一种机械自动转向控制方法技术

本发明专利技术涉及一种机械自动转向控制方法，该方法包括步骤：确定其位置偏差和航向偏差；根据农业机械实际前轮转角的变化，通过参数自整定ＰＩＤ控制算法在线整定ＰＩＤ参数，推算出下一时刻期望前轮转角，从而实现对农业机械的自动转向控制。本发明专利技术在常规ＰＩＤ导航控制方法的基础上，充分利用模糊控制方法，以农业机械实际前轮转角的变化为依据，满足其在不同误差、误差变化率下对ＰＩＤ控制参数的不同要求，在线整定ＰＩＤ参数。既具有模糊控制灵活性和适应性优点，又具有ＰＩＤ控制精度较高的特点，能够提高农业机械自动转向控制的稳定性和精确度以及控制系统的鲁棒性。

Mechanical automatic steering control method

The present invention relates to a mechanical automatic steering control method, the method comprises the steps of: determining the position error and the heading error; according to the change of agricultural machinery in actual front wheel angle, through the parameter self-tuning PID control algorithm for online tuning of PID parameters, the next moment is calculated the expected front wheel angle, so as to realize the automatic steering control of agriculture mechanical. The invention is based on conventional PID navigation control method, make full use of the fuzzy control method, the change of agricultural machinery based on the actual steering angle, to meet the different error and error change rate under different requirements on the PID control parameters, on-line tuning of PID parameters. It not only has the advantages of fuzzy control, flexibility and adaptability, but also has higher precision of PID control. It can improve the stability and accuracy of the automatic steering control of agricultural machinery and the robustness of the control system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农业机械导航控制领域，具体涉及一种机械自动转向 的控制方法。
技术介绍
农业机械导航控制的主要目的是根据各传感器得到的相对精确 的导航定位结果，确定农业机械本身与预定义路径的位置关系，结合 农业机械的运动状态及相应控制算法，决策出合适的前轮转角，以修 正路径跟踪误差，使农业机械的当前航向与目标航向快速重合。导航 控制分为纵向控制和横向控制，其中横向控制主要指转向控制，纵向 控制主要指速度的调节。农业机械自动转向控制方法，是实现其精确 的航向跟踪和自动导航控制的基础。常用的导航控制方法包括线性模型控制方法、最优控制方法和模 糊控制方法。美国伊利诺伊大学对农用机械的自动控制和多传感器的 信息融合做了深入广泛的研究，成功开发了能实现多种耕作作业的拖 拉机，并利用电液控制系统执行转向动作，实现了农用拖拉机沿行间 隙行走的无人驾驶。曰本东京大学利用机器视觉技术进行自动导航系 统研究，根据线性转向控制模型，将目标方向角度和车辆纵向角度融合，计算出转向轮偏转角度，完成转弯控制。美国的NoguchiN等人 应用神经网络和遗传算法，建立了具有自学习能力的农用车辆控制系 统，实验结果表明，该模型对在平坦路面行驶的车辆具有很好的控制 效果，但不适合于路面倾斜的情况。Benson、 DongZL等人应用PID (比例-积分-微分proportion-integral-derivative)控制方法设计了 PID控制器，该算法不依赖于精确的数学模型，避免了繁瑣的建模过 程，只需要一些对象的响应特征来组合控制，对算法的比例参数、积分参数和微分参数进行合理的调节。实验结果表明该方法具有良好的 路径跟踪效果。国内的周俊与刘成良等人基于卡尔曼滤波的思想，融 合了各传感器的观测值，给出了农业机器人导航的预测跟踪控制方 法，避免了以视觉系统为主的计算耗时而导致状态反馈滞后而产生的 不利影响，对导航控制的鲁棒性和精度有一定改善。华南农业大学集 成GPS技术、计算机技术和多传感器技术，开发了以电动机为动力 的农用智能移动作业平台，经实验证明，该平台路径跟踪的控制难度 较大。通过分析可知，导航控制的重点和难点是提高转向控制的稳定性 和路径跟踪精度。常规PID控制方法可以获得较高精度的路径跟踪效 果，且具有一定的鲁棒性和可靠性，但该方法的抗干扰能力较弱。模糊控制方法是近年来发展起来的新型控制方法，其优点是不需 要掌握受控对象的精确数学模型，根据人工控制规则，组织控制决策 决定控制量的大小，可以获得良好的动态特性，但其静态特性比较差。 