[发明专利]用于农机无人驾驶的田间避障路径规划及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种避障路径规划及其控制方法，特别涉及一种用于农机无人驾驶的田间避障路径规划及其控制方法。

背景技术

农机在自动导航作业时多在环境部分未知的情况下运行，实现对人进行安全保护和对农作物的伤害程度减到最低，同时又能最大的发挥自主导航农业车辆的生产效率，将是一个重要的研究问题，同时农机可能会遇到电线杆、小石块等相对比较小的障碍物，需要农机能自动绕过这些障碍物并迅速回到作业的路线。

现有技术中，针对比较小的障碍物，采用最短切线法设置避障路径，最短切线法形成的避障路径由两段直线段和一段圆弧段组成，直线段分别与圆弧段相切，这种避障路径虽然简单快捷，对于具有最小转弯半径的拖拉机很难按照折角进行转弯且很难控制，若控制农机按照这种避障路径行走，农机的控制精度很低。

另外，在现有的农机路径跟踪方法上，主要有基于模型的控制方法和与模型无关的控制方法。在模型的控制方法上，主要是基于运动学模型和动力学模型的路径跟踪方法。基于运动学模型的控制方法是对模型进行小角度的线性化逼近，在常速假设条件下进行控制器设计这样不但引入了线性化误差，而且速度变化时控制器的鲁棒性较差；基于动力学模型的控制方法虽然模型的精度高，但是动力学模型的参数很难实时获取。在与模型无关的控制方法上面，纯追踪方法的前视距离的在线自适应确定问题还没有很好的解决，技术不成熟，控制精度低；智能方法虽然有传统的控制方法无法比拟的仿人智能和非线性映射能力，但是设计需要一定的经验知识和复杂的学习训练过程，总之，现有的路径轨迹的控制方法不仅无法同时实现高的控制精度和实时获取农机的运动参数，而且对设计人员的要求很高，适应性差。

总而言之，无论是避障路径规划还是避障路径的控制方法，控制农机按照设定好的路径行走的精度很低，偏离设定的避障路径。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，解决现有技术中避障路径难控制且控制精度低的技术问题，提供一种用于农机无人驾驶的田间避障路径规划及其控制方法，本发明中的避障路径容易控制且行走的路程短，效率高，控制精度高。

本发明的目的是这样实现的：一种用于农机无人驾驶的田间避障路径规划及其控制方法，农机自动绕开障碍物的具体步骤为，

步骤1：通过传感器获取农机环境信息做出避障决策；

步骤2：使用改进的最短切线法离线计算出一条理论避障路径；

步骤3：利用基于Bezier曲线的路径优化方法优化步骤2中的理论避障路径得到实际避障路径，使得优化后的路径更加容易控制，使用预瞄和PI控制器组合起来控制农机的前轮转角使农机沿着实际避障路径行走绕开障碍物。

本发明工作时，农机在行走过程中安装在农机上的传感器感应农机周围的环境信息，当农机前方有障碍物时，做出避障决策，使用改进的最短切线法计算出一条理论避障路径，对理论避障路径进行优化得到一条更加容易控制的实际避障路径，农机通过传感器检测获得农机的位置信息，使用曲线跟踪方法实时获得设定好路径的曲线曲率、农机航向偏差和横向偏差，用状态反馈控制器和自适应控制器的结合计算出当前的前轮转向角，农机在行走过程中通过实时调整农机的前轮转角使农机沿着设定的实际避障路径行走，从而实现农机的自动避障；本发明通过改进后的最短切线法计算出一条理论避障路径，使用基于Bezier曲线的路径优化方法对理论避障路径进行优化，使避障路径更加容易控制，通过状态反馈控制器和自适应控制器的结合控制农机的前轮转向角使农机沿着设定好的避障曲线行走，控制精度高；可应用于无人驾驶的农机在田间作业时自动避障的工作中。

为了进一步提高获得理论避障路径的可靠性，步骤2中，计算理论避障路径具体地为，计算农机前方障碍物的特征圆的大小、农机与障碍物的距离，根据特征圆的大小设定安全距离，根据农机的犁具宽度和农机最小转弯半径，设定一条理论避障路径。