[发明专利]农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法， 属于农用车辆导航控制技术领域。

背景技术

农用车辆自主导航技术主要包括：导航传感器、路径规划、车辆 模型的建立和路径跟踪控制器的设计等，其中路径跟踪控制是决定导 航精度的关键因素之一。

农业车辆田间作业环境对系统的结构和性能要求很高，因此跟踪 控制器的设计正吸引越来越多的学者进行研究。

国内外研究表明，农用车辆工作环境极为复杂，其运动受自然环 境、土壤条件、负荷变化等许多非线性因素的影响，这就要求设计的 控制器不仅要满足跟踪路径稳、准、快，还要具备较强的鲁棒性。路 径跟踪控制方法主要包括PID控制、最优控制、模糊控制和神经网络 控制等。在控制策略中，PID控制效果实现相对简单，技术成熟，只 要根据车辆转向具体情况，在经过合理的控制决策和有效的参数整定 后，就可以获得满意的控制效果，因此在多种农用车辆的转向控制中 都应用了PID控制。

但是，线性时间不变的PID反馈控制器存在基本的性能限制，如 上升时间和超调量等时间领域的限制以及增益和相位等频率范围的 限制，这种控制策略对于农用车辆自主导航控制系统日益要求的高精 度，鲁棒稳定性是明显不足的。正是基于这个背景，寻找新的控制方 法和优化方案是必要而迫切的。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种农用车 辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法。以农用车辆为控制对象，设 计路径跟踪非线性PID控制器。通过二次超前校正的方法设计PID控 制器参数，然后通过增益切换的线性控制方法，来改善系统的响应时 间和改变频率的可调范围，实现农用车辆的智能精确导航。设计的控 制方法可以实现无静差跟踪，调整时间均在3s范围内，超调量均在 5％以内，达到高精度跟踪给定的路径。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种农用车辆路径跟踪的增益切换非线性控制方法，包括如下步 骤：

步骤一：搭建农用车辆路径跟踪控制系统，由PID控制器C(s)、 农用车辆系统模型G(s)组成农用车辆路径跟踪控制系统的闭环传递 函数，其中农用车辆系统模型由转向系统模型G₀(s)和农用车辆运动 模型G₁(s)组成；

步骤二：根据车辆运动的实际需求，设定农用车辆路径跟踪控制 系统的输入为期望路径u，输出为实际路径跟踪效果y，此时设定期 望输出量为y＝u＝1；

步骤三：确定农用车辆具体的研究对象为拖拉机，农用车辆的运 动模型选取O’Connor提出的线性模型，便于对模型的研究；

步骤四：基于步骤三提出农用车辆的线性模型，再利用罗锡文提 出的东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统的闭环辨识结果， 得出转向系统模型G₀(s)，从而得出农用车辆系统模型G(s)；

步骤五：基于步骤四提出农用车辆系统模型，利用超前校正的方 式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C₁(s)，使系统在保持稳 定的前提下，加快响应速度，再对控制器C₁(s)利用二次超前校正的 方式设计农用车辆路径跟踪控制系统的控制器C₂(s)，进一步加快系 统的响应速度；

步骤六：在步骤五给出的控制器C₂(s)的基础上，对控制器加比 例调节系数，控制器C₃(s)＝KC₂(s)，K＜1，C₃(s)的作用是为了更好的 降低超调量，同时对通频带中心频率的选择能力更强，起到去除高频 噪声的作用；

步骤七：控制器C₃(s)对农用车系统模型G(s)的控制，相对控制 器C₂(s)的控制来说，不仅可以达到降低超调量，同时还可以减小噪 声，但是加入比例部分的数值实际上是小于1，因此系统的响应速度 变慢，所以为了解决线性控制器对农用车辆路径跟踪控制系统存在的 时间领域的限制，如调节时间和上升时间，因此在农用车辆路径跟踪 控制系统中，引入增益切换非线性控制，加增益切换控制以后，形成 非线性PID控制器C₄(s)，将此非线性控制器作用于农用车辆系统模 型中，优化农用车辆路径跟踪控制系统的动态性能。