一种农用全地形车转向跟踪复合控制方法技术

一种农用全地形车转向跟踪复合控制方法，包括转向跟踪控制系统的结构原理、复合模糊PID控制器设计、转向跟踪仿真。为提高农用全地形车在自主导航行驶中转向跟踪控制的响应特性和稳定性，设计了以农用全地形车前轮转角偏差和偏差变化率为输入，以电机控制电压和PID三个控制参数为输出的模糊控制器，结合PID控制器实现前轮转角偏差大于10°时采用模糊控制和转角偏差小于等于10°时采用自适应模糊PID控制。仿真结果表明，采用复合模糊PID控制器在前轮转角偏差较大变化范围内均能实现快速和准确的转向跟踪。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种转向控制方法，特别涉及一种用于农用全地形车转向跟踪复合控制方法。
技术介绍
车辆自主导航技术极大地促使农用全地形车在农业生产中迈向自动化和智能化发展，已成为各国研宄的热点之一。转向跟踪控制技术是农用全地形车实现自主转向进而实现自主导航控制的重要基础。农用全地形车在农业发展中将发挥重要作用，然而快速和精确的转向跟踪控制方法仍未达到较为理想效果。控制手段限制了农用全地形车的发展。在农用全地形车自主导航行驶过程中，农用全地形车实际位置与目标位置之间的横向偏差越小，越能保证农用全地形车沿目标路径行驶。根据车辆运动方程，横向偏差是由车辆航向角偏差引起的，而航向角偏差的产生又和前轮转角的变化直接相关。可见，建立在控制前轮转角变化基础之上的农用全地形车优良转向跟踪特性是实现准确自主导航的关键。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供，以解决上述技术背景中存在的缺点，满足农用全地形车对转向跟踪控制快速和准确性的要求。本专利技术所解决的技术问题采用以下技术方案来实现:，农用全地形车自主转向执行机构的动力由直流电动机提供；车载计算机获取农用全地形车航向角偏差和横向偏差，在进行路径规划后输出目标前轮转角；转角传感器根据农用全地形车状态实时采集前轮实际转角值；还包括复合模糊PID控制器，所述复合模糊PID控制器根据输入的前轮目标转角与实际转角偏差、横向偏差和偏差变化率对比后输出电压信号，控制电机的转向和转速，进而驱动自主转向执行机构动作，实现前轮实际转角快速、精确跟踪目标转角。当前轮转角偏差大于10°时，发挥模糊控制器响应速度快的优点对偏差快速调节；当前轮转角偏差被调节到小于等于10°时，发挥模糊控制的自适应性和PID控制的精确性，利用复合模糊PID控制器对前轮转角精准调节。利用复合模糊PID控制器和电机模型，建立Matlab/Simulink环境下的农用全地形车转向跟踪控制系统仿真图，得到农用全地形车目标前轮转角分别为5°和15°时的阶跃响应曲线，当目标前轮转角为5°时，使用复合模糊PID控制比传统PID控制，调节时间降低0.ls，最大超调量由6.28°降至6° ;当目标前轮转角为15°时，调节时间降低0.35s，最大超调量由18.27°降至16°。还包括执行结构，所述执行结构由摩檫轮、拉簧和离合手柄组成，所述摩檫轮与电机的输出轴相连，所述离合手柄的一端连接电机，另一端连接方向盘底部的转向轴；所述拉簧的一端连接方向盘底部的转向轴，另一端连接离合手柄。所述摩擦轮在拉簧的作用下与方向盘紧密接触。本专利技术为提高农用全地形车在自主导航行驶中转向跟踪控制的响应特性和稳定性，设计了以农用全地形车前轮转角偏差和偏差变化率为输入，以电机控制电压和PID三个控制参数为输出的模糊控制器，结合PID控制器实现前轮转角偏差大于10°时采用模糊控制和转角偏差小于等于10°时采用自适应模糊PID控制。仿真结果表明，采用复合模糊PID控制器在前轮转角偏差较大变化范围内均能实现快速和准确的转向跟踪。【附图说明】图1是本专利技术的结构原理框图。图2是农用全地形车自主转向结构(执行结构)示意图。图3是农用全地形车转向跟踪控制策略原理框图。图4是电机简化模型示意图。图5是农用全地形车转向跟踪控制系统仿真图。图6是5°和15°时的仿真曲线图。【具体实施方式】下面结合附图进一步阐述，使本专利技术的技术手段、创作特征和实现效果更加明了。农用全地形车转向跟踪控制系统的结构原理如图1所示。农用全地形车本身安装了液压助力转向装置，选择小输出扭矩电机即可满足方向盘转动力矩的要求。执行结构如图2所示，它的动力由直流电动机提供。