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統的整體性能正處于不斷的發展與完善中，開展針對基于GPS和GIS技術的研究不僅可以提高系統的性能，而且還提高系統的可靠性。

　　綜上所述，通過對嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統的應用研究，可以提高對農業機械的控制和駕駛水平，保障農業機械作業時，可以安全、高效的進行。不斷完善嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統的研究，相當于提高了農業機械的作業效率、降低駕駛員的工作量，減輕駕駛員的生理和心理上的負擔；而且眾所周知，一些農田作業環境非常惡劣，如實施農藥和化肥的噴灑作業時，會對駕駛員身體產生一定的危害。嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統有利于提高勞動生產效率、降低駕駛難度、提高作業質量，將駕駛員從惡劣環境中解放出來。因此，開展研究嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統的應用研究是非常有必要的，對實現我國農業機械的現代化發展意義非常的重大。

　　二、國內外研究現狀

　　國外研究動態目前，世界上對精準農業的實踐應用到很多方面，例如配方施肥，精量播種，病蟲害防治，雜草清除和水分管理，都有精準農業的參與。在一些發達國家中，精準農業已經成為對合理使用農業資源、改善生態環境和農業可持續發展的科學技術基礎。在發達國家，為改善生態環境和農業的可持續發展，對農業資源合理的使用，在精準農業的研究上已投入大量人力和物力，而且還成立了專門的研究機構，并且在大學里面設立與精準農業有關的課程體系。

　　發展精準農業最早的國家是美國，目前，美國連接到互聯網的農民約為51%,使用直升機進行耕作管理的農場為20%,許多大中型農場都安裝了GPS定位系統。這些對高新技術的應用，在美國成為農業信息化的主要內容，同時也打造出美國的精準農業體系。

　　在美國，在甜菜、小麥、玉米和大豆等作物的種植上，廣泛的使用精準農業技術。美國CASE和美國JOHNDEERE研究開發出一套準精準農業機械裝備，包括：大型氣力輸送試變量施肥播種機，聯合收獲機產量檢測系統，大型自走式變量噴藥機，農機作業GPS導航自動駕駛裝置。

　　在上世紀70年代，世界許多工程師，對農田機械的自動導航進行了研究。

　　比較具有代表性的國家主要以美國、日本、歐洲等發達國家。美國的Conner等人，試驗是以JoneDeere7800拖拉機為平臺，將4個獨立的GPS安裝在駕駛倉外，產生的定位信息頻率是10Hz,從而達到了以4天線載波相位的GPS導航目的，定位精度達到了2.5cm。斯坦福大學也同樣也以JoneDeere拖拉機為試驗平臺，使用4個DGPS座位導航儀器，由試驗結果可以知道，在以速度為3.25公里/小時的直線行駛中，其最大偏差的值為2.5cm。

　　1998年Noguchi等人采用ExtendedKalmanFilter（EKF）對機器視覺、PTK-GPS、GDS融合導航問題進行了研究，對3種傳感器的4種不同的組合方式的導航控制進行了相關的試驗研究，其中包括RTK-GPS（精度±20cm）與GDS融合后的導航精度達到±8.4cm.在國外，田間的變量實施技術發展很迅速。由Rawson公司生產的產品，ACCU-RATE變量控制器可以根據實際情況，獨立進行編程工作，這樣可以達到控制播種和施肥的目的。天寶公司生產的AGGPS170田間計算機，通過與AGGPS接收機和導航系統結合自動駕駛儀，實現導航、成圖、土壤取樣、變量控制、作業記錄等多種功能。用于顆粒狀肥料的變量施肥機是由俄羅斯的全俄農機化研究所開發研制的，為了完成控制排肥量的目的，該變量施肥機在排肥口處安裝了共振片和電磁鐵，通過使用振動開關的方式來控制排肥量。

　　丹麥AalborgUniversity的K.M.Nielse,P.Andersen等人利用GPS和陀螺儀實現拖拉機導航控制，基于機器視覺研發了用于繪制雜草分布圖的自動行走拖拉機，該系統可以檢測作物雜草，可用于精確農業點噴霧、施肥、除草等操作。

　　GPS定位應用到英國西爾索研究所的智能除草拖拉機上，在草地上行駛時，根據坐標已經輸入值自動啟動噴霧器，達到噴灑除草劑的目標，達到除草的目的，具有良好的經濟效益。荷蘭InstituteofAgriculturalandEnironmentalEngineeringIMAG-DLO的R.P.VanZuydam利用電子地圖與RTKGPS組合導航技術實現對拖拉機轉向的控制，并進行了現場試驗，結果表明，其最大誤差12cm,混凝土路面試驗的最大誤差為2cm。

