用于农机无人驾驶的自动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业驾驶控制技术领域内的一种用于农机无人驾驶的自动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，使用曲线跟踪方法获得实时曲线曲率和实时的农机航向偏差、横向偏差，用状态反馈控制器和自适应控制器的结合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；本发明专利技术可实时获取农机的运动学参数，控制精度高，适应性强。

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

The present invention provides agricultural driving control for agricultural unmanned automatic U-turn path planning and control method in the field of technology, 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 location information through the sensor, method of tracking the use of real-time curve curvature curve and real-time agricultural course deviation and horizontal deviation, combined with state feedback controller and adaptive controller to calculate the current of the front wheel steering angle, steering angle control automatic turn agricultural machinery; the invention can obtain the real-time kinematic parameters of agricultural machinery, high control precision, strong adaptability.

【技术实现步骤摘要】
用于农机无人驾驶的自动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自动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，主要有基于模型的控制方法和与模型无关的控制方法。在模型的控制方法上，主要是基于运动学模型和动力学模型的路径跟踪方法。基于运动学模型的控制方法是对模型进行小角度的线性化逼近，在常速假设条件下进行控制器设计这样不但引入了线性化误差，而且速度变化时控制器的鲁棒性较差；基于动力学模型的控制方法虽然模型的精度高，但是动力学模型的参数很难实时获取。在与模型无关的控制方法上面，纯追踪方法的前视距离的在线自适应确定问题还没有很好的解决，技术不成熟，控制精度低；智能方法虽然有传统的控制方法无法比拟的仿人智能和非线性映射能力，但是设计需要一定的经验知识和复杂的学习训练过程，总之，现有的路径轨迹的控制方法不仅无法同时实现高的控制精度和实时获取农机的运动参数，而且对设计人员的要求很高，适应性差。另外，现有技术中，无法根据农机的实际作业模式进行路径控制，适用范围小。
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无法实时获取农机的运动学模型参数的技术问题，提供一种用于农机无人驾驶的自动掉头路径规划及其控制方法，本专利技术可实时获取农机的运动学参数，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自动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，使用曲线跟踪方法获得实时曲线曲率、航向偏差和横向偏差，用状态反馈控制器和自适应控制器的结合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，输入农机的作业模式，农机感应周围的环境信息，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，使用曲线跟踪方法实时获得设定好路径的曲线曲率、农机航向偏差和横向偏差，用状态反馈控制器和自适应控制器的结合计算出当前的前轮转向角，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。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术使用曲线跟踪方法实时获得设定好的路径曲线曲率、航向偏差和横向偏差，使用状态反馈控制方法解算出当前的前轮转向角，控制农机的前轮转向角使农机沿着设定好的曲线行走，控制精度高；(2)本专利技术通过农机的实际作业模式选择相对应的掉头路径，适应范围更加广泛；本专利技术可应用于控制农机无人驾驶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对应的半径大小相同，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。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：R1＝R2＝Rmin,AC＝W,R1+R1cosα＝M+R1-R1cosα,AE＝2R1sinα(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：R3＝R4＝Rmin,A1B1＝W,C1D1＝2Rmin-W(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：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：R5＝R6＝Rmin,A2D2＝W,B2C2＝W-2Rmin(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。为了进一步提高获得农机运动学参数的准确性，步骤3中，将农机简化成二轮车模型进行运动学分析，并利用曲线跟踪方法建立农机运动学模型，如下式所示：其中，s表示M点沿着弧长运动的距离，M点是曲线路径上距离农机后轴中心最近的点；y表示农机和M点的横向偏差，θ是农机航向偏差角，为转向角加速度；规定当点沿着曲线顺时针运动，曲率c为负，沿着曲线逆时针运动，曲率c为正；当农机的后轴中心点在曲线的外侧，横向偏差y为正，当农机的后轴中心点在曲线的内侧，横向偏差y为负；先使用链式控制理论将农机的非线性模型转化成近似线性模型，再使用状态反馈控制方法计算出控制率，当农机沿着曲线逆时针运动，控制率如公式(6)所示：当农机沿着曲线顺时针运动，控制率如公式(7)所示：其中，(Kd,Kp)∈R+2，δ(y,θ)为关于横向偏差和农机航向偏差角变量的理论前轮转向角函数；此设计中，先利用曲线跟踪方法建立农机运动模型，再使用链式控制理论将非线性的农机模型转化为近似线性模型，可实时获得运动学参数，通过控制前轮转向角达到控制农机实际行走路径的目的，误差小，控制精度高。为了进一步提高曲线跟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于农机无人驾驶的自动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，使用曲线跟踪方法获得实时曲线曲率和实时的农机航向偏差、横向偏差，用状态反馈控制器和自适应控制器的结合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】
2017.01.22 CN 20171004674551.一种用于农机无人驾驶的自动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，使用曲线跟踪方法获得实时曲线曲率和实时的农机航向偏差、横向偏差，用状态反馈控制器和自适应控制器的结合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自动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自动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对应的半径大小相同，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。4.根据权利要求3所述的用于农机无人驾驶的自动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：R1＝R2＝Rmin,AC＝W,R1+R1cosα＝M+R1-R1cosα,AE＝2R1sinα(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：R3＝R4＝Rmin,A1B1＝W,C1D1＝2Rmin-W(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：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...

【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