[发明专利]考虑时延和环境约束的智能收获机器人路径控制方法

权利要求书

1.考虑时延和环境约束的智能收获机器人路径控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，建立收获机转向系统的动力学模型、运动学模型、收获机-地面受力模型，并构建考虑输入延迟和外部扰动的控制系统模型；

具体方法如下：

(1)根据设定的期望路径获取当前时刻t的期望航向角ψ_r、期望航向角速率期望航向角加速率根据传感器获取收获机当前时刻t的航向角ψ、航向角速率航向角加速率纵向速度v_x和纵向加速度横向速度v_y和横向加速度

(2)建立收获机转向系统的动力学模型为

式中，ψ是航向角，J_z是转动惯量，l_f和l_r分别是前、后轴到质心的距离，F_yf、F_yr分别是前、后轮胎受到的侧向力；

(3)构建收获机的运动学模型

计算当前时刻的航向角偏差△ψ、航向角速度偏差航向角加速度偏差

△ψ＝ψ-ψ_r，

求取当前时刻收获机的横向位置偏差的导数

在小角度假设下sin(△ψ)≈△ψ、cos(△ψ)≈1，简化为对求导得到

设计一个考虑航向角偏差和横向位置偏差的综合偏差

e_c＝e+x_csin(△ψ)；其中x_c是误差权重系数；

在小角度假设下sin(△ψ)≈△ψ，e_c简化为e_c＝e+x_c△ψ；对e_c求导得到当前时刻的综合偏差导数为对求导得到

(4)建立收获机-地面的受力模型：

在小角度假设情况下，前、后轮胎的侧偏角为

式中，δ_r为收获机后轮转向角，即要设计的控制输入；

在侧偏角及纵向滑移率较小时，轮胎力用线性函数近似描述，前、后轮胎受到的侧向力为

式中，C_f、C_r分别为前、后轮胎的侧偏刚度，μ为路面摩擦系数；

(5)根据上面的收获机动力学模型、运动学模型和收获机-地面受力模型，计算收获机的系统模型

考虑收获机的路径跟踪控制系统会受到输入延迟和外部扰动的影响，收获机的系统模型表示为

式中，系统的状态变量X＝[x₁,x₂]^T，x₁＝e_c，控制变量u＝δ_r，是控制输入系数，t_d为输入延迟时间，d为外部扰动，

步骤二，基于预设性能函数对状态变量进行约束，并通过误差转换函数将有约束的变量转换为无约束的变量；

步骤三，基于反步法和李雅普诺夫定理设计考虑定常时延的路径跟踪控制输入；

步骤四，基于反步法和李雅普诺夫定理设计考虑时变时延的路径跟踪控制输入。

2.根据权利要求1所述的考虑时延和环境约束的智能收获机器人路径控制方法，其特征在于，步骤二的具体方法如下：

采用预测性能函数对状态变量x₁进行约束

-ρx₁ρ

式中，ρ是预设性能函数，ρ＝(ρ₀-ρ_∞)exp^-lt+ρ_∞，ρ₀是初始误差的界定值，ρ_∞是稳态误差的最大值，收敛速率系数为l；

通过误差转换将带有约束的误差x₁转换为无约束的误差ε

ε＝T(ρ^-1x₁)

其中，

误差ε的导数为

其中，