　　在最近5年來，“國際精準農業學術研討會”及相關裝備和技術產品展覽會每年都會舉辦，在重要國際學術會議或專業刊物上已經發表大量的學術報告和研究發現。

　　國內研究動態國內專家對精準農業的研究很少，西安交通大學的楊為民博士、李天石等開發了農業機械機器視覺導航試驗系統；西北農林科技大學的楊青教授領導的基于GPS與GIS控制的可變灌溉系統研究；位于北京小湯山的精準農業試驗示范基地是由國家農業信息化工程技術研究中心建立的，2F-VTR1型變量施肥機和1G-VRT1旋耕變量施肥機就是由該研究中心的王秀、陳立平、孟志軍等人研究的，該設備主要根據用戶設置施肥量或上位控制計算機處方施肥量、實時接收GPS位置信號及作業行走速度信號，自動調整排肥驅動系統的轉速，實現實時變量施肥。在播前施用種肥和冬小麥返青變量施肥作業的時候可以使用2F-VRT1型變量施肥機，在牧草的變量施肥作業中也可以使用該施肥機。在進行旋耕作業的同時使用1G-VRT1旋耕變量施肥機進行實時變量施肥。

　　在吉林省榆樹市弓棚鎮由吉林農業大學建立的玉米精準農業示范基地，吉林農業大學的科研人員陳桂芬、田云和吉林大學的科研人員張書惠等人共同研制出2BAF-6型玉米變量施肥精密播種機和2BFQ-6型精密播種變量施肥機。

　　中國農機研究院張小超等人研制出小麥變量施肥播種機，該變量施肥控制方案采用液壓油缸控制排肥槽輪伸縮長度控制排肥量。

　　2002年黑龍江省友誼農場引進美國CASE公司整套精準農業機械設備，進行精準農業技術試驗示范，取得了階段性試驗效果。

　　2003年黑龍江省大西江農場引進了美國JOHNDEERE公司整套精準農業機械裝備，進行試驗示范。

　　黑龍江八一農墾大學精準農業技術研究中心研制的2BJ-6W型大豆精密播種機，播種機為6行壟作，行距平均為70cm,幅寬為4.2cm.上位計算機采用觸摸液晶屏工控計算機，操作系統采用Windows98或者WindowsME.變量施肥軟件采用VB6.0編程，完成系統與DGPS的通信和上位計算機下位單片機的RS-232通信，具有數據庫管理，圖形管理和變量控制功能。

　　總之，根據近年來研究進展情況看，我國在精準農業技術的研究方面已經取得了一些成績，但在通過嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統方面還需要進一步的深入研究。

　　三、研究的目的

　　精準農業技術是當今現代化大農業的前沿高新技術，根據農田空間差異和作物栽培的需求開展農業機械導航控制和變量施肥技術。本課題的目的在于使用計算機編程方法、SerialPort控件和eSuperMap嵌入式地理信息系統控件，利用GPS和GIS技術，研究設計嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統。通過RS-232串口接收GPS實時數據和發送控制指令，實現對農業機械的導航控制和變量施肥機馬達轉速的控制，達到提高農業機械作業的效率、減少肥料浪費、節省操作時間、減輕農業機械駕駛員的工作強度的目的，從而實現降低農業生產的成本，提高農業生產的經濟效益和生態效益。

　　四、研究內容

　　本課題研究內容是“嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統”.主要研究有以下幾方面：

　　一是GPS技術在導航和定位上的應用研究。利用C#編程語言和SerialPort控件實現RS-232串口接收GPS實時信息的功能，解決對GPS數據的截取、導航提示的問題。

　　二是GIS技術在變量施肥控制上的應用研究。利用eSuperMap嵌入式地理信息控件和由RS-232串口接收到的GPS信息，研發了車載計算機變量施肥控制軟件，解決了變量施肥作業的變量指令在車載計算機中如何發送給變量控制器、變量施肥的處方數據存儲和農機在處方圖上定位顯示的問題。

　　三是嵌入式編程技術的研究。由于嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統搭載到車載一體機中，必須解決嵌入式硬件設備資源緊張的問題，使軟件做到對硬件資源消耗低，但是功能強大和性能突出的特點。

　　四是對定位導航與變量施肥算法的研究。軟件的執行效率和穩定性，取決于算法的優劣和對算法的優化，所以為了更好的完成對嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統，需要對關鍵算法進行研究，包括：坐標投影變換的研究、直線行走導航算法的研究、定位算法的研究和變量施肥算法的研究。

