农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法技术

本发明专利技术公开了一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，农用车辆工作环境极为复杂，要求设计的控制器不仅要满足跟踪路径稳、准、快，还要具备较强的鲁棒性，特别是一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，该方法采用非线性控制的方式，将输出的车辆位姿和输入的期望路径进行比较，通过非线性控制器进行正确决策，控制执行机构驱使车辆跟踪期望路径的过程，从而实现精确跟踪。由于农用车辆运动模型的复杂多变，所采取的控制手段也比较灵活，本发明专利技术采用增益切换和超前校正的方式实现车辆路径的跟踪精度，采用的非线性控制器达到的控制效果为：超调量小于5%，调节时间小于3s，达到了精确跟踪的效果。

Gain switching nonlinear control method for path tracking of agricultural vehicles

【技术实现步骤摘要】
农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法
本专利技术涉及一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，属于农用车辆导航控制

技术介绍
农用车辆自主导航技术主要包括：导航传感器、路径规划、车辆模型的建立和路径跟踪控制器的设计等，其中路径跟踪控制是决定导航精度的关键因素之一。农业车辆田间作业环境对系统的结构和性能要求很高，因此跟踪控制器的设计正吸引越来越多的学者进行研究。国内外研究表明，农用车辆工作环境极为复杂，其运动受自然环境、土壤条件、负荷变化等许多非线性因素的影响，这就要求设计的控制器不仅要满足跟踪路径稳、准、快，还要具备较强的鲁棒性。路径跟踪控制方法主要包括PID控制、最优控制、模糊控制和神经网络控制等。在控制策略中，PID控制效果实现相对简单，技术成熟，只要根据车辆转向具体情况，在经过合理的控制决策和有效的参数整定后，就可以获得满意的控制效果，因此在多种农用车辆的转向控制中都应用了PID控制。但是，线性时间不变的PID反馈控制器存在基本的性能限制，如上升时间和超调量等时间领域的限制以及增益和相位等频率范围的限制，这种控制策略对于农用车辆自主导航控制系统日益要求的高精度，鲁棒稳定性是明显不足的。正是基于这个背景，寻找新的控制方法和优化方案是必要而迫切的。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法。以农用车辆为控制对象，设计路径跟踪非线性PID控制器。通过二次超前校正的方法设计PID控制器参数，然后通过增益切换的线性控制方法，来改善系统的响应时间和改变频率的可调范围，实现农用车辆的智能精确导航。设计的控制方法可以实现无静差跟踪，调整时间均在3s范围内，超调量均在5％以内，达到高精度跟踪给定的路径。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，包括如下步骤：步骤一：搭建农用车辆路径跟踪控制系统，由PID控制器C(s)、农用车辆系统模型G(s)组成农用车辆路径跟踪控制系统的闭环传递函数，其中农用车辆系统模型由转向系统模型G0(s)和农用车辆运动模型G1(s)组成；步骤二：根据车辆运动的实际需求，设定农用车辆路径跟踪控制系统的输入为期望路径u，输出为实际路径跟踪效果y，此时设定期望输出量为y＝u＝1；步骤三：确定农用车辆具体的研究对象为拖拉机，农用车辆的运动模型选取O’Connor提出的线性模型，便于对模型的研究；步骤四：基于步骤三提出农用车辆的线性模型，再利用罗锡文提出的东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统的闭环辨识结果，得出转向系统模型G0(s)，从而得出农用车辆系统模型G(s)；步骤五：基于步骤四提出农用车辆系统模型，利用超前校正的方式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C1(s)，使系统在保持稳定的前提下，加快响应速度，再对控制器C1(s)利用二次超前校正的方式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C2(s)，进一步加快系统的响应速度；步骤六：在步骤五给出的控制器C2(s)的基础上，对控制器加比例调节系数，控制器C3(s)＝KC2(s)，K＜1，C3(s)的作用是为了更好的降低超调量，同时对通频带中心频率的选择能力更强，起到去除高频噪声的作用；步骤七：控制器C3(s)对农用车系统模型G(s)的控制，相对控制器C2(s)的控制来说，不仅可以达到降低超调量，同时还可以减小噪声，但是加入比例部分的数值实际上是小于1，因此系统的响应速度变慢，所以为了解决线性控制器对农用车辆路径跟踪控制系统存在的时间领域的限制，如调节时间和上升时间，因此在农用车辆路径跟踪控制系统中，引入增益切换非线性控制，加增益切换控制以后，形成非线性PID控制器C4(s)，将此非线性控制器作用于农用车辆系统模型中，优化农用车辆路径跟踪控制系统的动态性能。