用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法技术

本发明专利技术提供了农机路径控制技术领域内的一种用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，具体包括以下步骤，步骤1：输入农机的作业模式；步骤2：获取农机所处环境的地理信息，根据农机实际的作业模式选择对应的掉头路径；步骤3：农机在前进过程中，农机通过传感器获得农机位置信息，使用预瞄和PI控制器组合起来计算当前的前轮转向角，控制农机的转向角实现农机的自动掉头；本发明专利技术的控制精度高，可根据农机实际的作业模式选择对应的掉头路径，适用范围广。

Field turning path planning and control method for unmanned agricultural vehicle driving

The present invention provides a method for agricultural unmanned field turn path planning and control method thereof in the technical field of agricultural machinery control path, including the following steps: Step 1 input agricultural operation mode; step 2: the acquisition of agricultural environment geographic information, according to the actual operating mode selection of agricultural U-turn path corresponding to the step 3: agricultural machinery; in the forward process, agricultural machinery to obtain agricultural position information by using the sensor, preview and PI controller combined to calculate the current front wheel steering angle, steering angle control automatic turn agricultural machinery; the invention has high control precision, according to the actual agricultural operation mode and choose the corresponding U-turn path. Wide application range.

【技术实现步骤摘要】
用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法
本专利技术涉及一种自动掉头路径规划及其控制方法，特别涉及一种用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法。
技术介绍
农机在导航作业时一般需要进行自动掉头对准下一作业行的跟踪，控制农机准确的掉头技术是实现精准农业的关键，该技术可提高农机的作业精度和作业效率，使驾驶员摆脱长时间劳累的重复驾驶工作，降低劳动力。在现有的农机路径跟踪方法上，控制农机按照设定好的路径行走的控制方法有多种，如BUG算法、人工势场法、VFH算法、模糊逻辑算法、模糊神经网络算法等，这些算法的应用场景均是复杂的作业环境，算法的逻辑复杂，应用于农机作业不复杂的作业环境下，反应速度较慢，反而降低其控制精度；另外，对于由若干个大小不同的田块组成的田地，工作人员需携带多个导航系统，到一个田地工作时，工作人员需根据田块的实际大小选择一个与之对应的导航系统安装到农机上，到另一块宽幅不同的田块时，将以上导航系统拆下来，将新的导航系统重新安装到农机上，无法根据农机的实际作业模式进行路径控制，适用范围小，成本高，操作麻烦。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，解决现有技术中控制精度低且适用范围小的技术问题，提供一种用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，本专利技术的控制精度高，适用范围广。本专利技术的目的是这样实现的：一种用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，具体包括以下步骤，步骤1：输入农机的作业模式；步骤2：获取农机所处环境的地理信息，根据农机实际的作业模式选择对应的掉头路径；步骤3：农机在前进过程中，农机通过传感器获得农机位置信息，使用预瞄和PI控制器组合起来计算当前的前轮转向角，控制农机的转向角实现农机的自动掉头。