一种无人农机横向和纵向控制的方法、装置与电子设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无人农机横向和纵向控制的方法、装置与电子设备，属于无人农机控制技术领域，建立了纵向控制速度v和横向控制量前轮转角的状态方程，设计了无人农机的线性自抗扰控制系统，对系统输入的干扰信号进行实时观测和补偿。本发明专利技术可以有效地增强无人农机纵向控制和横向控制的精度和鲁棒性。纵向控制和横向控制的精度和鲁棒性。纵向控制和横向控制的精度和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种无人农机横向和纵向控制的方法、装置与电子设备


[0001]本专利技术属于无人农机控制
，具体涉及一种无人农机横向和纵向控制的方法、装置与电子设备。

技术介绍

[0002]无人农机是未来农业发展中的重要因素，对农业发展会产生颠覆性的影响，无人农机的控制作为无人农机系统中的关键一环具有重要意义。无人农机的运动控制主要分为横向控制和纵向控制，横向控制时指对无人农机的转向系统进行控制，通过控制车轮转角或者方向盘转角实现农机对横向距离的精确跟随。无人农机纵向控制指的是对车辆速度的控制，通过控制油门的大小实现对期望速度的跟踪。
[0003]目前常用针对无人农机的横向和纵向的控制方法主要有无模型的PID控制、最优控制、模糊控制、神经网络、滑模控制等，各研究人员从不同的角度出发，改良优化不同的控制方法，实现了无人农机的运动控制。无人农机在农田作业，农田环境复杂，可能存在泥泞以及其他外部干扰，对无人农机的控制系统造成了严重干扰。PID控制器作为最常用 控制方法，其简单稳定，但是控制精度较低。最优控制方法对非线性、时变的农机系统的控制精度会随时间慢慢变差。滑模控制方法鲁棒性较强，但是存在严重的抖振现象对执行器的要求过高。以上控制器对系统中存在的扰动不能进行很好的估计和补偿。
[0004]传统的无人农机控制算法更加倾向于上层控制的开发，忽略了底层控制执行的问题，控制算法本所输出的纵向控制指令以及横向前轮转角指令由于控制本身的执行限制以及外部存在的干扰，整个控制系统无法对扰动进行观测和抑制导致底层控制系统很难达到控制算法输出的理想指令数值。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术提供了一种无人农机横向控制和纵向控制的方法、装置与电子设备，采用线性自抗扰控制技术分别对无人农机的纵向控制系统和横向控制系统进行设计，可以有效地处理农田中因为各种外部环境和内部系统扰动对农机控制造成的影响。本专利技术所提出的控制方法可以有效的地对系统纵向速度控制以及横向前轮转角控制中所出现的扰动信号进行观测估计，并根据对扰动的观测值设计相应的输入控制量对扰动进行消除，从而使得农机的输出纵向速度和横向前轮转角可以较好的逼近期望数值。
[0006]本专利技术实现其目的所采取的技术方案是：一种无人农机横向和纵向控制的方法，包括如下步骤：步骤（1）分别建立纵向速度控制和横向前轮转角控制的系统状态方程；步骤（2）设计纵向速度跟踪控制器，将步骤（1）中的纵向速度控制的系统状态方程改写为状态空间表达式，构建纵向扩张状态系统，确定纵向系统状态变量；步骤（3）设定纵向系统状态变量所对应的观测量，对纵向扩张状态系统构建纵向扩张状态观测器，同时设定纵向扩张观测器增益，简化纵向系统状态空间表达式；
步骤（4）利用纵向扩张状态观测器设计纵向控制器，消除扰动；步骤（5）设计横向前轮转角跟踪控制器，将横向系统状态微分方程改写为状态空间表达式，构建横向扩张状态系统，确定横向系统状态变量；步骤（6）设定横向系统状态变量所对应的观测量，对横向扩张状态系统构建横向扩张状态观测器，同时设定横向扩张观测器增益，简化横向系统状态空间表达式；步骤（7）利用横向扩张状态观测器设计横向控制器，消除扰动；步骤（8）将横向扩张状态系统和纵向扩张状态系统输出的控制量输入农机底盘，得到相应的纵向速度和横向前轮转角，并进行反馈，得到纵向速度和横向前轮转角的误差控制量，进行循环控制。
[0007]本专利技术还提供一种无人农机横向控制和纵向控制的装置，包括：状态空间表达模块，用于分别建立纵向速度控制和横向前轮转角控制的系统状态方程；设计纵向速度跟踪控制器，将纵向速度控制的系统状态方程改写为状态空间表达式，构建纵向扩张状态系统，确定纵向系统状态变量；设定纵向系统状态变量所对应的观测量，对纵向扩张状态系统构建纵向扩张状态观测器，同时设定纵向扩张观测器增益，简化纵向系统状态空间表达式；设计横向前轮转角跟踪控制器，将横向系统状态微分方程改写为状态空间表达式，构建横向扩张状态系统，确定横向系统状态变量；设定横向系统状态变量所对应的观测量，对横向扩张状态系统构建横向扩张状态观测器，同时设定横向扩张观测器增益，简化横向系统状态空间表达式；控制器设计模块，利用纵向扩张状态观测器设计纵向控制器，消除扰动，获取纵向控制器的观测带宽和控制带宽；利用横向扩张状态观测器设计横向控制器，消除扰动，获取横向控制器的观测带宽和控制带宽；循环控制模块，用于将横向扩张状态系统和纵向扩张状态系统输出的控制量输入农机底盘，得到相应的纵向速度和横向前轮转角，并进行反馈，得到纵向速度和横向前轮转角的误差控制量，进行循环控制。