进一步，所述步骤一中，农用车辆路径跟踪控制系统中农用车辆系统模型由转向系统模型和农用车辆运动模型组成，此时农用车辆路径跟踪控制系统中输出的实际路径跟踪效果y和输入变量u的推导关系如下：其中：农用车辆路径跟踪控制系统的输入变量期望路径u和输出变量实际路径跟踪效果y的关系是信号传递函数的数学关系式，控制器函数C(s)决定了输入和输出的具体关系。进一步，所述步骤三、四中，假设不考虑轮胎与地面侧向滑动、地面平坦、前进速度恒定且缓慢，将拖拉机模型简化为两轮车模型，表达式如下：式中，ψ为航向角，单位为°，Vx为拖拉机前进方向速度，单位为m/s，L为轴距，单位为m，δ为转向轮偏角，单位为°，x为沿路径方向的车辆位移，单位为m，y为实际路径跟踪效果，单位为m；进一步假设ψ和δ在直线跟踪时都趋向于0，对拖拉机模型进行解耦和线性化，建立如下表达式：式中，u为控制输入变量期望路径，经拉氏变换以后，以转向轮偏角变化率为农用车辆运动模型G1(s)的输入，实际路径跟踪效果y为输出；农用车辆运动模型G1(s)表达式如下，其中，车辆速度Vx取1m/s，轴距L取2.314m；s表示时间的频域变量；将设计的控制器用于农用车辆运动模型G1(s)整定中；以期望转向轮偏角δu(s)为转向系统模型G0(s)的输入，然后对(s)进行积分，得到δ(s)，并且以实际转向轮偏角δ(s)为转向系统的输出，传递函数转向系统模型G0(s)为：由(4)式和(5)式可得，开环传递函数农用车辆系统模型G(s)为：进一步，所述步骤五中，基于农用车辆系统模型G(s)，利用超前校正的方式设计系统的控制器，使闭环系统在满足稳定性的要求的前提下，进一步加快响应速度，此时需要判断闭环系统的动态性能指标是否满足系统的要求，本次设计的控制器是从信号分析的角度出发，即采用频率分析的方法，以5°为相位超前量的间隔角度，以65°为最大相位超前量，25°为最小相位超前量，对农用车辆系统模型进行一次超前校正，经过一次超前校正控制以后，在保证响应速度的前提下，综合考虑动态性能指标，选取超前相位量65°为控制器的相位超前角，农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C1(s)和开环传递函数C1(s)G(s)分别为：此时，农用车辆系统模型在控制器C1(s)整定下的农用车辆路径跟踪控制系统动态性能指标为：σ％＝54.5％，ts＝5.66s，tr＝0.67s(9)其中，超调量σ％、调节时间ts、上升时间tr；并且规定农用车辆路径跟踪控制系统动态性能指标要求如下：σ％＜5％，ts＜3s，tr＜3s(10)其中：调节时间ts是指达到并保持在终值±5％误差内所需的最短时间；上升时间tr是指响应曲线从稳态值的10％上升到稳态值的90％所需的时间；由于系统经一次超前校正以后不满足动态性能指标要求，为了进一步加快系统的响应速度，设计二次超前校正环节，在一次超前相位65°的基础上，以5°为相位超前量的间隔角度，以65°为最大相位超前量，25°为最小相位超前量，分别对农用车辆系统模型进行二次超前校正，在保证超调量的前提下，综合考虑动态性能指标，选取二次超前相位65°为控制器的超前相位角，经过二次超前校正控制以后，系统的控制器C2(s)和开环传递函数C2(s)G(s)分别为：此时，农用车辆系统模型在控制器C2(s)整定下的农用车辆路径跟踪控制系统动态性能指标为：σ％＝44本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，其特征在于：包括步骤如下：步骤一：搭建农用车辆路径跟踪控制系统，由PID控制器C(s)、农用车辆系统模型G(s)组成农用车辆路径跟踪控制系统的闭环传递函数，其中农用车辆系统模型由转向系统模型G0(s)和农用车辆运动模型G1(s)组成；步骤二：根据车辆运动的实际需求，设定农用车辆路径跟踪控制系统的输入为期望路径u，输出为实际路径跟踪效果y，此时设定期望输出量为y＝u＝1；步骤三：确定农用车辆具体的研究对象为拖拉机，农用车辆的运动模型选取O’Connor提出的线性模型，便于对模型的研究；步骤四：基于步骤三提出农用车辆的线性模型，再利用罗锡文提出的东方红X‑804拖拉机的DGPS自动导航控制系统的闭环辨识结果，得出转向系统模型G0(s)，从而得出农用车辆系统模型G(s)；步骤五：基于步骤四提出农用车辆系统模型，利用超前校正的方式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C1(s)，使系统在保持稳定的前提下，加快响应速度，再对控制器C1(s)利用二次超前校正的方式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C2(s)，进一步加快系统的响应速度；步骤六：在步骤五给出的控制器C2(s)的基础上，对控制器加比例调节系数，控制器C3(s)＝KC2(s)，K＜1，C3(s)的作用是为了更好的降低超调量，同时对通频带中心频率的选择能力更强，起到去除高频噪声的作用；步骤七：为了解决线性控制器对农用车辆路径跟踪控制系统存在的时间领域的限制，如调节时间和上升时间，因此在农用车辆路径跟踪控制系统中，引入增益切换非线性控制，加增益切换控制以后，形成非线性PID控制器C4(s)，将此非线性控制器作用于农用车辆系统模型中，优化农用车辆路径跟踪控制系统的动态性能。...

