一種農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)向控制方法，特別涉及一種用于農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]車輛自主導(dǎo)航技術(shù)極大地促使農(nóng)用全地形車在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中邁向自動化和智能化發(fā)展，已成為各國研宄的熱點之一。轉(zhuǎn)向跟蹤控制技術(shù)是農(nóng)用全地形車實現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向進而實現(xiàn)自主導(dǎo)航控制的重要基礎(chǔ)。農(nóng)用全地形車在農(nóng)業(yè)發(fā)展中將發(fā)揮重要作用，然而快速和精確的轉(zhuǎn)向跟蹤控制方法仍未達到較為理想效果?？刂剖侄蜗拗屏宿r(nóng)用全地形車的發(fā)展。在農(nóng)用全地形車自主導(dǎo)航行駛過程中，農(nóng)用全地形車實際位置與目標位置之間的橫向偏差越小，越能保證農(nóng)用全地形車沿目標路徑行駛。根據(jù)車輛運動方程，橫向偏差是由車輛航向角偏差引起的，而航向角偏差的產(chǎn)生又和前輪轉(zhuǎn)角的變化直接相關(guān)?？梢姡⒃诳刂魄拜嗈D(zhuǎn)角變化基礎(chǔ)之上的農(nóng)用全地形車優(yōu)良轉(zhuǎn)向跟蹤特性是實現(xiàn)準確自主導(dǎo)航的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，以解決上述技術(shù)背景中存在的缺點，滿足農(nóng)用全地形車對轉(zhuǎn)向跟蹤控制快速和準確性的要求。
[0004]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0005]一種農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，農(nóng)用全地形車自主轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的動力由直流電動機提供；車載計算機獲取農(nóng)用全地形車航向角偏差和橫向偏差，在進行路徑規(guī)劃后輸出目標前輪轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)農(nóng)用全地形車狀態(tài)實時采集前輪實際轉(zhuǎn)角值；還包括復(fù)合模糊PID控制器，所述復(fù)合模糊PID控制器根據(jù)輸入的前輪目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角偏差、橫向偏差和偏差變化率對比后輸出電壓信號，控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而驅(qū)動自主轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)前輪實際轉(zhuǎn)角快速、精確跟蹤目標轉(zhuǎn)角。
[0006]當前輪轉(zhuǎn)角偏差大于10°時，發(fā)揮模糊控制器響應(yīng)速度快的優(yōu)點對偏差快速調(diào)節(jié)；當前輪轉(zhuǎn)角偏差被調(diào)節(jié)到小于等于10°時，發(fā)揮模糊控制的自適應(yīng)性和PID控制的精確性，利用復(fù)合模糊PID控制器對前輪轉(zhuǎn)角精準調(diào)節(jié)。
[0007]利用復(fù)合模糊PID控制器和電機模型，建立Matlab/Simulink環(huán)境下的農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤控制系統(tǒng)仿真圖，得到農(nóng)用全地形車目標前輪轉(zhuǎn)角分別為5°和15°時的階躍響應(yīng)曲線，當目標前輪轉(zhuǎn)角為5°時，使用復(fù)合模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制，調(diào)節(jié)時間降低0.ls，最大超調(diào)量由6.28°降至6° ;當目標前輪轉(zhuǎn)角為15°時，調(diào)節(jié)時間降低0.35s，最大超調(diào)量由18.27°降至16°。
[0008]還包括執(zhí)行結(jié)構(gòu)，所述執(zhí)行結(jié)構(gòu)由摩檫輪、拉簧和離合手柄組成，所述摩檫輪與電機的輸出軸相連，所述離合手柄的一端連接電機，另一端連接方向盤底部的轉(zhuǎn)向軸；所述拉簧的一端連接方向盤底部的轉(zhuǎn)向軸，另一端連接離合手柄。
[0009]所述摩擦輪在拉簧的作用下與方向盤緊密接觸。
[0010]本發(fā)明為提高農(nóng)用全地形車在自主導(dǎo)航行駛中轉(zhuǎn)向跟蹤控制的響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，設(shè)計了以農(nóng)用全地形車前輪轉(zhuǎn)角偏差和偏差變化率為輸入，以電機控制電壓和PID三個控制參數(shù)為輸出的模糊控制器，結(jié)合PID控制器實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)角偏差大于10°時采用模糊控制和轉(zhuǎn)角偏差小于等于10°時采用自適應(yīng)模糊PID控制。仿真結(jié)果表明，采用復(fù)合模糊PID控制器在前輪轉(zhuǎn)角偏差較大變化范圍內(nèi)均能實現(xiàn)快速和準確的轉(zhuǎn)向跟蹤。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0012]圖2是農(nóng)用全地形車自主轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)(執(zhí)行結(jié)構(gòu))示意圖。
