本发明专利技术公开了一种侧滑情况下4WID高地隙喷雾机轨迹跟踪控制方法，属于农业机械自动导航领域，包括以下步骤：(一)选择喷雾机定位、定向传感器；(二)建立高地隙喷雾机底盘运动学模型和位姿误差模型；(三)将横向滑移速度与前后轴转向偏差这两个可以表征侧滑效应的参数引入理想状态下位姿误差模型并近似线性化得到改进位姿误差模型；(四)基于改进位姿误差模型设计鲁棒自适应控制器，通过参数自适应来补偿未知滑动。本发明专利技术解决了传统轨迹跟踪控制器中忽略侧滑而导致跟踪精度低的问题，有效提高了侧滑情况下导航轨迹跟踪精度和喷雾机自动驾驶的稳定性,可满足水田环境下高精度作业的需求。求。求。
【技术实现步骤摘要】
一种侧滑情况下4WID高地隙喷雾机轨迹跟踪控制方法
[0001]本专利技术涉及一种农业植保机械定位及自动导航控制领域，具体涉及的是一种侧滑情况下4WID高地隙喷雾机的轨迹跟踪控制方法，属于农业机械自动导航领域。
技术介绍
[0002]随着现代农业的不断发展，农业机械自动导航技术已广泛应用于播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。农机智能化的高速发展对农机导航精度的要求也越来越高。
[0003]当农机运动学模型满足严格的纯滚动约束时，轨迹跟踪控制的结果令人满意，然而由于各种因素，如轮胎打滑，变形等，纯滚动约束不可能得到严格满足，特别是当农机需要在水田、坡地、湿滑草地等地面上行驶时，不可避免地发生侧滑，进而影响自主导航的性能，甚至影响系统的稳定性。因此提出侧滑情况下4WID高地隙喷雾机轨迹跟踪控制算法，将侧滑效应作为未知附加参数加入到喷雾机运动学模型中并设计自适应控制率实时观测并补偿侧滑效应，从而实现侧滑情况下喷雾机的轨迹跟踪控制。
[0004]侧滑情况下4WID高地隙喷雾机轨迹跟踪控制算法主要包括基于喷雾机运动学模型的控制方法和侧滑参数估计方法，由于喷雾机模型的复杂性、作业环境以及喷雾机负载的不确定性，导致喷雾机导航控制系统为一个复杂的不确定性系统。针对这一问题，利用自适应控制方法逐步设计控制率，单独设计每个子系统的虚拟控制率，保证每个子系统的收敛率，最终获得整个系统的实际控制率。
[0005]本专利技术的目的在于克服侧滑情况下喷雾机轨迹跟踪精度低的问题。通过将侧滑效应加入喷雾机运动学模型，提供一种设计方法简单，鲁棒性强的自适应轨迹跟踪控制方法。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]本专利技术公开了一种4WID高地隙喷雾机轨迹跟踪控制算法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，喷雾机采用一款高精度导航定位系统RTK，可提供喷雾机实时高精度的位置、速度和姿态等导航参数。
[0009]步骤1.1，步骤1所述的喷雾机采用高度集成的GNSS/INS高精度组合导航系统，其配套的GNSS高精度定位定向接收机内置高精度定位定向板卡，能够快速精确的解算出两个天线相对位置信息和两个天线相位中心连线与真北之间的夹角(方位角)。同时通过接受基准站差分数据，可实现实时载波相位差分定位(RTK)，为喷雾机提供厘米级的高精度位置信息以及侧滑参数信息。
[0010]步骤2，针对4WID高地隙喷雾机特殊的行走底盘，首先建立其运动学模型并将侧滑效应作为未知附加参数加入到模型中。
[0011]步骤2.1，首先建立全局坐标系与车体坐标系，基于几何学原理建立喷雾机运动学模型，为方便设计算法将喷雾机运动学模型简化为：
[0012][0013]步骤3，在运动学模型的基础上建立理想状态下的位姿误差模型。
[0014]步骤3.1，在喷雾机位姿误差模型中，L为喷雾机底盘的轴距；D为喷雾机底盘的轮距；δ为前后转向轴的转向角度；o为喷雾机底盘质心；o
r
为喷雾机目标质心；(x,y)为喷雾机底盘质心相对于惯性坐标系的坐标，(x
r
,y
r
)为喷雾机目标质心相对于惯性坐标系的坐标，(x
e
,y
e
)为喷雾机相对于其自身坐标系下的纵向及横向误差，c(s)为目标路径的曲率，s为从初始位置沿着参考路径的目标质心的曲线坐标，θ为喷雾机中心线相对于惯性系的航向，θ
r
为喷雾机的目标航向；θ
e
为航向的偏差；v为喷雾机相对于惯性系的速度，v
r
为目标速度；P＝[x y θ]T
。
[0015]步骤3.2，在全局坐标系中，喷雾机实时为位姿[x y θ]T
，目标位姿为[x
r y
r θ
r
]T
，位姿误差P
e
＝[x
e y
e θ
e
]T
，其中θ
e
＝θ
r
‑
θ。
[0016]步骤3.3，根据坐标变换，得到描述移动位姿的误差方程：
