[发明专利]农机基于线控转向的自动导航建模与控制方法

权利要求书

1.农机基于线控转向的自动导航建模与控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立农机的侧向动力学模型；所述侧向动力学模型的状态方程为：

其中，y为农机侧向位移，为农机侧向速度，ψ为横摆角度，为横摆角速度，C_αf为前轮的侧偏刚度，C_αr为后轮的侧偏刚度，m为农机质量，V_x为纵向速度，I_z为车辆横摆转动惯量，l_r为车辆质心到后轴的距离，l_f为车辆质心到前轴的距离，δ_f为前轮转向角；

步骤2：建立横向偏差和航向偏差的数学模型并带入侧向动力学模型中，得到跟踪误差变量的状态方程；

步骤3：实时获取农机当前的位置与航向角；采用状态反馈法则和极点配置法，并根据农机实时位置和航向角与预设阈值的差值，计算前轮转向角；

步骤4：将前轮转向角作用于农机方向盘反馈电机，对线控转向系统从转向电机到转向前轮进行动力学建模，计算前轮转向扭矩；

步骤5：采用滑模变结构控制方法调节前轮转向电机扭矩的实际输出值；

步骤6：控制器根据实际输出值控制农机转向轮实现农机实时导航控制。

2.根据权利要求1所述的农机基于线控转向的自动导航建模与控制方法，其特征在于所述跟踪误差变量的状态方程为：

其中，e₁为横向偏差，为e₁的一阶导数，e₂为航向偏差，为e₂的一阶导数，车辆参考的方向变化率为R为车辆转弯半径，C_αf为前轮的侧偏刚度，C_αr为后轮的侧偏刚度，l_r为车辆质心到后轴的距离，l_f为车辆质心到前轴的距离，δ_f为前轮转向角。

3.根据权利要求1所述的农机基于线控转向的自动导航建模与控制方法，其特征在于所述农机当前位置、航向角是通过RTK-GPS和姿态传感器实时的获取的。

4.根据权利要求1所述的农机基于线控转向的自动导航建模与控制方法，其特征在于所述采用状态反馈法则和极点配置法，并根据农机实时位置、航向角与预设阈值的差值，计算前轮转向角δ_f为：

其中，K₁、K₂、K₃、K₄，为反馈增益，根据选定的极点得到相应的值；e₁、e₂、为跟踪误差变量的状态方程中求解得到。

5.根据权利要求1所述的农机基于线控转向的自动导航建模与控制方法，其特征在于所述对线控转向系统从转向电机到转向前轮进行动力学建模，计算前轮转向扭矩为：

其中，前轮转向扭矩为τ_eq，前轮的转动惯量为J_fw，转向电机的转动惯量为J_sm，前轮的粘性摩擦系数为B_fw，转向电机的粘性摩擦系数为B_sm，电机转矩脉冲扰动为τ_dis，转向系统的库伦摩擦力为库伦摩擦系数是F_s，车辆转向中前轮和地面相互作用的自回正力矩为τ_e，N₁和N₂分别是齿条和齿轮箱的齿数，r是一个表示齿条的线性运动到转向臂的旋转或者前轮转向角的转换常数，前轮侧向力为轮胎自回正力矩为C_αf为前轮侧偏刚度，β为侧偏角，为横摆角速度，V_CG为车辆质心处速度，表示侧向力的作用点与轮胎地面接触区中心点的距离，l_f为车辆质心到前轴的距离，δ_f为前轮转向角。

6.根据权利要求1所述的农机基于线控转向的自动导航建模与控制方法其特征在于所述采用滑模变结构控制方法调节前轮转向扭矩的实际输出值为：根据测量到的当前时刻前轮转角信号与转角参考信号的误差以及转角速度和其参考角速度的误差计算滑模变量的值，再使用通过经验估算的回正力矩的上界、转向系统阻尼的上界和转角参考信号加速信息的上界计算滑模控制器的转向控制信号。