[发明专利]一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及车辆导航与自动控制技术领域，重点应用于农业作业车辆自主跟随和协同作业领域。

背景技术

农业生产中自主车辆导航方式主要有GPS导航和路标导航。GPS导航精度受到视野中卫星的几何分布状况、星历误差、时钟误差、传播误差、多路径误差以及接收机噪声等因素影响，同时其可靠性也受到高大树木、山坡以及建筑物等因素影响。路标导航中主要运用机器视觉技术和激光雷达扫描技术识别作物行、垄等自然路标，但路径特征的丢失(如植株的缺失、大面积杂草出现及路标环境杂乱复杂)和视觉传感器自身局限性(如动态范围、分辨率、漂移及噪声)及户外使用约束条件(如光照)等都可能会导致路标导航失效。

车辆引导与自主跟随能弥补自主导航车辆的智能不足，并提高安全性。国内外对车辆跟随控制和人机协同已取得一定的研究成果：日本京都大学农业机械化研究生院研究了人机协同自动跟随车辆系统收割水稻；北海道大学农业车辆系统工程研究生院研究了农业作业主-从机器人系统；德国芬特公司研究的芬特同步导航通信系统，实现一个驾驶员同时操纵两辆拖拉机作业；上海交通大学智能车实验室实现了针对城市环境的多智能车跟随协作。但是，实现主-从跟随控制大多数采用机器视觉、GPS、激光扫描等多传感器融合技术，成本高昂且结构复杂，在农业领域的相关研究较少。

小型电动车相比拖拉机体积小，车身矮，在果园环境中作业时具备良好的通过性能，避免果树枝叶和果实遭受损伤，同时电动车没有尾气污染，作业更加环保，在实际中有较好的应用前景。本发明以自主改装的两辆小型电动车构建了车辆自主跟随系统，在参考车辆速度、转向和跟随导航控制研究成果的基础上，设计了一套基于红外传感器的车辆自主跟随控制系统，并设计了相应的控制算法。在果园环境下开展了车辆自主跟随试验，果园的性能控制实验结果表明：本发明能有效实现车辆的自主跟随，性能可靠、成本低廉和结构简易。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自主跟随车辆航向控制系统的硬件实现形式和控制方法的设计。

该控制系统应用红外传感器检测车辆跟随系统相对航向偏角，应用绝对编码器实现前轮偏转角的测量，应用步进电机实现前轮偏转角的控制，建立了车辆自主跟随的控制系统模型，设计了跟随控制算法，通过开展的果园环境控制实验，验证了本发明能有效检测相对航向偏转角，所设计的控制算法能有效实现对跟随车辆航向角的控制，实现车辆的自主跟随，体现了本发明在实际农业作业领域的应用前景。

本发明的技术方案是：

一种自主跟随车辆航向控制装置及控制方法，它包括由主控制器、检测系统和转向控制系统构成的控制系统硬件结构。主控制器采用数字信号处理器TMS320F28335，检测系统实现跟随车前轮转角和跟随车相对引导车的航向偏角的检测，转向控制系统采用步进电机配合链轮传动机构带动方向盘旋转实现车辆转弯。

本发明的检测系统包括前轮转角检测机构和相对航向偏角检测机构。前轮转角检测机构中的绝对型旋转编码安装于前轮导向轴上，主控器的AD模块采集绝对型旋转编码器的输出电压，通过计算获知(B-2)、对跟随车的航向角速度ω_v进行积分运算计算出车辆航向偏转角β。

本发明根据前轮转向角δ和车辆航向偏转角β之间具有的动态传递关系，设计了航向跟随闭环控制系统结构。

本发明根据航向跟随闭环控制系统结构设计了航向跟随PD闭环控制器，建立了跟随车实际航向偏转角β和目标相对航向偏转角θ之间偏差e与前轮偏转角R之间的传递关系。

本发明根据航向跟随PD闭环控制器设计了跟随控制算法流程，跟随控制算法流程中撤销控制作用条件是所有红外传感器接收到反射信号，航向偏转角β值与控制目标θ的差值绝对值小于设定的阈值Δθ，前轮转向角量值小于设定的阈值Δ_δ。

本发明搭建的电动车辆自主跟随控制系统，完成了果园环境自主跟随试验，试验结果证明本发明能稳定可靠地实现车辆的自主跟随。

本发明的有益效果：

本发明中相对航向偏角检测机构能稳定可靠地检测跟随车相对于引导车的航向偏角，并且结构简易，成本低廉。

本发明提出了一种实现车辆自主跟随航向控制的系统硬件实现形式、控制系统建模方法和控制算法的实现形式。

附图说明

图1是本发明的控制系统硬件结构图；

图2是本发明的前轮转角检测机构图；

图3是本发明的相对航向偏角检测机构图；

图4是本发明的车辆自主跟随控制系统示意图；

图5是本发明的转向系统闭环控制结构图；