一种基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略，通过描述标准果园农机刚体结构的运动学模型；利用扩张状态观测器观测系统的状态和受到的扰动；根据扩张状态观测器观测的结果设计系统控制律，使得标准果园农机的状态能够运行在设定的范围内而不伤害果树。本发明专利技术所提出的基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略能够保证标准果园农机的运行状态在规定的范围内，并且农机能够在所提供的控制器下稳定运行。本发明专利技术的设计方法是一个系统化的设计方案。法是一个系统化的设计方案。法是一个系统化的设计方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略
[0001]林相泽、程佳妮、黄景新


[0002]本专利技术公开了一种基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略，属于农业中标准果园农机的控制


技术介绍

[0003]在标准果园中，农用机器的导航路径要跟踪期望路径，不能超出设定的范围。所谓标准果园，指的是果园面积在300亩以上，基础设施完善，并且果树之间按照一定规格的行距栽植的果园，例如标准梨园，标准苹果园等。当农用机械在标准果园进行作业时，例如进行喷洒农药、精准耕地以及摘果施肥等批量化农业作业的时候，农用机器的行驶范围不能超过果树之间的行距，否则会对果树造成损伤，使得上述农机只能工作在一定的范围内。
[0004]农机在一定的时间内行驶状态保持在一定的范围内，即有限时间有界，受到扰动的影响，扰动太大，会使农机无法在规定时间内准确跟踪期望路径，在作业的过程中超出果树之间的行距，对果树造成损伤，因此，要设计一种方法来抵消扰动对农机的影响，基于扰动观测的控制(DOBC)就是一种很好的办法。因此本专利技术对如图1所示的标准果园农机导航路径有限时间有界，通过借鉴《农机导航多模变结构智能控制方法研》[D](伟利国，2015)一文中提出的数学模型，提出了一种基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略。
[0005]因此，在现有农业中标准果园农机的控制
，提出一种能够解决标准果园农机有限时间有界的控制策略。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决标准果园农机的有限时间有界问题，提供一种基于DOBC的标准果园有限时间有界控制策略。
[0007]本专利技术提供了一种新颖的标准果园农机有限时间有界控制策略。为了保证标准果园农机在果树行距中有界运行，不对果树造成伤害，需要减小扰动对农机的影响，使得农机能够在要求的道路范围中行驶。本专利技术通过DOBC，使得农机行驶状态能够保证始终在一定的安全范围内，从而保护果树。
[0008]本专利技术主要做出了以下几方面贡献：1.使用扩张状态观测器观测了系统的状态，并且能准确估计系统的扰动；2.使用DOBC的控制策略保证了农机的有限时间有界。
[0009]本专利技术提供了如下技术方案：
[0010]一种基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略，所述控制策略包括以下步骤：
[0011]步骤1，建立标准果园农机运行的数学模型，初始化系统状态以及控制参数，过程如下：
[0012]1.1，标准果园农机运行控制规则设计原则；
[0013]为了不使农机的运动模型过于复杂，同时又能很好地描述农机的运行状态，我们做出以下假设条件：
[0014]假设1：运动模型的控制变量为农机车速和前轮方向角；
[0015]假设2：两个前轮等同于两轮之间的虚拟轮，农机被简化为一个二轮模型；
[0016]假设3：农机在平坦、水平的地面上运动；
[0017]假设4：农机运动为纯滚动，无打滑现象发生；
[0018]农机运动学模型的标记详细说明如下：
[0019]‑‑
S为事先设定的路径，被定义在一个绝对坐标系[O，X，Y]内；
[0020]‑‑
M为农机后轮中心；
[0021]‑‑
Q为S上离M最近的点，且Q是唯一的；
[0022]‑‑
p是沿着S方向在Q点的坐标，c(p)表示S在这一点的曲率，θ1表示相对于坐标系[O，X，Y]，在这一点上沿着路径S的切线方向角；
[0023]‑‑
θ2是相对于坐标系[O，X，Y]，农机中心线的方向角；因此，θ＝θ1‑
θ2表示相对于路径S农机的航向偏差；
[0024]‑‑
x是相对于路径S的农机横向位置偏差；
[0025]‑‑
是农机在M点的线速度；
[0026]‑‑
δ是相对于农机中心的前轮方向角；
[0027]‑‑
L是农机轴距；
[0028]1.2，标准果园农机运动学系统模型可以表示成如下形式；
[0029][0030]对于系统模型(1)中的以下情况：
[0031][0032](2)的情况意味着农机后轮中心点M与期望路径S的曲率中心重合，农机运动学模型异常，因此在实际情况中不必考虑，因为期望路径的曲率较小，实际正常作业时农机后轮中心点M不会与期望路径S的曲率中心重合；
[0033]步骤2，建立标准果园农机运行系统空间状态模型；
