[发明专利]一种机械自动转向控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及农业机械导航控制领域，具体涉及一种机械自动转向的控制方法。

背景技术

农业机械导航控制的主要目的是根据各传感器得到的相对精确的导航定位结果，确定农业机械本身与预定义路径的位置关系，结合农业机械的运动状态及相应控制算法，决策出合适的前轮转角，以修正路径跟踪误差，使农业机械的当前航向与目标航向快速重合。导航控制分为纵向控制和横向控制，其中横向控制主要指转向控制，纵向控制主要指速度的调节。农业机械自动转向控制方法，是实现其精确的航向跟踪和自动导航控制的基础。

常用的导航控制方法包括线性模型控制方法、最优控制方法和模糊控制方法。美国伊利诺伊大学对农用机械的自动控制和多传感器的信息融合做了深入广泛的研究，成功开发了能实现多种耕作作业的拖拉机，并利用电液控制系统执行转向动作，实现了农用拖拉机沿行间隙行走的无人驾驶。日本东京大学利用机器视觉技术进行自动导航系统研究，根据线性转向控制模型，将目标方向角度和车辆纵向角度融合，计算出转向轮偏转角度，完成转弯控制。美国的Noguchi N等人应用神经网络和遗传算法，建立了具有自学习能力的农用车辆控制系统，实验结果表明，该模型对在平坦路面行驶的车辆具有很好的控制效果，但不适合于路面倾斜的情况。Benson、Dong ZL等人应用PID(比例-积分-微分proportion-integral-derivative)控制方法设计了PID控制器，该算法不依赖于精确的数学模型，避免了繁琐的建模过程，只需要一些对象的响应特征来组合控制，对算法的比例参数、积分参数和微分参数进行合理的调节。实验结果表明该方法具有良好的路径跟踪效果。国内的周俊与刘成良等人基于卡尔曼滤波的思想，融合了各传感器的观测值，给出了农业机器人导航的预测跟踪控制方法，避免了以视觉系统为主的计算耗时而导致状态反馈滞后而产生的不利影响，对导航控制的鲁棒性和精度有一定改善。华南农业大学集成GPS技术、计算机技术和多传感器技术，开发了以电动机为动力的农用智能移动作业平台，经实验证明，该平台路径跟踪的控制难度较大。

通过分析可知，导航控制的重点和难点是提高转向控制的稳定性和路径跟踪精度。常规PID控制方法可以获得较高精度的路径跟踪效果，且具有一定的鲁棒性和可靠性，但该方法的抗干扰能力较弱。

模糊控制方法是近年来发展起来的新型控制方法，其优点是不需要掌握受控对象的精确数学模型，根据人工控制规则，组织控制决策决定控制量的大小，可以获得良好的动态特性，但其静态特性比较差。在田间作业条件下，建立农业机械的运动学和动力学模型比较困难，随着作业环境和作业条件的变化，其运动特性随时间变化，各种干扰因素对常规控制方法的影响也比较大。

发明内容

本发明的目的在于改进和完善现有的农业机械自动转向控制技术中存在的不足，提供一种导航跟踪精度相对较高、稳定性较好的机械自动转向控制方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机械自动转向控制方法，该机械的存储装置中存储有PID控制器的比例常数、微分常数和积分常数，该方法包括以下步骤：

(1)根据机械转向要到达的目标点确定其位置偏差和航向偏差；

(2)根据所述位置偏差和航向偏差确定当前期望前轮转角，并控制转向机构根据所述当前期望前轮转角来控制前轮转向，同时通过角度传感器采集当前实际前轮转角；

(3)计算当前期望前轮转角与当前实际前轮转角的误差及误差的变化率，PID控制器根据所述误差及误差的变化率确定PID比例常数的增量、微分常数的增量和积分常数的增量，得到调整后的比例常数、微分常数和积分常数；

(4)利用调整后的比例常数、微分常数和积分常数求出当前期望前轮转角的增量，得到调整后的期望前轮转角，并控制转向机构根据所述调整后的期望前轮转角来控制前轮转向。

其中，所述PID控制器与转向机构之间连接有步进电机，所述PID确定当前期望前轮转角后向所述步进电机发送控制指令，所述步进电机根据所述控制指令控制转向机构使其根据所述当前期望前轮转角来控制前轮转向。

其中，在步骤(1)中，根据所述机械当前时刻的行驶速度确定所述机械的最佳前视距离，依据所述最佳前视距离确定目标航向角，由所述目标航向角和最佳前视距离确定机械的目标点坐标。

其中，根据所述机械当前时刻的行驶速度确定所述机械的最佳前视距离的方法为：