【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及农业机械控制领域，设计一种考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法、系统与装置。以增加农业机械的路径跟踪精度，同时可以保证农机在实际复杂作业环境可以快速响应，提高作业质量，更加接近实际的应用。
技术介绍
1、许多国家正在研究无人驾驶农业机械来解决粮食和劳动力短缺的问题，通过采用自主导航技术来代替传统农业生产活动所需的繁重劳动力。无人驾驶农业机械的自主导航技术越来越多地应用于各种农业生产活动，成为实现精准农业的关键技术。而跟踪控制是提高农机自主导航系统的精度和稳定性的关键。因此，设计高效的路径跟踪控制方法对提高农业机械的跟踪精度和鲁棒性具有重要意义。
2、滑模控制作为一类常用的处理非线性不确定系统的鲁棒控制方法，具有实现简单、动态响应快、抗干扰能力强等优点，因此许多研究人员选择滑模控制来解决农业机械的路径跟踪问题。
3、然而大多数的滑模控制算法通常为有限时间收敛，最大收敛时间取决于农业机械初始条件，这将导致跟踪精度随着初始误差的增加而增加。快速的收敛时间可以支持农业机械更快地适应复杂的环境，目前固定时间收敛的终端滑模控制算法已被应用于提升农业机械的路径跟踪精度，但由于其存在奇异性问题与未考虑系统的瞬态响应，导致收敛速度提升有限。并且由于收敛速度的提升，执行器饱和现象的出现损害了农业机械的跟踪性能与系统硬件。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术中的不足，即无法在考虑输入饱和问题的前提下提高农业机械的跟踪精度与快速响应性，迫切需要设
2、本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
3、一种考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，包括以下步骤：
4、步骤(1)，根据无人驾驶农业机械运动特点，建立具有输入饱和特性的关于横向偏差和航向偏差的偏差运动模型，并定义所需要的状态变量；
5、步骤(2)，设计快速固定时间控制器，保证无人驾驶农业机械的横向偏差和航向偏差可以在固定时间内自适应快速收敛，并且通过设计滑模切换调节器保证系统的非奇异性；
6、步骤(3)，根据所述偏差运动模型中存在的执行器饱和问题，构造一个输入饱和辅助函数，抵消由于饱和特性带来的不利影响；
7、步骤(4)，将所述快速固定时间控制器与所述输入饱和辅助函数结合，设计考虑输入饱和的无人驾驶农机路径跟踪的快速固定时间复合控制器，使农业机械能够高效快速的跟踪期望路径。
8、进一步地，所述偏差运动模型为：
9、
10、其中，el、eθ表示农业机械跟踪期望路径时产生的横向偏差与航向偏差，v为农业机械的纵向速度，lt为农业机械前后轮之间的轴距，rt为期望路径上距离农业机械后车轮轴中点最近的点的曲率半径，δsat为不对称饱和函数；
11、且：
12、el＝-(xt-xd)sinθd+(yt-yd)cosθd
13、eθ＝θt-θd
14、其中，[xt，yt]t为无人自动驾驶农业机械的位置矢量，θt为农业机械的航向角，[xd，yd]t表示期望路径上距离农业机械后车轮轴中点最近的点的位置矢量，θd为期望航向角。
15、更进一步地，所述不对称饱和函数为：
16、
17、其中，δ、
18、δ为执行器幅值的上下限，tanh表示双曲正切函数，atanh表示反双曲正切函数，为有界的近似误差，即ρ0为已知的正数，δ为前轮转角命令。
19、更进一步地，所述快速固定时间控制器通过如下快速固定时间滑模构造：
20、
21、其中，x1、x2表示系统的状态矢量，且x1＝el，x2＝vsineθ；φ1s、φ2s为系统增益，且φ1s>0，φ2s>0；δ(x1)为自适应增益，η1(x1)、η2(x1)为固定时间滑模切换调节项。
22、更进一步地，所述自适应增益为：
23、
24、其中，0＜(<1，λ1>0，λ2为一个偶数。
25、更进一步地，所述滑模切换调节器为：
26、
27、其中，表示为固定时间滑模面，且
28、为0.05，中间量中间量
29、更进一步地，输入饱和辅助函数具有如下形式：
30、
31、其中，usat＝tanδsat表示具有饱和特性的虚拟控制输入，u＝tanδ为要设计的控制律，
32、β1>1，1/2<β2<1，α1、α2、α3为正的系数。
33、更进一步地，所述快速固定时间复合控制器具有如下形式：
34、
35、其中，是可根据系统变量自动调整的自适应增益，ι1>1，1/2<ι2＜1，φ1>0，φ2>0；
36、具有如下形式：
37、
38、一种考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制系统，包括：
39、快速固定时间控制模块，用于实现农业机械快速跟踪期望路径，保证农机能够高效性与快速性；
40、输入饱和辅助函数模块，用于抵消输入饱和产生的不利影响，保证农业机械在输入饱和情况下的硬件安全与控制精度；
41、自适应增益调整模块，用于提高农业机械的横向偏差与横向偏差在即将收敛到滑模面时的瞬态收敛速度；
42、滑模切换调节器模块，用于解决终端滑模存在的奇异性问题；
43、干扰补偿模块，用于抵消由外部扰动和未建模的动力学引起的集总扰动；
44、偏差转换模块，用于将农业机械当前位置坐标与当前最近的期望路径坐标转换成横向偏差、航向偏差。
45、一种考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制装置，其特征在于，包括：
46、上位机，用于设计控制程序并记录实验数据；
47、rtk信号基站，用于获取农业机械当前工作场景的全局位置信息；
48、路径规划单元，用于设计农业机械需要跟踪的期望路径，并根据车辆实时的位置信息计算出横向偏差与航向偏差信息；
49、卫星导航定位系统，用于实时获取农业机械的位置信息；
50、串口通信单元，用于实现农业机械各部分间的通信，对各项信息的接收与发送；
51、硬件控制单元，接收横向偏差与航向偏差信息，计算控制程序并输出转角控制命令；车辆控制单元，用于执行农业机械的转角命令，实现车辆前进与转弯。
52、本专利技术所实现的有益效果在于：
53、1、使用滑模切换调节器解决本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述偏差运动模型为：
3.根据权利要求2所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述不对称饱和函数为：
4.根据权利要求3所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述快速固定时间控制器通过如下快速固定时间滑模构造：
5.根据权利要求4所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述自适应增益为：
6.根据权利要求4所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述滑模切换调节器为：
7.根据权利要求6所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，输入饱和辅助函数θ具有如下形式：
8.根据权利要求7所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在
9.一种实现权利要求1-8任一项所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法的系统，其特征在于，包括：
10.一种实现权利要求1-8任一项所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法的装置，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述偏差运动模型为：
3.根据权利要求2所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述不对称饱和函数为：
4.根据权利要求3所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述快速固定时间控制器通过如下快速固定时间滑模构造：
5.根据权利要求4所述的考虑输入饱和的快速固定时间无人驾驶农机路径跟踪控制方法，其特征在于，所述自适应增益为：
6.根据权利...
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