[0034]需要指出的是，为了使农机精确跟踪期望路径，只需同时保证x和θ不超出一定的界限，因此，只需要研究x和θ的运动学特性，即保证X(t)
T
RX(t)≤c2，其中X＝[x，θ]T
。
[0035]定义状态变量x1＝x，x2＝θ，x3＝δ，农机运行速度恒定，控制量为在标准果园中，期望路径S可以看作直线，即曲率c(p)＝0，则式子(1)可改写为如下状态空间形式：
[0036][0037]其中，y＝x1为系统的输出；
[0038]可以看出，农机的运动学模型具有很强的非线性，如果直接对其设计控制器，难度很大且很难实现，因此，对其进行线性化处理，可以得到如下形式：
[0039][0040]在农机运行过程中，不可避免会受到模型参数摄动、外部干扰等多源干扰的影响，因此，(4)可以进一步改写成：
[0041][0042]即
[0043][0044]其中其中表示系统受到的总和扰动；
[0045]步骤3，标准果园农机运行系统控制器的设计；
[0046]有限时间有界是指系统
[0047][0048]给定c1、c2、T、d，c1＜c2，对于有：
[0049][0050]有限时间有界的一个充分条件是存在一个正标量α和两个正定矩阵Q1、Q2，使得
[0051][0052][0053]设T
max
为维持充分条件成立能取到的T(有限时间有界的时间)的最大值，从条件中可以看出，在其他量不变的前提下，T
max
与扰动的大小d成负相关，与扰动的大小d成负相关，因此，只要设计合适的控制器使得扰动被抵消，d减小，就能在一定程度上保证系统的有限时间有界。
[0054]从基于DOBC的有限时间有界的控制框图可以看出，控制信号有两部分组成，反馈部分和前馈部分，反馈部分将通过极点配置的方法构造反馈矩阵，前馈部分则是在控制端减去估计的扰动，抵消扰动对系统的影响。
[0055]3.1，建立扩张状态观测器；
[0056]由于系统的状态和系统受到的扰动无法直接测得，因此需要建立扩张状态观测器观测系统的状态并估计系统受到的扰动；
[0057]根据系统的状态空间方程，可以建立如下扩张状态观测器：
[0058][0059]其中，z1、z2、z3分别表示对状态x1、x2、x3的观测，z4表示对扰动ω的估计，e
y
表示输出误差，表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于DOBC的标准果园农机的有限时间有界控制策略，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立标准果园农机运行的数学模型，初始化系统状态以及控制参数，过程如下：1.1，标准果园农机运行控制规则设计原则；为了不使农机的运动模型过于复杂，同时又能很好地描述农机的运行状态，我们做出以下假设条件：假设1：运动模型的控制变量为农机车速和前轮方向角；假设2：两个前轮等同于两轮之间的虚拟轮，农机被简化为一个二轮模型；假设3：农机在平坦、水平的地面上运动；假设4：农机运动为纯滚动，无打滑现象发生；农机运动学模型的标记详细说明如下：
‑‑
S为事先设定的路径，被定义在一个绝对坐标系[O，X，Y]内；
‑‑
M为农机后轮中心；
‑‑
Q为S上离M最近的点，且Q是唯一的；
‑‑
p是沿着S方向在Q点的坐标，c(p)表示S在这一点的曲率，θ1表示相对于坐标系[O，X，Y]，在这一点上沿着路径S的切线方向角；
‑‑
θ2是相对于坐标系[O，X，Y]，农机中心线的方向角；因此，θ＝θ1‑
θ2表示相对于路径S农机的航向偏差；
‑‑
x是相对于路径S的农机横向位置偏差；
‑‑
是农机在M点的线速度；
‑‑
δ是相对于农机中心的前轮方向角；
‑‑
L是农机轴距；1.2，标准果园农机运动学系统模型可以表示成如下形式；对于系统模型(1)中的以下情况：(2)的情况意味着农机后轮中心点M与期望路径S的曲率中心重合，农机运动学模型异常，因此在实际情况中不必考虑，因为期望路径的曲率较小，实际正常作业时农机后轮中心点M不会与期望路径S的曲率中心重合；步骤2，建立标准果园农机运行系统空间状态模型；需要指出的是，为了使农机精确跟踪期望路径，只需同时保证x和θ不超出一定的界限，因此，只需要研究x和θ的运动学特性，即保证X(t)
T
RX(t)≤c2，其中X＝[x，θ]
T
；定义状态变量x1＝x，x2＝θ，x3＝δ，农机运行速度恒定，控制量为在标准果园中，期望路径S可以看作直线，即曲率c(p)＝0，则式子(1)可改写为如下状态空间形式：
其中，y＝x1为系统的输出；可以看出，农机的运动学模型具有很强的非线性，如果直接对其设计控制器，难度很大且很难实现，因此，对其进行线性化处理，可以得到如下形式：在农机运行过程中，不可避免会受到模型参数摄动、外部干扰等多源干扰的影响，因此，(4)可以进一步改写成：即其中表示系统受到的总和扰动；步骤3，标准果园农机运行系统控制器的设计；有限时间有界是指系统给定c1、c2、T、d，c1＜c2，对于有：有限时间有界的一个充分条件是存在一个正标量α和两个正定矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：林相泽，程佳妮，黄景新，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：