[0017][0018]步骤3.4，联立公式(1)与公式(2)得到理想状态下位姿误差模型：
[0019][0020]步骤4，将横向滑移速度与前后轴转向误差这两个可以表征侧滑效应的参数引入理想状态下位姿误差模型并近似线性化得到改进位姿误差模型：
[0021][0022]步骤4.1，基于改进位姿误差模型设计自适应控制率：
[0023]步骤4.2，构建第一步的Lyapunov函数：
[0024][0025]其中Γ为控制参数，为横向滑移速度估计值。
[0026]步骤4.3，公式(5)两边分别对时间求导：
[0027][0028]步骤4.4，将公式(4)代入公式(6)得：
[0029][0030]步骤4.5，选取u1＝sinθ
e
为第一步的虚拟输入，选取u1的期望值u
1d
：
[0031][0032]步骤4.6，为保证负定，选取喷雾机速度v：
[0033]v＝k
x
x
e
+v
r cosθ
e
ꢀꢀ
(9)
[0034]步骤4.7，公式(8)与公式(9)中k
y
与k
x
为正实数。
[0035]步骤4.8，当u1能够准确快速跟踪u
1d
时，纵向误差与横向误差将收敛于0。
[0036]步骤4.9，定义u1与u
1d
之差
[0037][0038]步骤4.10，构建第二步的Lyapunov函数为：
[0039][0040]其中为的估计值，γ为控制参数。
[0041]步骤4.11，显然V2是正定的，公式(11)两边分别对时间求导：
[0042][0043]步骤4.12，将公式(4)、公式(9)、与公式(10)代入公式(12)得：
[0044][0045]步骤4.14，选取u2＝tanδ作为第二步的输入，将式(13)改写为：
[0046][0047]步骤4.15，公式(14)中k
u
为正实数，α＝c(s)v
r cosθ
e
+y
e
v
r
+k
y sinθ
e
，，
[0048]步骤4.16，选取侧滑参数估计值：
[0049][0050][0051]步骤4.17，转角正切值u2：
[0052][0053]步骤4.18，最终得到侧滑情况下喷雾机的轨迹跟踪控制率：
[0054]附图说明
[0055]图1为4WID高地隙喷雾机运动学模型。
[0056]图2为4WID高地隙喷雾机底盘位姿误差模型。
[0057]图3为4WI本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种侧滑情况下四轮独立驱动4WID高地隙喷雾机轨迹跟踪控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：步骤1：高地隙喷雾机上采用高精度导航定位系统RTK，提供喷雾机实时高精度的位置、速度和姿态导航参数；步骤2：针对4WID高地隙喷雾机特殊的行走底盘，建立其运动学模型和位姿误差模型；步骤3：将横向滑移速度与前后轴转向偏差这两个表征侧滑效应的参数引入理想状态下位姿误差模型并近似线性化得到改进位姿误差模型；步骤4：基于改进位姿误差模型设计鲁棒自适应控制器，通过参数自适应来补偿未知滑动并仿真验证。2.根据权利要求书1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：针对4WID高地隙喷雾机特殊底盘，建立其运动学模型并简化：其中L为喷雾机底盘的轴距；δ为前后转向轴的转向角度；(x,y)为喷雾机底盘质心相对于惯性坐标系的坐标，θ为喷雾机中心线相对于惯性系的航向，v为喷雾机相对于惯性系的速度。根据坐标变换公式，可得到描述移动位姿的误差方程为：其中(x
r
,y
r
)为喷雾机目标质心相对于惯性坐标系的坐标，(x
e
,y
e
)为喷雾机相对于其自身坐标系下的纵向及横向误差，θ
r
为喷雾机的目标航向；θ
e
为航向的偏差；v为喷雾机相对于惯性系的速度，v
r
为目标速度；c(s)为目标路径的曲率；ω为喷雾机角速度；联立式(1)(2)可得到位姿误差微分方程：3.根据权利要求书1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：将横向滑移速度与前后轴转向误差这两个可以表征侧滑效应的参数引入理想状态下位姿误差模型并近似线性化得到改进位姿误差模型：其中(x
e
,y
e
)为喷雾机相对于其自身坐标系下的纵向及横向误差，θ
e
为航向的偏差；v为喷雾机相对于惯性系的...
【专利技术属性】
技术研发人员：景亮，张亚飞，沈跃，景天行，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：
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