[0013]圖3是農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤控制策略原理框圖。
[0014]圖4是電機簡化模型示意圖。
[0015]圖5是農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤控制系統(tǒng)仿真圖。
[0016]圖6是5°和15°時的仿真曲線圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖進一步闡述，使本發(fā)明的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征和實現(xiàn)效果更加明了。
[0018]農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
[0019]農(nóng)用全地形車本身安裝了液壓助力轉(zhuǎn)向裝置，選擇小輸出扭矩電機即可滿足方向盤轉(zhuǎn)動力矩的要求。執(zhí)行結(jié)構(gòu)如圖2所示，它的動力由直流電動機提供。執(zhí)行結(jié)構(gòu)由摩檫輪1、拉簧2和離合手柄3組成，所述摩檫輪I與電機4的輸出軸相連，所述離合手柄3的一端連接電機4，另一端連接方向盤底部的轉(zhuǎn)向軸6 ;所述拉簧2的一端連接方向盤底部的轉(zhuǎn)向軸6，另一端連接離合手柄3。使用時可以根據(jù)需要確定摩擦輪是否需要與方向盤緊密接觸。
[0020]所述的復(fù)合模糊PID控制器設(shè)計包括控制器是農(nóng)用全地形車實現(xiàn)優(yōu)良轉(zhuǎn)向跟蹤特性的關(guān)鍵，設(shè)計控制器時要考慮被控對象的機械結(jié)構(gòu)特點和所處工作環(huán)境。在控制方法中，PID控制和模糊控制因其自身的特點得到廣泛的應(yīng)用。本專利將這兩種控制方法的優(yōu)點相結(jié)合設(shè)計出復(fù)合模糊PID控制器。PID控制又稱偏差控制，它對輸入系統(tǒng)的偏差值，按照比例、微分與積分函數(shù)關(guān)系進行運算，并將計算結(jié)果的加權(quán)和作為系統(tǒng)的控制量對受控對象施加控制。模糊控制是以模糊集合理論和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)，把自然語言表述的知識和控制經(jīng)驗，通過模糊理論轉(zhuǎn)換成數(shù)學(xué)模型進行控制。PID控制方法在建立被控對象的準確數(shù)學(xué)模型和對控制參數(shù)合理設(shè)定后具有穩(wěn)態(tài)特性好和控制精度高等優(yōu)點。模糊控制方法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型且具有響應(yīng)速度快、自適應(yīng)和抗干擾能力強等優(yōu)點。
[0021]本發(fā)明所述農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法包括轉(zhuǎn)向跟蹤控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、復(fù)合模糊PID控制器設(shè)計、轉(zhuǎn)向跟蹤仿真。
[0022]農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中干擾因素較多，要想獲得優(yōu)良轉(zhuǎn)向特性，需采用復(fù)合控制方法。車載計算機獲取農(nóng)用全地形車航向角偏差和橫向偏差，在進行路徑規(guī)劃后輸出目標前輪轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)農(nóng)用全地形車狀態(tài)實時采集前輪實際轉(zhuǎn)角值；復(fù)合模糊PID控制器根據(jù)輸入的前輪目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角偏差、橫向偏差和偏差變化率對比后輸出電壓信號，控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而驅(qū)動自主轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)前輪實際轉(zhuǎn)角快速、精確跟蹤目標轉(zhuǎn)角。農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤控制策略原理如圖3所示。當前輪轉(zhuǎn)角偏差大于10°時，發(fā)揮模糊控制器響應(yīng)速度快的優(yōu)點對偏差快速調(diào)節(jié)；當前輪轉(zhuǎn)角偏差被調(diào)節(jié)到小于等于10°時，發(fā)揮模糊控制的自適應(yīng)性和PID控制的精確性，利用自適應(yīng)模糊PID控制器對前輪轉(zhuǎn)角精準調(diào)節(jié)。這同時也解決了使用模糊控制時，當偏差控制范圍過大，由于有限的模糊論域量化等級，使系統(tǒng)產(chǎn)生靜態(tài)偏差的冋題。
[0023]所述的轉(zhuǎn)向跟蹤仿真包括直流電機模型，復(fù)合模糊PID控制器最終輸出電機控制電壓U，建立電機模型實現(xiàn)轉(zhuǎn)向跟蹤仿真。簡化后的電機模型如圖4所示。圖4中，Um為電機電樞端電壓(V)，RmS電機電樞電阻(Ω)，Lm為電樞電感⑶，E為反電動勢(V)，Θ見為電機轉(zhuǎn)角(rad)，Jm為轉(zhuǎn)動慣量，Cm為黏性阻尼系數(shù)，U*電機勵磁電壓(V)，Im為電機電流(A)0
