[發明專利]一種自主跟隨車輛航向控制裝置及控制方法

在審

• 申請號: 201410091047.3
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN104908808A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發明（設計）人: 丁永前;王致情;畢偉平;李楊;譚星祥;林小蘭
• 申請（專利權）人: 南京農業大學
• 主分類號: B62D6/00
• 分類號: B62D6/00;B62D137/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及車輛導航與自動控制技術領域，重點應用于農業作業車輛自主跟隨和協同作業領域。

背景技術

農業生產中自主車輛導航方式主要有GPS導航和路標導航。GPS導航精度受到視野中衛星的幾何分布狀況、星歷誤差、時鐘誤差、傳播誤差、多路徑誤差以及接收機噪聲等因素影響，同時其可靠性也受到高大樹木、山坡以及建筑物等因素影響。路標導航中主要運用機器視覺技術和激光雷達掃描技術識別作物行、壟等自然路標，但路徑特征的丟失(如植株的缺失、大面積雜草出現及路標環境雜亂復雜)和視覺傳感器自身局限性(如動態范圍、分辨率、漂移及噪聲)及戶外使用約束條件(如光照)等都可能會導致路標導航失效。

車輛引導與自主跟隨能彌補自主導航車輛的智能不足，并提高安全性。國內外對車輛跟隨控制和人機協同已取得一定的研究成果：日本京都大學農業機械化研究生院研究了人機協同自動跟隨車輛系統收割水稻；北海道大學農業車輛系統工程研究生院研究了農業作業主-從機器人系統；德國芬特公司研究的芬特同步導航通信系統，實現一個駕駛員同時操縱兩輛拖拉機作業；上海交通大學智能車實驗室實現了針對城市環境的多智能車跟隨協作。但是，實現主-從跟隨控制大多數采用機器視覺、GPS、激光掃描等多傳感器融合技術，成本高昂且結構復雜，在農業領域的相關研究較少。

小型電動車相比拖拉機體積小，車身矮，在果園環境中作業時具備良好的通過性能，避免果樹枝葉和果實遭受損傷，同時電動車沒有尾氣污染，作業更加環保，在實際中有較好的應用前景。本發明以自主改裝的兩輛小型電動車構建了車輛自主跟隨系統，在參考車輛速度、轉向和跟隨導航控制研究成果的基礎上，設計了一套基于紅外傳感器的車輛自主跟隨控制系統，并設計了相應的控制算法。在果園環境下開展了車輛自主跟隨試驗，果園的性能控制實驗結果表明：本發明能有效實現車輛的自主跟隨，性能可靠、成本低廉和結構簡易。

發明內容

本發明的目的在于提供一種自主跟隨車輛航向控制系統的硬件實現形式和控制方法的設計。

該控制系統應用紅外傳感器檢測車輛跟隨系統相對航向偏角，應用絕對編碼器實現前輪偏轉角的測量，應用步進電機實現前輪偏轉角的控制，建立了車輛自主跟隨的控制系統模型，設計了跟隨控制算法，通過開展的果園環境控制實驗，驗證了本發明能有效檢測相對航向偏轉角，所設計的控制算法能有效實現對跟隨車輛航向角的控制，實現車輛的自主跟隨，體現了本發明在實際農業作業領域的應用前景。

本發明的技術方案是：

一種自主跟隨車輛航向控制裝置及控制方法，它包括由主控制器、檢測系統和轉向控制系統構成的控制系統硬件結構。主控制器采用數字信號處理器TMS320F28335，檢測系統實現跟隨車前輪轉角和跟隨車相對引導車的航向偏角的檢測，轉向控制系統采用步進電機配合鏈輪傳動機構帶動方向盤旋轉實現車輛轉彎。

本發明的檢測系統包括前輪轉角檢測機構和相對航向偏角檢測機構。前輪轉角檢測機構中的絕對型旋轉編碼安裝于前輪導向軸上，主控器的AD模塊采集絕對型旋轉編碼器的輸出電壓，通過計算獲知(B-2)、對跟隨車的航向角速度ω_v進行積分運算計算出車輛航向偏轉角β。

本發明根據前輪轉向角δ和車輛航向偏轉角β之間具有的動態傳遞關系，設計了航向跟隨閉環控制系統結構。

本發明根據航向跟隨閉環控制系統結構設計了航向跟隨PD閉環控制器，建立了跟隨車實際航向偏轉角β和目標相對航向偏轉角θ之間偏差e與前輪偏轉角R之間的傳遞關系。

本發明根據航向跟隨PD閉環控制器設計了跟隨控制算法流程，跟隨控制算法流程中撤銷控制作用條件是所有紅外傳感器接收到反射信號，航向偏轉角β值與控制目標θ的差值絕對值小于設定的閾值Δθ，前輪轉向角量值小于設定的閾值Δ_δ。

本發明搭建的電動車輛自主跟隨控制系統，完成了果園環境自主跟隨試驗，試驗結果證明本發明能穩定可靠地實現車輛的自主跟隨。

本發明的有益效果：

本發明中相對航向偏角檢測機構能穩定可靠地檢測跟隨車相對于引導車的航向偏角，并且結構簡易，成本低廉。

本發明提出了一種實現車輛自主跟隨航向控制的系統硬件實現形式、控制系統建模方法和控制算法的實現形式。

附圖說明

圖1是本發明的控制系統硬件結構圖；

圖2是本發明的前輪轉角檢測機構圖；

圖3是本發明的相對航向偏角檢測機構圖；

圖4是本發明的車輛自主跟隨控制系統示意圖；

圖5是本發明的轉向系統閉環控制結構圖；