【技术特征摘要】
1.一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，其特征在于：包括步骤如下：步骤一：搭建农用车辆路径跟踪控制系统，由PID控制器C(s)、农用车辆系统模型G(s)组成农用车辆路径跟踪控制系统的闭环传递函数，其中农用车辆系统模型由转向系统模型G0(s)和农用车辆运动模型G1(s)组成；步骤二：根据车辆运动的实际需求，设定农用车辆路径跟踪控制系统的输入为期望路径u，输出为实际路径跟踪效果y，此时设定期望输出量为y＝u＝1；步骤三：确定农用车辆具体的研究对象为拖拉机，农用车辆的运动模型选取O’Connor提出的线性模型，便于对模型的研究；步骤四：基于步骤三提出农用车辆的线性模型，再利用罗锡文提出的东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统的闭环辨识结果，得出转向系统模型G0(s)，从而得出农用车辆系统模型G(s)；步骤五：基于步骤四提出农用车辆系统模型，利用超前校正的方式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C1(s)，使系统在保持稳定的前提下，加快响应速度，再对控制器C1(s)利用二次超前校正的方式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C2(s)，进一步加快系统的响应速度；步骤六：在步骤五给出的控制器C2(s)的基础上，对控制器加比例调节系数，控制器C3(s)＝KC2(s)，K＜1，C3(s)的作用是为了更好的降低超调量，同时对通频带中心频率的选择能力更强，起到去除高频噪声的作用；步骤七：为了解决线性控制器对农用车辆路径跟踪控制系统存在的时间领域的限制，如调节时间和上升时间，因此在农用车辆路径跟踪控制系统中，引入增益切换非线性控制，加增益切换控制以后，形成非线性PID控制器C4(s)，将此非线性控制器作用于农用车辆系统模型中，优化农用车辆路径跟踪控制系统的动态性能。2.根据权利要求1所述的农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，其特征在于：所述步骤一中，此时农用车辆路径跟踪控制系统中输出的实际路径跟踪效果y和输入变量u的推导关系如下：其中：农用车辆路径跟踪控制系统的输入变量期望路径u和输出变量实际路径跟踪效果y的关系是信号传递函数的数学关系式，控制器函数C(s)决定了输入和输出的具体关系。3.根据权利要求1所述的农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，其特征在于：所述步骤三、四中，假设不考虑轮胎与地面侧向滑动、地面平坦、前进速度恒定且缓慢，将拖拉机模型简化为两轮车模型，表达式如下：式中，ψ为航向角，单位为°，Vx为拖拉机前进方向速度，单位为m/s，L为轴距，单位为m，δ为转向轮偏角，单位为°，x为沿路径方向的车辆位移，单位为m，y为实际路径跟踪效果，单位为m；进一步假设ψ和δ在直线跟踪时都趋向于0，对拖拉机模型进行解耦和线性化，建立如下表达式：式中，u为控制输入变量期望路径，经拉氏变换以后，以转向轮偏角变化率为农用车辆运动模型G1(s)的输入，实际路径跟踪效果y为输出；农用车辆运动模型G1(s)表达式如下，其中，车辆速度Vx取1m/s，轴距L取2.314m；s表示时间的频域变量；将设计的控制器用于农用车辆运动模型G1(s)整定中；以期望转向轮偏角δu(s)为转向系统模型G0(s)的输入，然后对进行积分，得到δ(s)，并且以实际转向轮偏角δ(s)为转向系统的输出，传递函数转向系统模型G0(s)为：

【专利技术属性】
技术研发人员：林相泽，耿晶，王祥，黄帅婷，薛金林，郑恩来，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32