一种农用轮式拖拉机路径跟踪输出反馈控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种农用轮式拖拉机路径跟踪的输出反馈控制策略，属于农业机械导航技术领域。主要步骤为：1.建立包含扰动的路径跟踪模型，并转化为严格反馈形式的状态方程；2.设计二阶精确微分器实现对状态方程中与航向相关的未知状态以及集总扰动的估计；3.基于路径跟踪的目标，选取滑模面，建立一阶滑模动力学方程；4.设计输出反馈的控制器，实现路径跟踪目标。本发明专利技术的优点：一、控制器设计仅使用位置偏差信息，在不使用传感器测量航向偏差信息情况下实现路径跟踪的目标，减少了传感器成本；二、所述控制器缩短了系统响应时间，提高了跟踪精度；三、系统中的扰动量被精确估计并同步将其补偿到控制器中，增强了系统的抗扰动性能。能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种农用轮式拖拉机路径跟踪输出反馈控制策略


[0001]本专利技术涉及农用轮式拖拉机的导航系统路径跟踪控制技术，具体是利用状态观测技术和超螺旋控制方法设计一种输出反馈的路径跟踪算法。旨在提高农用轮式拖拉机导航系统的瞬态性能、跟踪精度以及稳定性，属于农业机械导航


技术介绍

[0002]农业生产机械化与自动化是精准农业实施的基础，农业生产机械化、自动化程度越高越有利于精准农业技术的实施。农用拖拉机作为田间机械化作业的重要动力来源，可与各类农机具一起实现一系列田间作业与田间管理等任务，也可以通过牵引挂车实现运输作业。然而，自动导航系统的控制效果受农机自身机械机构、位姿传感器、作业工况及控制算法等因素的影响，这导致农用拖拉机的自动导航系统在实际工作中并不能取得满意的跟踪效果。为了解决这一问题，通过研究农机导航系统路径跟踪控制算法，使自动导航系统不仅保证作业精度，还能提升导航系统应对扰动的鲁棒性。
[0003]一般情况下，农用拖拉机导航系统路径跟踪控制器设计需要使用车辆位置信息和航向信息。然而，由于安装在农机上用于测量航向的传感器易受到测量噪声和车辆晃动的影响，这会导致航向信息的测量值存在较大的误差，导致控制信号异常的波动，影响路径跟踪效果。因此，本专利技术拟采用状态观测技术同时对与航向相关的未知系统状态进行实时观测，对未知集总扰动进行实时估计；在此基础上，利用超螺旋控制方法进行输出反馈的控制设计。值得指出的是，所开发的路径跟踪控制策略仅需要测量车辆的位置信息，不使用传感器测量航向信息的情况下实现对车辆的控制；另外，该路径跟踪控制算法在提高瞬态路径跟踪性能，消除稳态误差、提升稳定性以及抑制扰动方向均表现出有效性。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出了一种农用轮式拖拉机路径跟踪的输出反馈控制策略,在不使用传感器测量的航向信息情况下实现路径跟踪控制目标。所设计的路径跟踪控制算法在提高拖拉机导航系统瞬态路径跟踪性能，消除稳态误差、提升稳定性以及抑制扰动方面均表现出有效性。
[0005]一种农用轮式拖拉机路径跟踪的输出反馈控制策略，具体设计步骤如下：
[0006]步骤一，分析农用轮式拖拉机实际作业过程中存在的扰动因素，构建包含扰动的路径跟踪模型，以其作为路径控制器设计的参考模型；
[0007]步骤二，引入坐标变换，将步骤一中得到的路径跟踪模型转化为便于控制器设计的严格反馈形式的状态方程；
[0008]步骤三，针对步骤二中得到的状态方程存在的未知系统状态和未知集总扰动，设计二阶精确微分器，同时实现对未知状态的实时观测以及未知集总扰动的精确估计；
[0009]步骤四，基于路径跟踪的目标，选取合适的滑动变量，结合步骤二中得到的状态方程和步骤三中的精确微分器，建立一阶滑模动力学方程；
[0010]步骤五，基于步骤四中构建的一阶滑模动力学方程，设计基于状态观测技术的输出反馈超螺旋控制器，进而，通过逆变换，得到车辆前轮转向角这个实际的控制输入。
[0011]具体地，所述步骤一中，建立农用轮式拖拉机路径跟踪模型为：
[0012][0013]其中，l
os
和θ
os
分别表示横向偏差和航向偏差，σ是方向系数，v是纵向速度，l
t
是车辆轴距，δ是前轮转向角，c
d
是参考路径的曲率，d(t)是包含系统不确定和外界干扰的集总扰动。
[0014]所述步骤二中，为了便于控制器设计，将路径跟踪模型(1)转化为便于控制器设计的严格反馈的标准形式。为了方便起见，假设车辆向前行驶且按顺时针行驶方式去跟踪参考的路径，即方向系数σ＝
‑
1，v＞0。令x1＝l
os
，x2＝v sinθ
os
，u＝tanδ，则系统(1)可以重新表示如下：
[0015][0016]其中，x1和x2是状态变量，u是虚拟的控制输入。
