[發明專利]農用車輛路徑跟蹤的增益切換非線性控制方法

在審

• 申請號: 201710958763.0
• 申請日: 2017-10-13
• 公開（公告）號: CN107656527A
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 林相澤;耿晶;王祥;黃帥婷;薛金林;鄭恩來
• 申請（專利權）人: 南京農業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司32224
• 代理人: 母秋松,董建林

技術領域

本發明涉及一種農用車輛路徑跟蹤的增益切換非線性控制方法， 屬于農用車輛導航控制技術領域。

背景技術

農用車輛自主導航技術主要包括：導航傳感器、路徑規劃、車輛 模型的建立和路徑跟蹤控制器的設計等，其中路徑跟蹤控制是決定導 航精度的關鍵因素之一。

農業車輛田間作業環境對系統的結構和性能要求很高，因此跟蹤 控制器的設計正吸引越來越多的學者進行研究。

國內外研究表明，農用車輛工作環境極為復雜，其運動受自然環 境、土壤條件、負荷變化等許多非線性因素的影響，這就要求設計的 控制器不僅要滿足跟蹤路徑穩、準、快，還要具備較強的魯棒性。路 徑跟蹤控制方法主要包括PID控制、最優控制、模糊控制和神經網絡 控制等。在控制策略中，PID控制效果實現相對簡單，技術成熟，只 要根據車輛轉向具體情況，在經過合理的控制決策和有效的參數整定 后，就可以獲得滿意的控制效果，因此在多種農用車輛的轉向控制中 都應用了PID控制。

但是，線性時間不變的PID反饋控制器存在基本的性能限制，如 上升時間和超調量等時間領域的限制以及增益和相位等頻率范圍的 限制，這種控制策略對于農用車輛自主導航控制系統日益要求的高精 度，魯棒穩定性是明顯不足的。正是基于這個背景，尋找新的控制方 法和優化方案是必要而迫切的。

發明內容

目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種農用車 輛路徑跟蹤的增益切換非線性控制方法。以農用車輛為控制對象，設 計路徑跟蹤非線性PID控制器。通過二次超前校正的方法設計PID控 制器參數，然后通過增益切換的線性控制方法，來改善系統的響應時 間和改變頻率的可調范圍，實現農用車輛的智能精確導航。設計的控 制方法可以實現無靜差跟蹤，調整時間均在3s范圍內，超調量均在 5％以內，達到高精度跟蹤給定的路徑。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種農用車輛路徑跟蹤的增益切換非線性控制方法，包括如下步 驟：

步驟一：搭建農用車輛路徑跟蹤控制系統，由PID控制器C(s)、 農用車輛系統模型G(s)組成農用車輛路徑跟蹤控制系統的閉環傳遞 函數，其中農用車輛系統模型由轉向系統模型G₀(s)和農用車輛運動 模型G₁(s)組成；

步驟二：根據車輛運動的實際需求，設定農用車輛路徑跟蹤控制 系統的輸入為期望路徑u，輸出為實際路徑跟蹤效果y，此時設定期 望輸出量為y＝u＝1；

步驟三：確定農用車輛具體的研究對象為拖拉機，農用車輛的運 動模型選取O’Connor提出的線性模型，便于對模型的研究；

步驟四：基于步驟三提出農用車輛的線性模型，再利用羅錫文提 出的東方紅X-804拖拉機的DGPS自動導航控制系統的閉環辨識結果， 得出轉向系統模型G₀(s)，從而得出農用車輛系統模型G(s)；

步驟五：基于步驟四提出農用車輛系統模型，利用超前校正的方 式設計農用車輛路徑跟蹤控制系統的控制器C₁(s)，使系統在保持穩 定的前提下，加快響應速度，再對控制器C₁(s)利用二次超前校正的 方式設計農用車輛路徑跟蹤控制系統的控制器C₂(s)，進一步加快系 統的響應速度；

步驟六：在步驟五給出的控制器C₂(s)的基礎上，對控制器加比 例調節系數，控制器C₃(s)＝KC₂(s)，K＜1，C₃(s)的作用是為了更好的 降低超調量，同時對通頻帶中心頻率的選擇能力更強，起到去除高頻 噪聲的作用；

步驟七：控制器C₃(s)對農用車系統模型G(s)的控制，相對控制 器C₂(s)的控制來說，不僅可以達到降低超調量，同時還可以減小噪 聲，但是加入比例部分的數值實際上是小于1，因此系統的響應速度 變慢，所以為了解決線性控制器對農用車輛路徑跟蹤控制系統存在的 時間領域的限制，如調節時間和上升時間，因此在農用車輛路徑跟蹤 控制系統中，引入增益切換非線性控制，加增益切換控制以后，形成 非線性PID控制器C₄(s)，將此非線性控制器作用于農用車輛系統模 型中，優化農用車輛路徑跟蹤控制系統的動態性能。