[0008]本专利技术还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种无人农机横向控制和纵向控制的方法的步骤。
[0009]与传统无人农机控制技术相比，本专利技术的有益效果在于：该方法可以有效的观测出系统中存在的扰动，并且设置相应的控制器去消除扰动，可以大大提无人农机纵向速度以及前轮转角控制的精度。
附图说明
[0010]图1为本专利技术的一种无人农机横向控制和纵向控制的方法的流程示意图。
具体实施方式
[0011]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0012]本专利技术针对当前无人农机底层的纵向速度控制和前轮转角控制无法对扰动做出有效抑制和补偿的问题，提出一种基于线性自抗扰控制的无人农机纵向速度和前轮转角的控制方法，该方法可以有效的观测出系统中存在的扰动，并且设置相应的控制器去消除扰动，可以大大提无人农机纵向速度以及前轮转角控制的精度。该方法建立了纵向控制速度v和横向控制量前轮转角的状态方程，设计了无人农机的线性自抗扰控制系统，可以对系统输入的干扰信号进行实时观测和补偿，从而可以有效地增强无人农机纵向控制横向控制的精度和鲁棒性。
[0013]如图1所示，假设和分别代表了路径跟随控制算法输出期望速度以及期望前轮转角值，本专利技术的一种无人农机横向控制和纵向控制的方法具体包括如下步骤：步骤（1）确定纵向速度控制和横向前轮转角控制的系统状态方程，如公式(1)所示： (1)其中，v和分别代表纵向速度和横向前轮转角，代表纵向速度对时间的导数， 代表横向前轮转角对时间的导数，
ꢀꢀ
和分别代表纵向加速度和横向前轮转角角速度，和分别代表了纵向速度和横向前轮转角控制中的总扰动。
[0014]步骤（2）以纵向跟踪速度为例设计控制器，首先对系统状态进行扩张，构建扩张状态系统，令,，，，将微分方程改写为如下状态空间表达式，： (2)其中b = 1，h为状态变量对时间的导数。
[0015]步骤（3）令， , 分别表示对状态变量, 的估计量。针对公本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人农机横向和纵向控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）分别建立纵向速度控制和横向前轮转角控制的系统状态方程；步骤（2）设计纵向速度跟踪控制器，将步骤（1）中的纵向速度控制的系统状态方程改写为状态空间表达式，构建纵向扩张状态系统，确定纵向系统状态变量；步骤（3）设定纵向系统状态变量所对应的观测量，对纵向扩张状态系统构建纵向扩张状态观测器，同时设定纵向扩张观测器增益，简化纵向系统状态空间表达式；步骤（4）利用纵向扩张状态观测器设计纵向控制器，消除扰动；步骤（5）设计横向前轮转角跟踪控制器，将横向系统状态微分方程改写为状态空间表达式，构建横向扩张状态系统，确定横向系统状态变量；步骤（6）设定横向系统状态变量所对应的观测量，对横向扩张状态系统构建横向扩张状态观测器，同时设定横向扩张观测器增益，简化横向系统状态空间表达式；步骤（7）利用横向扩张状态观测器设计横向控制器，消除扰动；步骤（8）将横向扩张状态系统和纵向扩张状态系统输出的控制量输入农机底盘，得到相应的纵向速度和横向前轮转角，并进行反馈，得到纵向速度和横向前轮转角的误差控制量，进行循环控制。2.根据权利要求1所述的一种无人农机横向和纵向控制的方法，其特征在于，所述步骤（4）中，在纵向扩张状态系统左半平面选择纵向扩张状态观测器的极点，根据纵向扩张状态观测器的方程得到其特征多项式，进而人为设定特征多项式的特征根，从而获取纵向控制器的观测带宽和控制带宽。3.根据权利要求1所述的一种无人农机横向和纵向控制的方法，其特征在于，所述步骤（7）中，在横向扩张状态系统左半平面选择横向扩张状态观测器的极点，根据横向扩张状态观测器...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振耀，郭继冬，李子申，汪亮，王宁波，王亮亮，楚焕鑫，杨阔，
申请(专利权)人：齐鲁空天信息研究院，
类型：发明
国别省市：