[发明专利]农用车辆自主导航转向控制方法

说明书

技术领域

本发明属于农用移动平台(装置、设施)路径智能跟踪与高精度下鲁棒性能的研究领域。具体涉及到农用车辆智能导航路径跟踪控制策略的理论与实际探讨，提出双结构的控制器设计思路:最优整数阶PD控制器、最优分数阶PD控制器。控制系统结构采用传统的定值单闭环反馈控制。

背景技术

农用车辆自主导航控制技术一直是现代农业与精准农业重点推广、试点的关键农业工程技术。农用车辆自主导航控制技术是当代农业领域重点关注的优先发展方向。相关文献表明，我国农业作业环境相对复杂，农业作业效率因人为因素等自然条件限制，各个地区呈现出差异性。如何尽量降低人为因素对农业生产质量与效率的影响，是农业工程专家学者普遍关心的问题。正是基于以上农业作业的具体要求，发展无人驾驶的农用智能导航作业成为了行业发展的需求。并且在农机与农艺进一步融合的大背景下，农用智能导航作业的发展充满了强大的生命力。

农用车辆自主导航控制技术主要包括：导航传感器的设计、导航路径规划问题、农用车辆运动学模型和动力学模型的构建问题、跟踪转向控制器的设计等。其中，导航传感器的选择直接决定了农用车辆的导航方式，传统的导航方式有：GPS导航、视觉导航、电磁导航、机械导航、激光导航、超声波导航、地磁导航等其他方式。路径规划是农用车辆运行的基准，根据不同的作业要求，路径可以分为直线跟踪、曲线跟踪、直线曲线复合跟踪。车辆运动学模型和动力学模型的有效辨识与构建是车辆导航的基础。通过上述的介绍，农业机械智能导航关键技术概括起来可以分为三类：环境感知、导航控制、地图构建。

本发明致力于导航控制器的开发研究。即在环境感知和地图有效创建的基础上，采用稳定可靠、技术合理的控制策略整定导航控制系统，使系统在定值单闭环反馈控制的约束下，完成对既定路径的高精度跟踪控制。正是基于导航跟踪控制策略对于农业机械导航的重要性，越来越多的农业工程学者加入到研究的队伍中来。

国内外研究表明，农用车辆工作环境与运行情况极为复杂，农业播种、植保、生产、收获等农业作业环节对车辆作业的要求也不尽相同。从系统控制论的角度理解农业过程，可知农业作业环节是复杂的系统，其可以划分为若干个子系统，每个子系统对于农业车辆的作业要求都是不同的。农用车辆自主导航控制系统是绝对时延与相对线性的结合，因此农用车辆自主导航的控制策略是灵活而多变的。

在传统的控制策略中，PID是农用车辆自主导航控制系统中最常用的控制手段。其控制效果相对稳定，技术成熟。因而本发明重点研究PID控制策略的技术改进，挖掘经典PID控制在农业工程领域的自由裕度，针对农用车辆自主导航控制系统中常见的问题，给出控制器定性与定量的技术整定，为农业车辆导航控制技术的进一步完善提高知识储备和技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供了基于整数阶PD和分数阶PD最优控制器的农用车辆自主导航转向控制方法。同时针对农用车辆自主导航控制系统的运动机理，搭建必要的软硬件实验平台。在理论仿真与实验验证实时在线对比的基础上，实现农用车辆自主导航智能转向控制。设计的控制系统可以克服积分饱和等不确定问题，实现预定路径的无静差跟踪。在最优整数阶PD控制器结构下，系统的调整时间为3.75s，超调量为4.63％；在最优分数阶PD控制器结构下，系统的调整时间为3.12s，超调量为2.24％。设计后的控制系统不仅能有效抑制系统不确定的时延参数，而且保持满意的动态性能与稳态性能。两种控制器结构可以有效改善系统参数与外界扰动带来的鲁棒稳定性问题。

为了实现上述的发明目的，本发明的采用的技术方案如下：

农用车辆自主导航转向控制方法，其特征在于，包括如下几个步骤：