在田间作业条件下，建立农业机械的运动学和动力学模型比较困难， 随着作业环境和作业条件的变化，其运动特性随时间变化，各种干扰 因素对常规控制方法的影响也比较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于改进和完善现有的农业机械自动转向控制技 术中存在的不足，提供一种导航跟踪精度相对较高、稳定性较好的机 械自动转向控制方法。为实现上述目的，本专利技术釆用如下技术方案 ，该机械的存储装置中存储有PID控 制器的比例常数、微分常数和积分常数，该方法包括以下步骤(1) 根据机械转向要到达的目标点确定其位置偏差和航向偏差；(2) 根据所述位置偏差和航向偏差确定当前期望前轮转角，并 控制转向机构根据所述当前期望前轮转角来控制前轮转向，同时通过角度传感器采集当前实际前轮转角；(3) 计算当前期望前轮转角与当前实际前轮转角的误差及误差 的变化率，PID控制器根据所述误差及误差的变化率确定PID比例常 数的增量、微分常数的增量和积分常数的增量，得到调整后的比例常数、微分常数和积分常数；(4) 利用调整后的比例常数、微分常数和积分常数求出当前期望前轮转角的增量，得到调整后的期望前轮转角，并控制转向机构根 据所述调整后的期望前轮转角来控制前轮转向。其中，所述PID控制器与转向机构之间连接有步进电机，所述PID 确定当前期望前轮转角后向所述步进电机发送控制指令，所述步进电 机根据所述控制指令控制转向机构使其根据所述当前期望前轮转角 来控制前轮转向。其中，在步骤(l)中，根据所述机械当前时刻的行驶速度确定 所述机械的最佳前视距离，依据所述最佳前视距离确定目标航向角， 由所述目标航向角和最佳前视距离确定机械的目标点坐标。其中，根据所述机械当前时刻的行驶速度确定所述机械的最佳前 视距离的方法为其中，L为机械当前时刻最佳前视距离，v为行进速度。其中，由所述目标航向角和最佳前视距离确定机械的目标点坐标x戸=^ +丄'cos(Pp)其中，(^,;v )表示目标点坐标，(x，y )表示机械当前位置点 的坐标，z表示最佳前视距离，^表示机械的目标航向角。分求得。其中，在步骤(4)中，利用调整后的积分常数、微分常数和积 分常数求出前轮转角的增量的方法为<formula>formula see original document page 8</formula>其中，a, 2分别为当前时刻/，第一时刻Z-7，第二时刻/-2 期望前轮转角与当前实际前轮转角的偏差，其中，第一时刻W为当 前时刻/的前一时刻，第二时刻"2为第一时刻zW的前一时刻，i^为比例常数，& = [*777;， i^ = ^*rD/r, r为釆样周期，r,为积分 常数，r。为微分常数，其中所述釆样周期为l秒。其中，所存储的所述比例常数&的取值范围为，0s^^1000， 所述积分常数r,的取值范围为osr,《0.5，所述微分常数^的取值范 围为o《r。si0。其中，所存储的所述比例常数为&为75、积分常数为r,为o.oi、微分常数7^为8。本专利技术的基于参数自整定PID控制器的机械自动转向控制方法， 既具有模糊控制灵活性和适应性的优点，又具有PID控制精度较高的 特点。与当前的农用机械自动转向控制方法相比，具有以下优点(1) 在现有导航控制方法的基础上，充分利用模糊控制方法， 提高了农业机械自动转向控制的稳定性和精确度。(2) 依据农业机械前轮转角的变化，满足其在不同误差、误差 变化率状态下对PID控制参数的不同要求，利用基于参数自整定PID 控制器的转向控制方法，实现农业机械的自动转向控制。该方法优于 常规PID控制方法，可提高控制系统的鲁棒性。附图说明图i为本专利技术中机械与预定义路径的位置关系解析图；图2为本专利技术机械自动转向控制方法的系统框图； 图3为本专利技术机械自动转向控制方法的原理图；图4为本专利技术机械自动转向控制方法的模糊推理部分原理图；图5为本专利技术机械自动转向控制方法的工作流程图； 图6为本专利技术中机械自动转向控制部分的组成示意图；具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。本实施例中的农业机械根据现有技术具有DGPS定位技术，目前 GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，通 常采用差分GPS技术即DGPS定位技术将一台GPS接收机安置在基 准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的 距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进 行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果 进行改正，从而提高定位精度，利用DGPS定位技术釆集农业机械的 位置坐标，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械自动转向控制方法，该机械的存储装置中存储有ＰＩＤ控制器的比例常数、微分常数和积分常数，其特征在于，该方法包括以下步骤：　　　　（１）根据机械转向要到达的目标点确定其位置偏差和航向偏差；　　　　（２）ＰＩＤ控制器根据所述位置偏差和航向偏差确定当前期望前轮转角，并控制转向机构根据所述当前期望前轮转角来控制前轮转向，同时通过角度传感器采集当前实际前轮转角；　　　　（３）计算当前期望前轮转角与当前实际前轮转角的误差及误差的变化率，ＰＩＤ控制器根据所述误差及误差的变化率确定ＰＩＤ比例常数的增量、微分常数的增量和积分常数的增量，得到调整后的比例常数、微分常数和积分常数；　　　　（４）ＰＩＤ控制器利用调整后的比例常数、微分常数和积分常数求出当前期望前轮转角的增量，得到调整后的期望前轮转角，并控制转向机构根据所述调整后的期望前轮转角来控制前轮转向。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘刚，孟祥健，杨玉糯，司永胜，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]