本专利技术工作时，工作人员先根据田块的宽幅输入农机的作业模式，通过传感器感应农机周围的环境信息，农机掉头时，农机根据实际的作业模式选择设定好的掉头路径，农机通过传感器检测获得农机的位置信息，使用预瞄控制器和PI控制器相结合起来实时计算出农机的前轮转角，农机在行走过程中通过实时调整农机的前轮转角，通过控制农机的前轮转向角使农机沿着设定的曲线行走，从而实现农机的掉头；本专利技术中设定了不同作业模式下对应的掉头路径，可通过农机的实际作业模式选择与其相对应的掉头路径，集成度高，适用范围更加广泛，降低成本，操作简便；使用预瞄控制器和PI控制器的结合控制农机的前轮转向角使农机沿着设定好的避障曲线行走，控制精度高；本专利技术可应用于农机在导航作业时的自动掉头的工作中。为了进一步提高农机掉头速度，本专利技术的步骤1中，农机的作业模式包括播种和耕地；步骤2中，播种情况下对应的掉头路径为多线型路径一，耕地情况下对应的掉头路径包括交叉型路径、圆弧路径和多线型路径二，且根据不同的犁具宽度选择不同的掉头路径，犁具宽度包括小宽幅、中宽幅和大宽幅，小宽幅、中宽幅和大宽幅作业模式下对应的掉头路径分别为交叉型路径、圆弧路径和多线型路径二，小宽幅对应的犁具宽度的数值范围为Rmin<W<1.5Rmin,中宽幅对应的犁具宽度的数值范围为1.5Rmin<W≤2Rmin,大宽幅对应的犁具宽度的数值范围为W>2Rmin，Rmin为农机的最小转弯半径，W为犁具宽度；此设计中，将农机的作业模式分为播种和耕地，不同作业模式，对应的掉头路径不同，优化掉头曲线，缩短农机掉头时间。为了进一步提高农机掉头效率，所述多线型路径一由直线段一、圆弧段一和圆弧段二组成，圆弧段一和圆弧段二相切且对应的半径相同，农机依次经过直线段一、圆弧段一和圆弧段二实现掉头；所述交叉型路径由圆弧段三、直线段二和圆弧段四组成，圆弧段三和圆弧段四相交且关于直线段一的中心对称，圆弧段三和圆弧段四的半径大小相同，农机依次经过圆弧段三、直线段二和圆弧段四实现掉头；所述圆弧路径由圆弧段五、圆弧段六和圆弧段七组成，所述圆弧段六分别和圆弧段五、圆弧段七相切，所述圆弧段五和圆弧段七关于圆弧段六的中心线对称设置，农机依次经过圆弧段五、圆弧段六和圆弧段七实现掉头；所述多线型路径二由圆弧段八、直线段三和圆弧段九组成，圆弧段八和圆弧段九关于直线段三的中心线对称设置，农机依次经过圆弧段八、直线段九和圆弧段九实现掉头。为了进一步提高农机掉头路径的精度，所述多线型路径一的各个线段的数学关系式为：（1-1）其中，R1为圆弧段一对应的半径，R2为圆弧段二对应的半径，AE为直线段一的长度，AC为农机开始转弯的后轴中心与农机转弯结束的后轴中心间连接线段的长度；所述交叉型路径一的各个线段的数学关系式为：（1-2）其中，R3为圆弧段三对应的半径，R4为圆弧段四对应的半径，C1D1为直线段二的长度，A1B1农机开始转弯的后轴中心与农机转弯结束的后轴中心间连接线段的长度；所述圆弧路径的各个线段的数学关系式为：（1-3）其中，Rt为圆弧段五、圆弧段六和圆弧段七对应的半径，圆弧段五、圆弧段六和圆弧段七的圆心的连线构成三角形，β为圆弧段六的圆心分别与圆弧段五和圆弧段七的圆心连线之间的夹角，α为圆弧段五的圆心分别与圆弧段六和圆弧段七的圆心连线之间的夹角，γ为圆弧段七的圆心分别与圆弧段五和圆弧段六的圆心连线之间的夹角；所述多线型路径二的各个线段的数学关系式为：（1-4）其中，R5为圆弧段八对应的半径，R6为圆弧段九对应的半径，B2C2为直线段三的长度，A2D2为圆弧段八的圆心和圆弧段九的圆心的连线；此设计中，根据不同作业模式建立不同的路径模型，为准确跟踪曲线建立基础。为了提高跟踪曲线的控制精度，步骤3中，利用预瞄控制器计算出理论前轮转角，具体的为，确定农机的前视距离l，取路径上的一点为预瞄点（x0，y0），R为前视距离对应的圆弧段的半径，l、R和x之间的关系式为：（2-1）将农机简化为二轮车，建立农机的运动学模型：（2-2）根据阿克曼转向几何关系，农机的转弯半径和前轮转角、轴距的关系式为：（2-3）将（3-2）和（3-3）结合起来得到理论转角的计算公式为：（2-4）其中，θ为农机的航向偏差角，农机后轴中心记为点A，农机后轴中心A和预瞄点P连线记为AP，航向偏差角为农机航向与AP之间的夹角，δ为农机的理论前轮转角，L为农机的轴距，v为农机的行驶速度，x0、y0为农机的横坐标和纵坐标，设定的曲线路径上距离农机中心最近的点即为M。为了进一步提高跟踪曲线的控制精度，步骤3中，使用PI控制方法计算出补偿前轮转角，具体的包括以下步骤：（301）根据农机的位置和预瞄点计算出农机的航向偏差角θ作为PI的误差输入e（k）；（302）计算出当前的积分累计误差；（303）PI控制输出补偿前轮转角，补偿前轮转角的计算公式为：（3）其中，Kp为比例增益，Ki为积分增益，e（i）为i时间点下对应的误差输入，k为总采样时间点数，u（k）为PI控制的输出，具体的为当前的补偿前轮转角；此设计中，考虑到农机在实际运行中，转向关系并不是完全满足预瞄控制器中的阿克曼转向原理，会存在一定的控制误差，将PI控制方法对预瞄控制方法进行辅助控制，消除预瞄控制器带来的误差，进一步提高控制精度。作为本专利技术的进一步改进，步骤3中，使用预瞄和PI控制器组合起来计算当前的前轮转向角具体的为，通过预瞄控制器计算得到理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，其特征在于，步骤1：输入农机的作业模式；步骤2：获取农机所处环境的地理信息，根据农机实际的作业模式选择对应的掉头路径；步骤3：农机在前进过程中，农机通过传感器获得农机位置信息，使用预瞄和PI控制器组合起来计算当前的前轮转向角，控制农机的转向角实现农机的自动掉头。

