[发明专利]一种履带拖拉机及其路径跟踪控制方法和系统

说明书

本发明公开了一种履带拖拉机及其路径跟踪控制方法和系统，首先通过优选一种电控装置改造履带拖拉机手动转向机构，实现电控转向；接着利用主驱动轮半径及其转速计算两侧履带理论速度，结合履带拖拉机滑移特性建立了滑移率与履带理论速度的关系，进而得到航向预估模型；其次采用增量式PID控制算法设计了底层控制器，利用采样周期和航向预估模型计算得到航向变化预估量；然后把拖拉机当前航向和航向变化预估量之和作为航向反馈量，把期望航向与航向反馈量差值作为底层控制器输入计算得到控制输出；最后利用控制输出控制电控装置动作，实现履带拖拉机转向以跟踪期望路径。

技术领域

本发明涉及车辆自动驾驶技术领域，尤其涉及一种履带拖拉机及其路径跟踪控制方法和系统。

背景技术

随着农村土地规模化经营迅速发展、农业劳动力大量转移，农业领域对智能化农机装备的需求愈加迫切。相比轮式拖拉机，履带拖拉机具有接地比压低、转向灵活等特点，广泛适用于南方水田作业，对其自动驾驶技术进行研究有助于提高南方水田作业效率，符合我国当前农业发展需要。

航向跟踪算法是一种常用的路径跟踪控制方法。在该算法中，位置偏差和航向偏差最终都可统一转化为航向偏差，准确的航向跟踪是实现路径跟踪的前提条件。履带拖拉机在水田环境作业时，其车身航向与其纵向速度、两侧履带速度、旋转中心位置、履带的滑移系数等诸多因素有关，常规方法中在建立车辆控制模型时只考虑了期望航向和实际航向的偏差，而未能包含其它因素的影响，难以达到满意的控制效果。特别当纵向速度发生较大变化或拖拉机发生滑移现象时，跟踪误差会明显增大，甚至会出现大幅度震荡。因此，在履带拖拉机路径跟踪过程中，履带拖拉机控制模型应该能对纵向速度、滑移工况等影响因素有一定的自适应能力。

另外，在实际航向控制过程中，控制器根据期望航向和履带拖拉机的实际航向计算得到航向偏差，再计算控制量。执行机构执行该控制量需要经过一个采样周期，此时履带拖拉机的实际航向已经发生了变化，即控制输出会有一个采样周期的滞后，这也会对路径跟踪精度产生较大影响。

发明内容

为解决上述问题，在现有研究基础上，考虑履带滑移特性建立了拖拉机航向预估控制模型，提出了一种履带拖拉机及其路径跟踪控制方法和系统。

具体地说，本发明公开了一种路径跟踪控制方法，包括：利用拖拉机主驱动轮半径及其转速计算两侧履带的理论速度，结合履带拖拉机滑移特性建立滑移率与该理论速度，建立航向预估模型；根据采样周期和该航向预估模型计算得到航向变化预估量；把拖拉机当前航向和该航向变化预估量之和作为航向反馈量，底层控制器根据期望航向与该航向反馈量，计算得到控制输出，控制输出控制电控装置动作，实现履带拖拉机转向以跟踪期望路径。

该路径跟踪控制方法，其中包括以下步骤：

步骤1，通过定位系统对拖拉机进行测速，得到该拖拉机的移动速度；

步骤2，根据该拖拉机履带与地面的接触特性、该移动速度以及该拖拉机两侧履带的理论速度，得到该拖拉机两侧履带的滑移率；

步骤3，根据该滑移率、该拖拉机两侧履带的理论速度和该拖拉机的履带间距，获得该拖拉机的航向变化率表达式；

步骤4，根据该航向变化率表达式和采样周期，计算该拖拉机的航向变化预估量；

步骤5，将该航向变化预估量和该拖拉机的当前航向之和作为航向反馈量，根据该航向反馈量和期望航向，控制该拖拉机的舵机角度，以使该拖拉机跟踪期望路径。

该路径跟踪控制方法，其中该步骤2还包括：根据该拖拉机两侧驱动轮的转速和尺寸，得到该履带拖拉机两侧履带的该理论速度：

v_r＝w_r·r

v_l＝w_l·r