[发明专利]基于自适应模型预测控制的收获机路径跟踪控制器的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应模型预测控制的收获机路径跟踪控制器的设计方法，包括如下步骤：(1)建立收获机三自由度运动学模型；(2)以转向角为控制变量，设计模型预测控制算法；(3)采用改进粒子群算法对不同路径和速度情况下的预测时域进行参数整定；(4)根据路径和行驶速度选定工作模式进而得到相应的预测时域。本发明能够有效解决由于收获机滞后性大引起的延迟问题，改善预测时域的选取进而提高路径跟踪效果。

技术领域

本发明涉及农业车辆自主行驶技术领域，尤其是一种基于自适应模型预测控制的收获机路径跟踪控制器的设计方法。

背景技术

随着导航和控制技术的快速发展，农业机械的自动化和智能化程度不断提高，是实现精准农业的前提。自主式农业机械通过提高效率、可靠性和精确性，以及减少对人为干预的需求，大大提高生产力，降低生产成本和能源消耗，利于环境保护。路径跟踪控制是自主化技术的关键技术，它使车辆能够有效跟踪一个期望的路径，完成农作业需求。

纯跟踪控制方法在这一领域得到了广泛应用，该方法基于几何方式，通过在期望路径的前视距离处选择一个点来计算所需的转向角。然而，前视距离的选取与行驶速度、跟踪轨迹、位置误差和航向偏差等因素有关，选取较为困难。为了提高鲁棒性，模型控制器、鲁棒H_∞输出反馈控制器、基于神经网络的自适应控制、滑模控制等方法被用于路径跟踪控制。但是，这些方法不适用于联合收获机质量大、惯性大造成的控制滞后问题。并且，没有考虑约束条件。而模型预测控制能够基于当前的输入预测未来时刻的控制量，有效抑制滞后性，且可充分考虑状态量和控制量的约束条件。因此，模型预测控制是实现收获机路径跟踪控制的有效方式。为了提高其环境适应性，根据跟踪路径和运动速度自适应调整预测时间，实现自适应模型预测控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于自适应模型预测控制的收获机路径跟踪控制器的设计方法，能够有效解决由于收获机滞后性大引起的延迟问题，改善预测时域的选取进而提高路径跟踪效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于自适应模型预测控制的收获机路径跟踪控制器的设计方法，包括如下步骤：

(1)建立收获机三自由度运动学模型；

(2)以转向角为控制变量，设计模型预测控制算法；

(3)采用改进粒子群算法对不同路径和速度情况下的预测时域进行参数整定；

(4)根据路径和行驶速度选定工作模式进而得到相应的预测时域。

优选的，步骤(1)中，建立收获机三自由度运动学模型具体为：在导航坐标系下，建立以双后轮支撑转向、双前轮驱动的三自由度运动学模型：

式中，(x,y)为收获机前轴中心坐标，为车身导航角，v为收获机行驶速度，δ为后轮转向角，L为前后轮轴距；

对上式进行线性化和离散化处理，可得到该系统的状态空间方程

其中，为状态变量，为输入量，为状态转移矩阵，为输入转移矩阵，y(k)为输出量，为输出矩阵，T为采样时间，下标d表示相应的期望值。

优选的，步骤(2)中，以转向角为控制变量，设计模型预测控制算法具体为：构造新的状态量根据上式，可得新的状态空间方程为

ζ(k+1)＝Aζ(k)+BΔu(k)

η(k)＝Hζ(k)

其中，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，u为控制量δ，η(k)为输出量；

假设预测时域为P，控制时域为C，Δu(k+C-1)＝Δu(k+C)＝…＝Δu(k+P-1)，则根据上式可得时刻k的预测输出为