执行结构由摩檫轮1、拉簧2和离合手柄3组成，所述摩檫轮I与电机4的输出轴相连，所述离合手柄3的一端连接电机4，另一端连接方向盘底部的转向轴6 ;所述拉簧2的一端连接方向盘底部的转向轴6，另一端连接离合手柄3。使用时可以根据需要确定摩擦轮是否需要与方向盘紧密接触。所述的复合模糊PID控制器设计包括控制器是农用全地形车实现优良转向跟踪特性的关键，设计控制器时要考虑被控对象的机械结构特点和所处工作环境。在控制方法中，PID控制和模糊控制因其自身的特点得到广泛的应用。本专利将这两种控制方法的优点相结合设计出复合模糊PID控制器。PID控制又称偏差控制，它对输入系统的偏差值，按照比例、微分与积分函数关系进行运算，并将计算结果的加权和作为系统的控制量对受控对象施加控制。模糊控制是以模糊集合理论和模糊逻辑推理为基础，把自然语言表述的知识和控制经验，通过模糊理论转换成数学模型进行控制。PID控制方法在建立被控对象的准确数学模型和对控制参数合理设定后具有稳态特性好和控制精度高等优点。模糊控制方法不需要建立精确的数学模型且具有响应速度快、自适应和抗干扰能力强等优点。本专利技术所述农用全地形车转向跟踪复合控制方法包括转向跟踪控制系统的结构原理、复合模糊PID控制器设计、转向跟踪仿真。农用全地形车转向系统结构复杂很难建立精确的数学模型，加上农业生产过程中干扰因素较多，要想获得优良转向特性，需采用复合控制方法。车载计算机获取农用全地形车航向角偏差和横向偏差，在进行路径规划后输出目标前轮转角；转角传感器根据农用全地形车状态实时采集前轮实际转角值；复合模糊PID控制器根据输入的前轮目标转角与实际转角偏差、横向偏差和偏差变化率对比后输出电压信号，控制电机的转向和转速，进而驱动自主转向执行机构动作，实现前轮实际转角快速、精确跟踪目标转角。农用全地形车转向跟踪控制策略原理如图3所示。当前轮转角偏差大于10°时，发挥模糊控制器响应速度快的优点对偏差快速调节；当前轮转角偏差被调节到小于等于10°时，发挥模糊控制的自适应性和PID控制的精确性，利用自适应模糊PID控制器对前轮转角精准调节。这同时也解决了使用模糊控制时，当偏差控制范围过大，由于有限的模糊论域量化等级，使系统产生静态偏差的冋题。所述的转向跟踪仿真包括直流电机模型，复合模糊PID控制器最终输出电机控制电压U，建立电机模型实现转向跟踪仿真。简化后的电机模型如图4所示。图4中，Um为电机电枢端电压(V)，RmS电机电枢电阻(Ω)，Lm为电枢电感⑶，E为反电动势(V)，Θ见为电机转角(rad)，Jm为转动惯量，Cm为黏性阻尼系数，U*电机励磁电压(V)，Im为电机电流(A)0利用复合模糊PID控制器和电机模型，建立Matlab/Simulink环境下的农用全地形车转向跟踪控制系统仿真如图5所示。得到农用全地形车目标前轮转角分别为5°和15°时的阶跃响应曲线，仿真结果如图6所示。当目标前轮转角为5°时，使用复合模糊PID控制比传统PID控制，调节时间降低0.ls，最大超调量由6.28°降至6° ;当目标前轮转角为15°时，调节时间降低0.35s，最大超调量由18.27°降至16°。【主权项】1.，其特征在于，农用全地形车自主转向执行机构的动力由直流电动机提供；车载计算机获取农用全地形车航向角偏差和横向偏差，在进行路径规划后输出目标前轮转角；转角传感器根据农用全地形车状态实时采集前轮实际转角值； 还包括复合模糊PID控制器，所述复合模糊PID控制器根据输入的前轮目标转角与实际转角偏差、横向偏差和偏差变化率对比后输出电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种农用全地形车转向跟踪复合控制方法，其特征在于，农用全地形车自主转向执行机构的动力由直流电动机提供；车载计算机获取农用全地形车航向角偏差和横向偏差，在进行路径规划后输出目标前轮转角；转角传感器根据农用全地形车状态实时采集前轮实际转角值；还包括复合模糊PID控制器，所述复合模糊PID控制器根据输入的前轮目标转角与实际转角偏差、横向偏差和偏差变化率对比后输出电压信号，控制电机的转向和转速，进而驱动自主转向执行机构动作，实现前轮实际转角快速、精确跟踪目标转角。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李志鹏，郭艳玲，王猛，宋海兵，
申请(专利权)人：哈尔滨力盛达机电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23