答辩博士：黄薛凯
指导教师：汪小旵教授
论文题目：设施园艺电动旋耕机作业参数自适应控制与自主导航方法研究
答辩委员会：
主席：
鲁植雄 教授/博导 c7娱乐app下载
委员：
周俊 教授/博导 c7娱乐app下载
郑恩来 教授/博导 c7娱乐app下载
张保华 教授/博导 c7娱乐app下载
徐晓美 教授/博导 南京林业大学
钱生越 研究员 南京市农业装备推广中心
秘书：
戴芸 c7娱乐app下载
答辩时间：2026年5月27日14:00
答辩地点：滨江校区c7官网登录入口appB442会议室
论文简介：
设施园艺作为现代农业的重要组成部分，在保障蔬菜稳定供给和提高农业经济效益方面具有重要作用。随着设施园艺向规模化与集约化方向发展，耕整作业对装备的作业质量、效率及稳定性提出了更高要求。然而在作业空间狭小、土壤条件复杂及作业工况多变等因素影响下，传统耕整装备在实际应用过程中仍存在作业质量不稳定、能耗较高以及作业效率不足等问题。电动化与智能化技术的快速发展为设施园艺耕整装备的升级提供了新的技术手段，相较于传统燃油装备，电动旋耕机在节能减排、结构紧凑及控制灵活等方面具有明显优势。但在作业过程中，电动旋耕装备仍面临作业参数依赖经验设定、耕深控制受地形扰动影响较大、底盘运动稳定性不足以及复杂环境下自主导航能力有限等问题，导致作业质量难以稳定提升。
本文围绕设施园艺电动旋耕装备的高质量作业需求开展研究，通过整机结构设计与作业参数优化，明确旋耕关键参数及其最优匹配关系，在此基础上分别针对旋耕深度与底盘运动稳定性开展研究，实现耕深精确调控与底盘的稳定运行；进一步将所设计的耕深控制器与底盘稳定性控制器进行集成，并与自主导航系统融合，构建旋耕执行与自动导航相结合的闭环控制体系。主要研究内容如下：
1、履带式电动旋耕机设计与作业参数优化。根据江苏省大棚建设规范及设施园艺对于耕整作业的需求，提出了模块化履带式电动旋耕机整体方案，设计了隔离型DCDC电气系统架构，根据旋耕作业的动力需求，完成了驱动系统、耕作系统以及提升系统的参数设计以及关键零部件的选型，并通过田间试验验证最大速度、爬坡性能以及转向性能；设计了二次旋转正交试验探究不同前进速度、旋耕深度以及刀辊转速对于耕深稳定性系数、土壤破碎率以及单位面积功耗的影响，以此建立响应面回归模型，采用模糊层次分析法建立不同耕深稳定性系数、土壤破碎率以及单位面积功耗对于旋耕质量的权重矩阵，从而建立多目标优化模型，设计了基于改进灰狼算法的遍历寻优算法，建立不同目标耕深下对应的最优前进速度与刀辊转速。
2、基于底盘俯仰角预测的旋耕深度控制。针对电动旋耕机易受地形起伏的影响导致旋耕深度不稳定的问题，提出了基于底盘俯仰角预测的耕深控制策略。运用多尺度多层级卷积特征提取模块提取俯仰角局部特征，输入双向长短期记忆网络后在时间维度上进行双向动态演化，并使用多头注意力机制对输出的时间序列进行加权优化，实现未来时刻俯仰角的预测，结合运动模型解算未来时刻的耕深；为避免超参数设置不当导致预测精度低的问题，提出了融合Tent混沌种群初始化、自适应距离权重反向学习策略、动态停滞触发的模拟退火策略的改进白鲸算法，对学习率、神经元数量、键值数和正则化系数进行优化；建立了电液提升系统的模型，以此为被控对象设计RBF自抗扰控制器，利用自抗扰控制的非线性特性对耕深控制系统的扰动进行估计与补偿，运用RBF神经网络实时调整非线性反馈控制率增益，通过仿真与试验验证预测控制的有效性。
3、基于直行同步与转向稳定的底盘控制。针对旋耕作业时变扰动下电动旋耕机运动不稳定的问题，提出面向直线行驶同步性与转向横摆稳定性的底盘协同控制策略。对驾驶员操作意图进行解耦，将前进拨杆信号与转向拨杆信号分别等效为速度与横摆角速度需求。在直驶同步性方面，考虑滑移滑转以及两侧履带负载不一致对于直线行驶同步性的问题，设计了基于负载强弱的变增益交叉耦合控制器，同时基于电机转矩矢量模型设计基于驱动电机负载补偿的滑模控制器，并运用改进鲸鱼算法进行滑模面系数与控制率的优化；在转向稳定性方面设计了基于EOS状态阻力观测的纵向速度滑模控制器与横摆角速度模糊PID控制器，并结合最大附着力与外特性曲线约束构建双侧驱动电机转矩分配策略，实现稳定转向与换行作业。
4、基于多传感器融合的自主导航控制。针对当前旋耕作业装备智能化水平低，自主导航精度差的问题，提出了基于多传感器融合的定位算法与路径跟踪控制策略。针对UWB视距与非视距误差影响定位精度的问题，根据采集到的CIR信号运用SVM分类器进行视距误差的识别，建立视距误差多项式修正公式，采用残差评估与加权的方式抑制非视距误差。利用UWB/IMU/Odom进行组合定位，在扩展卡尔曼滤波算法引入遗忘因子进行状态估计，从而获取高精度定位信息；在路径跟踪层面，设计了自适应预瞄距离纯跟踪控制器，引入变论域思想根据横向偏差与航向角偏差实时修正论域范围与预瞄距离，通过仿真与田间试验验证定位精度与路径跟踪性能。
主要创新点如下：
（1）提出设施园艺电动旋耕机多目标作业参数优化方法，构建耕深稳定性、土壤破碎率与单位面积功耗协同评价方法，融合响应面回归与模糊层次分析建立优化模型，并设计改进鲸鱼算法实现不同目标耕深下前进速度与刀辊转速的自适应寻优。
（2）提出基于俯仰角预测的旋耕深度自适应控制方法，构建融合MSCNN-BiLSTM-Attention的姿态预测模型，结合改进白鲸算法优化模型参数，并设计基于RBFNN的自抗扰控制器，实现扰动在线估计与补偿，提升耕深控制精度与稳定性。
（3）提出面向直行同步与转向稳定的履带式电动底盘协同控制方法，构建基于操作意图解耦的速度与横摆双通道控制模型，设计变增益交叉耦合与负载观测滑模控制提升双电机同步性，并结合扩张观测器与模糊PID实现横摆稳定控制。
