[發明專利]一種松軟路面智能農機自動駕駛方法

有效

• 申請號: 201810180966.6
• 申請日: 2018-03-05
• 公開（公告）號: CN108398949B
• 公開（公告）日: 2020-11-06
• 發明（設計）人: 殷國棟;林乙蘅;朱衛剛;吳從磊;王曉龍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐爾東

1.一種松軟路面智能農機自動駕駛方法，其特征在于：包括以下步驟：

第一步，根據松軟路面與輪胎之間相互作用的特性，建立土壤-輪胎模型；

第二步，在建立的土壤-輪胎模型的基礎上，建立表征智能農機縱\橫\垂耦合行為特征的動力學模型，獲取準確完整的智能農機動力學特性；

具體的：法向應力計算由Reece提出的壓力下陷模型進行計算，即：

(1)式中σ_n為垂直于承壓板平面的法向應力，z為下陷量，定義n為下陷指數，c為土壤內聚力，γ_s為土壤單位重量，k′_c為與土壤內聚力相關的系數，k'_φ為與摩擦相關的系數，b為與承壓板幾何形狀相關的參數，若為矩形，b等于矩形短邊大小，若為圓形，b等于圓半徑；

輪胎沉陷部分剪應力計算由Janosi和Hanamoto提出的半經驗模型進行計算，即：

(2)式中第一項(c+σ_ntanφ)為Mohr–Coulomb破壞準則，表示極限剪應力，其中φ為土壤的內摩擦角，k_x,y分別x′和y′方向剪切形變模量，即達到最大剪切應力所需的位移量，j_x,y為x′和y′方向剪切位移，可以由如下公式計算得到：

(3)和(4)中的R_eff為輪胎有效半徑，s_d表示為滑移率，α_c為輪胎側偏角，定義為如下公式：

(5)和(6)中的V為輪胎車軸沿自身坐標系x′方向的速度，ω為輪胎角速度，R_l為輪動半徑，v_x和v_y分別為輪胎自身坐標系下x′和y′方向的速度；

法向應力可以用如下分段函數進行計算，從輪胎進入角θ_e到最大應力位置θ_m段應力大小計算如下：

從最大應力位置θ_m到輪胎后沿推出角θ_b段應力大小計算如下：

其中θ_m可以表示為滑移率和進入角θ_e的線性函數，即

θ_m＝(c₀+c₁|s_d|)θ_e (9)

其中c₀和c₁為常數；

為下陷指數n可表示如下：

n＝n₀+n₁|s_d| (10)

其中n₀和n₁為常數；

有效半徑表示為

其中ζ、β和δ是與輪胎剛度、阻尼、尺寸、氣壓、角速度以及輪胎結構有關的參數；

于是，只要知道法向應力和剪切應力，就可以計算垂向力，縱向力，其計算如下：

在計算輪胎橫向力時，考慮車輪底部的剪應力F_ycp與輪胎側壁的推土力F_ybd，其計算方法如下：

其中

σ_p＝(γ_sz²N_γ+czN_c+qzN_q)cosδ_t (15)

其中N_γ為土壤比重系數，N_c為土壤內聚力系數，N_q為土壤附加均布載荷系數，三個系數都與內摩擦角φ有關，z為沉陷量，q為累計推土載荷，δ_t為側壁法向與土體運動方向的夾角；

綜上所述，四個輪胎的各分力計算如下：

F_zi＝F_z(θ_i) (16)

F_xi＝F_x(θ_i) (17)

F_yi＝F_y(θ_i,σ_pi,δ_ti) (18)

(16)(17)(18)式中i＝(fl,fr,rl,rr)，表示四個輪胎；

將農用車分成5個質量塊，簧上質量為m_s，集中在質心CG處；假設簧下質量為四個相等的質量塊為m_u，集中在四個輪胎中心處，由輪輞，輪胎，懸架組件組成；

將簧上質量建模成6自由度的剛體，車輪與車身通過彈簧及阻尼進行連接，假設車身與車輪在x方向與y方向上沒有相對運動，且將輪胎的位移限制在z方向上，當然，輪胎還有由角速度表示的自由度；根據牛頓-歐拉方程，車身動力學可以表示如下方程所示：

其中F_x,F_y,F_z分別為外力沿X,Y,Z方向分力；u,v,w分別為沿X,Y,Z方向的速度；p,q,r分別為繞X,Y,Z軸的角速度；M_x,M_y,M_z分別為傾覆力矩、滾動力矩、回正力矩；L_x,L_y,L_z分別為角動量；上式左邊可寫為：

∑F_x＝F_xflcosδ_fl+F_yflsinδ_fl+F_xfrcosδ_fr+F_yfrcosδ_fr+F_xrl+F_xrr

∑F_y＝F_yflcosδ_fl+F_xflsinδ_fl+F_yfrcosδ_fr+F_xfrsinδ_fr+F_yrl+F_yrr

∑F_z＝F_zfl+F_zfr+F_zrl+F_zrr

M_y＝l_r(F_zrr+F_zrl)-l_f(F_zfr+F_zfl)

其中δ_fl和δ_fr分別為左前輪和右前輪的偏轉量；

簧下質量分為四個相等的質量塊，如前所述，輪胎位移被約束在z方向上，于是，簧下質量動力學特性如下：

(21)式中下標fl,fr,rl,rr分別表示前左輪，前右輪，后左輪，后右輪，z′_fl,z′_fr,z′_rl,z′_rr分別為輪胎z方向的位移，F_sfl,F_sfr,F_srl,F_srr分別為懸架力，k_t為輪胎剛度，z′_tfl,z′_tfr,z′_trl,z′_trr分別為被破壞土壤沿z方向的位移；

歐拉角的計算需要對三個角速度進行積分，本專利選取的順序為橫擺—俯仰—側傾依次旋轉，其微分方程為：

用τ表示CG到期望的路徑最近點M的距離，即在期望路徑上CG的正交投影點，將其定義為橫向偏差，ψ′表示實際航向角ψ′_r和期望路徑的切線方向ψ′_d之間的航向誤差，可以得到：

其中s為從初始位置到點M的曲線坐標，并且ρ(s)表示點M處的期望路徑的曲率，可以得到點M沿路徑的曲線坐標為：

其中v_x和v_y分別代表車輛的縱向和橫向速度；

第三步，在獲取的智能農機動力學特性基礎上，建立自動駕駛誤差動力學模型，利用Matlab-Simulink軟件進行仿真驗證，

即基于Serret-Frenet方程的路徑跟蹤誤差動力學模型，如下所示：

2.根據權利要求1所述的松軟路面智能農機自動駕駛方法，其特征在于：

農機分成五個質量塊后，將簧上質量作為剛體，建立六自由度模型，同時簧下質量分成四個獨立部分，且將農機的四個輪子在垂直方向上作為標準建立自動駕駛誤差動力學模型。