[发明专利]一种基于扰动观测器的农用车辆自主导航转向控制方法

说明书

技术领域

本发明属于农用车辆智能路径导航与高精度控制的研究领域，具体涉及到农用车辆智能导航的控制器设计与主动抗干扰的扰动观测器的设计。

背景技术

农用车辆智能导航控制器的设计可以考虑系统多变量、非线性、时变性的特征，利用各种智能控制方案：包括模糊算法，整数阶分数阶PID算法，对系统进一步设计。具体可以根据系统的特点提出优化的控制方案；在农用车辆自主导航的过程中，土壤的结构与软硬程度、随机噪声的不确定性、路面的凹凸不平、执行机构负载转矩的变化和摩擦，车辆的运行受外界环境影响及模型本身的颤动，都会对系统的性能造成不可预估的影响。因此需要主动抗干扰技术的扰动观测器根据具体的控制对象进行滤波器的设计，保证系统本身具有较好的鲁棒性能。

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、跟踪控制器的设计以及扰动观测器的设计。农业车辆田间作业环境对系统的结构和性能要求很高，因此跟踪控制器与扰动观测器的设计正吸引越来越多学者的研究兴趣，并为此做了大量的工作。

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系统不仅要满足跟踪路径稳、准、快，还要考虑其他影响农机导航精度的不确定因素。例如：系统模型参数的摄动，低频的外部干扰和高频的测量噪声，控制器的不确定饱和都是需要研究的问题。在传统的控制策略中，PID是农用车辆自主导航控制系统中最常用的控制手段。其控制效果相对稳定，技术成熟。但其在时变的控制系统和非线性系统中存在一定的局限性。即该控制策略只关注系统跟踪精度的PID控制器设计，而忽略或者单纯通过反馈控制消除系统本身存在的模型参数的非线性摄动、低频的外部干扰、高频的测量噪声、控制器的饱和等一系列不确定因素。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，干扰抑制能力，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

本发明提供了基于扰动观测器的农用车辆自主导航模型的设计方法。同时针对车辆非线性运动模型结构采用不同的控制策略，用于高精度跟踪给定的路径，实现农用车辆的智能精确导航。设计的控制系统都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，加入扰动后的系统仍能保持原来的动态品质和稳态性能。

为了实现上述的发明目的，本发明的目的之一在于，提供一种稳定且实用的农用车辆自主导航的路径跟踪控制方法。具体为：一种基于扰动观测器的农用车辆自主导航转向控制方法，其特征在于，包括如下几个步骤：

1)首先根据农用车辆实际导航需求的情况，拟定农用车辆路径跟踪控制系统的控制流程设计图；

2)组建农用车辆路径跟踪控制系统，由转向控制器G_c(s)，扰动观测器Q(s)和车辆运动学模型G(s)这几个部分构成；

3)结合实际的控制需求，设定农用车辆路径跟踪控制系统的输入为控制变量u，输出为横向偏差y，此时设定期望输出量y₁＝u＝1；

4)确定农用车辆路径跟踪控制系统的研究对象：农用车辆的运动学模型；此时农用车辆的运动学模型取O’Connor提出的三阶线性模型和三阶非线性模型，其中对于三阶线性的模型处理是为了便于对三阶非线性模型的研究；

5)基于三阶线性模型，利用极点配置设计系统的控制器G_c(s)，并将此控器用于三阶非线性模型的控制与整定；

6)在车辆三阶非线性模型基础上，引入系统本质存在的三类扰动：模型误差Δ(s)，外界干扰d，测量噪声ζ，同时对这三种扰动进行不同组合的模拟，分析它们对农用车辆路径跟踪控制系统的影响；

7)在步骤5设计的控制器G_c(s)基础上，加入扰动观测器Q(s)的设计，此时设计两种扰动观测器，分别为Q_B(s)和Q_b(s)，在这两种控制手段的作用下，讨论系统对外界干扰的主动抑制能力，并且对比分析两种扰动观测器的控制效果；

8)利用DSP与现有的农用车辆平台，构建一种农用车辆路径跟踪控制装置：包括主控制器和路径跟踪闭环传感器以及农用车辆硬件平台。