[0017]所述步骤三中，针对系统(2)中存在的未知系统状态x2，设计二阶精确微分器对未知状态x2的进行在线观测。为便于设计状态观测器，将系统(2)重新表示成如下形式：
[0018][0019]其中，为集总扰动；针对系统(3)中存在的未知系统状态x2和未知集总扰动Δ，设计二阶精确微分器如下：
[0020][0021]其中，L1，L2和L3为正实数的观测增益，和表示观测器输出变量。通过选择合理的扰动观测增益，输出状态用于实时观测未知状态x2，输出状态用于估计集总扰动Δ。
[0022]所述步骤四中，考虑到农用拖拉机路径跟踪的目标是使得横向偏差和航向偏差收敛到零；为此，利用(4)中得到的未知状态的观测值选取滑动变量如下：
[0023][0024]其中ζ是正定的控制参数。进一步，对滑动变量s沿着系统(3)求导，并结合状态观测器 (4)可以得到一阶滑模动力学方程：
[0025][0026]其中，分别是状态x1和x2的观测误差。
[0027]所述步骤五中，基于状态观测技术的输出反馈连续超螺旋控制器u设计为：
[0028][0029]其中k1＞0，k2＞0，则滑动变量s将在有限时间内稳定。
[0030]进一步，对虚拟的控制器u＝tan(δ)实施逆变换，则实际前轮转向角δ为：
[0031][0032]则横向偏差l
os
和航向偏差θ
os
收敛到零。
[0033]本专利技术具有的突出益效果如下：
[0034]1.本专利技术中将路径跟踪模型转化为严格反馈形式的状态方程进行控制设计，降低了控制器设计的难度；控制器设计仅使用测量的位置偏差信息，在不使用传感器测量航向偏差信息情况下实现对车辆的控制，减少了传感器成本。
[0035]2.本专利技术中的路径跟踪算法不仅能确保横向偏差和航向偏差在有限时间内收敛到零，还能够获得更快的系统响应和较高的跟踪精度。
[0036]3.本专利技术方法简单，容易实现，通过二阶精确微分器来估计系统中的扰动量并同步将其补偿到控制器中，从而增强了系统的抗扰动的鲁棒性，具有较好的控制效果。
附图说明
[0037]图1为本专利技术的农用轮式拖拉机路径跟踪控制系统的控制框图。
[0038]图2为本专利技术的农用轮式拖拉机路径跟踪示意图。
[0039]图3为扰动d(t)随时间变化的曲线。
[0040]图4为U型路径工况下横向偏差的响应曲线。
[0041]图5为U型路径工况下航向偏差的响应曲线。
[0042]图6为U型路径工况下前轮转向角的响应曲线。
[0043]图7为U型路径工况下路径跟踪的轨迹结果。
具体实施方式
[0044]本专利技术提供了一种农用轮式拖拉机路径跟踪的输出反馈控制策略。为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。应当理解的是，此处描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种农用轮式拖拉机路径跟踪的输出反馈控制策略，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，分析农用轮式拖拉机实际作业过程中存在的扰动因素，构建包含扰动的路径跟踪模型，以其作为路径控制器设计的参考模型；步骤二，引入坐标变换，将步骤一中得到的路径跟踪模型转化为便于控制器设计的严格反馈形式的状态方程；步骤三，针对步骤二中得到的状态方程存在的未知系统状态和未知集总扰动，设计二阶精确微分器，同时实现对未知状态的实时观测以及未知集总扰动的精确估计；步骤四，基于路径跟踪的目标，选取合适的滑动变量，结合步骤二中得到的状态方程和步骤三中的精确微分器，建立一阶滑模动力学方程；步骤五，基于步骤四中构建的一阶滑模动力学方程，设计基于状态观测技术的输出反馈超螺旋控制器，进而，通过逆变换，得到车辆前轮转向角这个实际的控制输入。2.根据权利要求1所述的一种农用轮式拖拉机路径跟踪的输出反馈控制策略，其特征在于，所述步骤一中，考虑到农机在实际工作场景中会受到未建模动态、侧滑效应以及未知的外部扰动等因素的影响，建立包含扰动的路径跟踪模型如下：其中，l
os
和θ
os
分别表示横向偏差和航向偏差，σ是方向系数，v是纵向速度，l
t
是车辆轴距，δ是前轮转向角，c
d
是参考路径的曲率，d(t)是集总扰动，主要包含未建模动态、侧滑效应以及未知的外部扰动。3.根据权利要求1所述的一种农用轮式拖拉机路径跟踪的输出反馈控制策略，其特征在于，所述步骤二中，将路径跟踪模型转化为严格反馈形式的状态方程，更有利于控制设计，具体实施过程为：假设车辆被考虑向前行驶，且车辆按顺时针行驶的方式去跟踪参...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁世宏，丁晨，魏新华，刘陆，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：