一种适用于农机自动驾驶的非线性控制方法

技术领域

本发明涉及农机自动驾驶控制算法领域，具体地说，本发明涉及一种适用于农机自动驾驶的非线性控制方法。

背景技术

近年来，随着科技的不断发展和农业现代化的推进，农机自动驾驶技术成为农业领域的热门研究方向,传统的农机操作需要农民进行人工操作，不仅劳动强度大，而且容易受到人为因素的影响，限制了农业生产的效率和质量,为了解决这些问题，许多研究者开始探索农机自动驾驶技术,然而，由于农场环境的复杂性和农机的非线性动力学特性，传统的线性控制方法往往无法满足农机自动驾驶的高精度和鲁棒性要求。

滑模控制是一种变结构控制方法，意味着系统保持在滑动面上运动,它基于系统的动态行为，在不同的工作状态下采用不同的控制策略,它通过在系统状态改变时切换控制规律，以适应不同的工作条件和系统变化，从而实现对系统的稳定控制,这种切换控制信号的高频率和非确定性可以提供对系统动态变化的快速响应，并在不确定性环境下实现对系统的稳定控制,所以会在滑模面附近抖动,而且完全消除这种抖动是不可能的,因此，采用了一种可以根据状态变化调整趋近率的控制策略。

因此，开发一种适用于农机自动驾驶的非线性控制方法成为迫切的需求。

发明内容

本发明提供一种适用于农机自动驾驶的非线性控制方法，可以根据状态变化调整前馈增益值的控制策略的方法，通过自适应调整趋近律，可以更好地适应系统的不确定性和变化，并提供更稳定和精确的控制。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种适用于农机自动驾驶的非线性控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，车辆动力学模型，由于农机工作的场景多是复杂的地面，比如湿地或者不平坦的路面，所以很难建立一个精确的拖拉机运动学模型，所以需要建立动力学模型；

步骤S2，建立误差模型；

步骤S3，趋近率切换调度算法；

步骤S4，稳定性分析。

优选的，所述步骤S1，车辆动力学模型，具体车辆的动力学方程计算为：

忽略低速时车辆动态特性的影响，依据牛顿第二定律，可得车辆的动力学方程为

其中，k

优选的，所述步骤S2，建立误差模型，具体操作为：

对于轨迹跟踪问题，误差模型推导如下：

其中，

因为拖拉机的航向角一般比较小，所以小角度假设成立，可得：

优选的，所述步骤S3，趋近率切换调度算法，具体设计为：

基本滑模面设计如下：

对控制切换率进行设计如下：

其中，

ε＝kω/(ω+e

k>0,kω>0。

优选的，所述切换规律分析如下：

当靠近滑模面的时候，ε近似为e

优选的，所述步骤S4，稳定性分析，具体操作为:

选取Lyapunov函数

对Lyapunov求导，可得

采用以上技术方案的有益效果是：

1、本发明能够有效地应对农机在不同地形和工作条件下的复杂动态特性，提供高精度的轨迹跟踪和位置控制。

2、本发明能够自适应地调整控制参数，以适应不同农场环境和农机工作负载的变化，另外该方法能够有效地抑制农机自动驾驶过程中可能出现的抖动现象，提供平稳而可靠的控制效果。

附图说明

图1为本发明二自由度车辆模型图；

图2为本发明优化前滑面控制图；

图3为本发明优化后滑面控制图图。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图3所示，本发明是一种适用于农机自动驾驶的非线性控制方法，考虑自动驾驶车辆和场景目标交互、并结合高精地图车道约束的适用于农机自动驾驶的非线性控制方法，提高复杂场景下轨迹预测的安全性和准确性。

具体的说，如图1至图3所示，具体包括以下步骤：

步骤S1，车辆动力学模型，由于农机工作的场景多是复杂的地面，比如湿地或者不平坦的路面，所以很难建立一个精确的拖拉机运动学模型，所以需要建立动力学模型；

步骤S2，建立误差模型；

步骤S3，趋近率切换调度算法；

步骤S4，稳定性分析。

步骤S1，车辆动力学模型，具体车辆的动力学方程计算为：

忽略低速时车辆动态特性的影响，依据牛顿第二定律，可得车辆的动力学方程为

其中，k

步骤S2，建立误差模型，具体操作为：

对于轨迹跟踪问题，误差模型推导如下：

其中，

因为拖拉机的航向角一般比较小，所以小角度假设成立，可得：

步骤S3，传统的滑模控制需要频繁进行切换控制率，这种切换控制信号的高频率和非确定性可以提供对系统动态变化的快速响应，但会在滑模面附近抖动现象，抖动会导致电机不断前后旋转，不仅降低了跟踪性能，还缩短了助力电机的使用寿命，甚至损坏了机械部件和电机，所以许多研究对传统的滑模控制进行了改进，基本滑模面设计如下：

对控制切换率进行设计如下：

其中，

ε＝kω/(ω+e

k>0,kω>0。

所述切换规律分析如下：

当靠近滑模面的时候，ε近似为e

步骤S4，稳定性分析，具体操作为:

选取Lyapunov函数

对Lyapunov求导，可得

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。