[0024]利用復(fù)合模糊PID控制器和電機模型，建立Matlab/Simulink環(huán)境下的農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤控制系統(tǒng)仿真如圖5所示。
[0025]得到農(nóng)用全地形車目標前輪轉(zhuǎn)角分別為5°和15°時的階躍響應(yīng)曲線，仿真結(jié)果如圖6所示。當目標前輪轉(zhuǎn)角為5°時，使用復(fù)合模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制，調(diào)節(jié)時間降低0.ls，最大超調(diào)量由6.28°降至6° ;當目標前輪轉(zhuǎn)角為15°時，調(diào)節(jié)時間降低0.35s，最大超調(diào)量由18.27°降至16°。
【主權(quán)項】
1.一種農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，其特征在于，農(nóng)用全地形車自主轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)的動力由直流電動機提供；車載計算機獲取農(nóng)用全地形車航向角偏差和橫向偏差，在進行路徑規(guī)劃后輸出目標前輪轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)角傳感器根據(jù)農(nóng)用全地形車狀態(tài)實時采集前輪實際轉(zhuǎn)角值； 還包括復(fù)合模糊PID控制器，所述復(fù)合模糊PID控制器根據(jù)輸入的前輪目標轉(zhuǎn)角與實際轉(zhuǎn)角偏差、橫向偏差和偏差變化率對比后輸出電壓信號，控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，進而驅(qū)動自主轉(zhuǎn)向執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)前輪實際轉(zhuǎn)角快速、精確跟蹤目標轉(zhuǎn)角。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，其特征在于，當前輪轉(zhuǎn)角偏差大于10°時，發(fā)揮模糊控制器響應(yīng)速度快的優(yōu)點對偏差快速調(diào)節(jié)；當前輪轉(zhuǎn)角偏差被調(diào)節(jié)到小于等于10°時，發(fā)揮模糊控制的自適應(yīng)性和PID控制的精確性，利用復(fù)合模糊PID控制器對前輪轉(zhuǎn)角精準調(diào)節(jié)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，其特征在于，利用復(fù)合模糊PID控制器和電機模型，建立Matlab/Simulink環(huán)境下的農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤控制系統(tǒng)仿真圖，得到農(nóng)用全地形車目標前輪轉(zhuǎn)角分別為5°和15°時的階躍響應(yīng)曲線，當目標前輪轉(zhuǎn)角為5°時，使用復(fù)合模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制，調(diào)節(jié)時間降低0.ls，最大超調(diào)量由6.28°降至6° ;當目標前輪轉(zhuǎn)角為15°時，調(diào)節(jié)時間降低0.35s，最大超調(diào)量由18.27。降至 16° ο4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，其特征在于，還包括執(zhí)行結(jié)構(gòu)，所述執(zhí)行結(jié)構(gòu)由摩檫輪、拉簧和離合手柄組成，所述摩檫輪與電機的輸出軸相連，所述離合手柄的一端連接電機，另一端連接方向盤底部的轉(zhuǎn)向軸；所述拉簧的一端連接方向盤底部的轉(zhuǎn)向軸，另一端連接離合手柄。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，其特征在于，所述摩擦輪在拉簧的作用下與方向盤緊密接觸。
【專利摘要】一種農(nóng)用全地形車轉(zhuǎn)向跟蹤復(fù)合控制方法，包括轉(zhuǎn)向跟蹤控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理、復(fù)合模糊PID控制器設(shè)計、轉(zhuǎn)向跟蹤仿真。為提高農(nóng)用全地形車在自主導(dǎo)航行駛中轉(zhuǎn)向跟蹤控制的響應(yīng)特性和穩(wěn)定性，設(shè)計了以農(nóng)用全地形車前輪轉(zhuǎn)角偏差和偏差變化率為輸入，以電機控制電壓和PID三個控制參數(shù)為輸出的模糊控制器，結(jié)合PID控制器實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)角偏差大于10°時采用模糊控制和轉(zhuǎn)角偏差小于等于10°時采用自適應(yīng)模糊PID控制。仿真結(jié)果表明，采用復(fù)合模糊PID控制器在前輪轉(zhuǎn)角偏差較大變化范圍內(nèi)均能實現(xiàn)快速和準確的轉(zhuǎn)向跟蹤。
【IPC分類】G05D1/02
【公開號】CN104898664
【申請?zhí)枴緾N201510167076
【發(fā)明人】李志鵬, 郭艷玲, 王猛, 宋海兵
【申請人】哈爾濱力盛達機電科技有限公司
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年4月10日