【技术特征摘要】
1.一种用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，其特征在于，步骤1：输入农机的作业模式；步骤2：获取农机所处环境的地理信息，根据农机实际的作业模式选择对应的掉头路径；步骤3：农机在前进过程中，农机通过传感器获得农机位置信息，使用预瞄和PI控制器组合起来计算当前的前轮转向角，控制农机的转向角实现农机的自动掉头。2.根据权利要求1所述的用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，其特征在于，步骤1中，农机的作业模式包括播种和耕地；步骤2中，播种情况下对应的掉头路径为多线型路径一，耕地情况下对应的掉头路径包括交叉型路径、圆弧路径和多线型路径二，且根据不同的犁具宽度选择不同的掉头路径，犁具宽度包括小宽幅、中宽幅和大宽幅，小宽幅、中宽幅和大宽幅作业模式下对应的掉头路径分别为交叉型路径、圆弧路径和多线型路径二，小宽幅对应的犁具宽度的数值范围为Rmin<W<1.5Rmin,中宽幅对应的犁具宽度的数值范围为1.5Rmin<W≤2Rmin,大宽幅对应的犁具宽度的数值范围为W>2Rmin，Rmin为农机的最小转弯半径，W为犁具宽度。3.根据权利要求2所述的用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，其特征在于：所述多线型路径一由直线段一、圆弧段一和圆弧段二组成，圆弧段一和圆弧段二相切且对应的半径相同，农机依次经过直线段一、圆弧段一和圆弧段二实现掉头；所述交叉型路径由圆弧段三、直线段二和圆弧段四组成，圆弧段三和圆弧段四相交且关于直线段一的中心对称，圆弧段三和圆弧段四的半径大小相同，农机依次经过圆弧段三、直线段二和圆弧段四实现掉头；所述圆弧路径由圆弧段五、圆弧段六和圆弧段七组成，所述圆弧段六分别和圆弧段五、圆弧段七相切，所述圆弧段五和圆弧段七关于圆弧段六的中心线对称设置，农机依次经过圆弧段五、圆弧段六和圆弧段七实现掉头；所述多线型路径二由圆弧段八、直线段三和圆弧段九组成，圆弧段八和圆弧段九关于直线段三的中心线对称设置，农机依次经过圆弧段八、直线段九和圆弧段九实现掉头。4.根据权利要求3所述的用于农机无人驾驶的田间掉头路径规划及其控制方法，其特征在于，所述多线型路径一的各个线段的数学关系式为：（1）其中，R1为圆弧段一对应的半径，R2为圆弧段二对应的半径，AE为直线段一的长度，AC为农机开始转弯的后轴中心与农机转弯结束的后轴中心间连接线段的长度；所述交叉型路径一的各个线段的数学关系式为：（1-2）其中，R3为圆弧段三对应的半径，R4为圆弧段四对应的半径，C1D1为直线段二的长度，A1B1农机开始转弯的后轴中心与农机转弯结束的后轴中心间连接线段的长度；所述圆弧路径的各个线段的数学关系式为：（1-3）其中，Rt为...

【专利技术属性】
技术研发人员：程方，林德相，袁洪良，王烁，徐涛，王浩，吴飞，
申请(专利权)人：无锡卡尔曼导航技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32