　　五、提綱

　　摘要

　　第一章緒論1.1研究的意義

　　1.2國內外研究現狀

　　1.2.1國外研究動態

　　1.2.2國內研究動態

　　1.2.3研究趨勢

　　1.3研究目的和內容

　　1.3.1研究目的

　　1.3.2研究內容

　　1.4研究方法

　　1.5本章小結

　　第二章硬件系統的組成設計

　　2.1系統組成的概述

　　2.2GPS接收機

　　2.3車載觸控計算機

　　2.4GPS導航光耙及其設計

　　2.5變量施肥控制器及其設計

　　2.5.1控制系統方案

　　2.5.2閉環控制器總體方案

　　2.5.3變量施肥閉環控制程序流程圖

　　2.6本章小結

　　第三章定位導航與變量施肥算法研究

　　3.1坐標投影變換的研究

　　3.1.1UTM投影系統

　　3.1.2UTM投影的實現

　　3.1.3UTM投影反算的實現

　　3.2直線行走導航算法的研究

　　3.2.1確定導航AB線

　　3.2.2農業機械在導航AB線的位置

　　3.2.3偏航距離及左右確定

　　3.3定位算法的研究

　　3.3.1標準卡爾曼濾波模型

　　3.3.2運動載體的GPS動態定位系統數學模型

　　3.3.3提高GPS定位精度的改進卡爾曼濾波算法的實現

　　3.4嵌入式地理信息系統及變量施肥算法的研究

　　3.4.1嵌入式地理信息系統的概念

　　3.4.2eSuperMap概述

　　3.4.3基于eSuperMap開發的應用系統

　　3.4.4eSuperMap控件在變量施肥中的應用

　　3.4.5變量施肥算法的研究與設計

　　3.5本章小結

　　第四章軟件功能的研究和設計

　　4.1嵌入式系統在農業機械上的應用4.2系統結構的設計

　　4.3數據通訊方式

　　4.3.1RS232串口通訊在。NET下實現

　　4.4導航功能的研究和設計

　　4.4.1GPS信息解析

　　4.4.2GPS導航提示

　　4.4.3導航光耙測試

　　4.4.4導航演示

　　4.4.5作業信息記錄查詢

　　4.5變量施肥的功能研究和設計

　　4.5.1變量施肥控制

　　4.5.2變量控制器參數下傳

　　4.5.3變量控制器參數上傳

　　4.5.4作業信息記錄查詢

　　4.5.5農機作業回放

　　4.6軟件開發語言和工具的選擇

　　4.7本章小結

　　第五章系統的測試試驗

　　5.1系統軟件功能測試

　　5.2系統軟件測試平臺

　　5.3數據測試

　　5.3.1導航控制測試

　　5.3.2變量施肥測試

　　5.4導航控制試驗

　　5.4.1試驗場地

　　5.4.2試驗方法與結果分析

　　5.5變量施肥控制試驗

　　5.5.1試驗基本情況

　　5.5.2試驗結果

　　5.6本章小結

　　第六章結論與展望

　　6.1結論

　　6.2創新點

　　6.3展望

　　六、研究方法

　　在這項研究中，對全球衛星定位系統的理論、地理信息系統的理論、嵌入式編程等理論進行了綜合運用，使用MicrosoftOfficeVisio2003畫圖軟件，完成軟件功能的流程圖和數據庫實體分析圖，使用CaseIHAFSSoftwareAFS精準農業軟件完成農田電子信息地圖，對土壤包含營養成分分布的情況進行研究。

　　在研制變量施肥控制器時，采用閉環自動控制理論和工程設計的方法。在軟件工程相關理論的指導下，在VisualStudio2008開發環境下，使用C#編程語言、SQLCE嵌入式數據庫、eSuperMap嵌入式GIS開發平臺進行嵌入式農機GPS導航及變量施肥控制系統軟件的開發。運用理論分析、系統設計和試驗實踐的方法探索適合我國農機作業導航與變量施肥控制的技術方案。

　　七、進度安排

　　11月01日-11月07日論文選題，

　　11月08日-11月20日初步收集畢業論文相關材料，填寫《任務書》，

　　11月26日-11月30日進一步熟悉畢業論文資料，撰寫開題報告，

　　12月10日-12月19日確定并上交開題報告，

　　01月04日-02月15日完成畢業論文初稿，上交指導老師，

　　02月16日-02月20日完成論文修改工作，

　　02月21日-03月20日定稿、打印、裝訂，

　　03月21日-04月10日論文答辯。

　　八、參考文獻

　　[1]張曉輝，李汝莘。法國的精確農業研究及應用現狀[J].農機化研究，2002（1）：12-15.

　　[2]李強，李永奎。我國農業機械GPS導航技術的發展[J].農機化研究，2009（8）：242-244.