[发明专利]农用车辆自主导航转向控制方法

摘要

本发明公开了一种农用车辆自主导航转向控制方法，属于农用移动平台智能高精度跟踪控制领域，符合现代农业与智能农业标准。该基于整数阶PD和分数阶PD控制器的农用车辆自主导航转向控制方法针对实际控制系统中客观存在的时滞环节，采用传统的闭环控制方式，通过开环粗略计算农用车辆实际的横向偏差，闭环校正横向偏差，消除累积误差，抑制时滞参数，直至精确跟踪，实现农用车辆期望路径跟踪的完整控制。

主权项

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：1)首先根据农用车辆实际导航作业的要求，针对实际控制系统客观存在的时延环节，拟定农用车辆路径跟踪控制系统分析设计的流程；农用车辆路径跟踪控制系统的设计流程具体为：首先设定路径跟踪目标y1和确定控制输入u；其次在固有最优控制器的Gc(s)＝3s+0.01基础上，确定保证系统临界稳定的时滞参数τ；根据固有最优PD控制器，确定参数调整策略，分别引入整数阶PD和分数阶PD两种控制结构；然后农用车辆在两种PD控制结构的驱动下开始实际运动，确定实际的路径跟踪目标y，同时将控制输入与实际的路径跟踪目标作比较：u‑y；此时系统开始性能的综合分析：分别计算调整时间ts和超调量σ％，分析此时系统对于外部干扰和系统参数的鲁棒特性，若满足系统要求，则设计工作结束，记录此时PD控制器的结构参数；若不满足系统要求，则继续调整控制决策部分，直至满足系统要求为止；其中上位机与下位机的实时通信以及车辆执行机构的有效联动是确保农用车辆实际导航效果的关键环节；2)搭建农用车辆路径跟踪控制系统，整个系统由转向控制器Gc(s)，时延环节e‑τs和车辆运动学模型G(s)这几部分组成；其中执行机构包含于车辆运动学模型中，传感器闭环反馈环节采用红外位移传感器；农用车辆运动学模型由车辆执行机构与被控对象两部分组成；此时控制系统输出横向偏差即实际的路径跟踪目标y和控制输入u的推导关系如下：y=Gc(s)G(s)e-τs1+Gc(s)G(s)e-τsu---(1)]]>式(1)反映了横向偏差y和控制输入u基于信号传递函数的数学关系，根据式(1)易知，控制器Gc(s)和时延环节e‑τs决定了控制系统的品质，具体会影响输入输出特性关系；3)根据车辆实际导航仿真的需要，设定农用车辆路径跟踪控制系统的输入为控制变量u，输出为横向偏差y；此时路径跟踪目标y1＝u＝1，即农用车辆实际导航的位姿与期望的位姿偏差在1m范围内；此时系统的评价指标为：调整时间ts、超调量σ％、对系统参数Vx和外部干扰d具体的鲁棒稳定性；规定：ts＜5s，σ％<5％，规定误差带为±0.05   (2)若满足上述性能指标与鲁棒特性，则系统设计工作结束，否则一直重复校正直至满足指标为止；4)确定农用车辆路径跟踪控制系统的研究对象，采用东方红‑X804为具体的研究对象，根据车辆的运动模型是三阶的，并且采用研究的车辆运动学模型，进行控制器参数的设计与整定；农用车辆运动学模型采用三阶线性模型，具体如下：y·Ψ·δ·=0Vx000VxL000yΨδ+001u---(3)]]>y=[100]yΨδ---(4)]]>式中，u为控制输入量，即转向轮偏角变化率，经Laplace变换后，以转向轮偏角变化率作为控制输入，横向偏差Y(s)作为系统输出，拖拉机运动控制系统的传递函数可以用一个三阶积分器的形式表示：Y(s)δ·(s)=Vx2/Ls3---(5)]]>式(5)中Vx取1m/s，L取2.314m；加入执行机构时，转向控制系统开环传递函数即车辆运动学模型为：G(s)=4.9s2(s2+3.57s+11.36)---(6)]]>针对上述模型可以设计基于ITAE指标的最优PD控制器：Gc(s)＝3s+0.01   (7)；5)在步骤4确定的控制系统模型下，引入时延环节e‑τs，设计的最优控制器基础上，求出使控制系统保持临界稳定的时滞参数，将此时设计的时滞参数代入到控制系统当中；引入典型的时延环节，通过其一定程度上表征非线性环节对农用车辆运动控制系统的影响，此时设定系统存在时延环节如下：Gd(s)＝e‑τs   (8)上述ITAE性能指标确定的最优控制器下求解系统所能承受的最大时滞参数，根据奈奎斯特判据，易知系统的临界时滞参数为：τ＝0.7884   (9)此时控制系统的开环传递函数为：G(s)=4.9(3s+0.01)s2(s2+3.57s+11.36)e-0.7884s---(10);]]>6)在步骤5的基础上，确定固有控制器参数的调整策略，进行控制器结构参数的设计：首先，求出比例系数kp和微分系数kd的取值范围，再通过四种性能指标ITAE，ISE，IAE和ITSE确定最优化的控制器参数，进而得到最优整数阶PD控制器；7)在步骤6的基础上，根据平相位法，在比例系数kp和微分系数kd二维设计的基础上，引入第三个参数微分阶次μ的设计；根据平相位法的三个设计指标，结合ITAE性能指标，重新整定PD控制器，进而完成分数阶PD控制器结构的分析与设计，分数阶PD控制器有两种结构；指标1：Arg[G(jωc)]＝‑π+Φm指标2：|G(jωc)|dB＝|C(jωc)||Gk(jωc)|dB＝0|G(jωc)|＝|C(jωc)||Gk(jωc)|＝1指标3：(d(Arg[G(jω)])dω)ω=ωc=0]]>8)在步骤6和步骤7的基础上，对比两种PD控制器的控制效果，从时域指标和频域指标两个方面给出具体的数值对比；同时将系统的鲁棒稳定性纳入到系统的评价体系中，通过分析比较两种控制器对外部干扰和系统参数的鲁棒稳定性能，确定最优的PD控制器结构；9)利用ARM与现有的农用车辆平台，完成上位机与下位机的及时通信，并且将执行机构的设计融入到控制系统中去，构建一种农用移动平台路径跟踪控制装置：包括主命令控制器、闭环路径跟踪转向传感器、人机交互控制界面HMI以及农用车辆硬件平台，不断调试、整定参数，使农用车辆运行达到自衡状态。