基于预瞄模型的农机路径跟踪预测控制方法

• Published in: 农业工程学报 Vol. 39; no. 17; pp. 39 - 50
• Main Authors: 刘文龙, 郭锐, 赵静一
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 河北省特种运载装备重点实验室,秦皇岛 066004 01.09.2023; 河北省特种运载装备重点实验室,秦皇岛 066004%燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室,秦皇岛 066004; 燕山大学河北省重型机械流体动力传输与控制重点实验室,秦皇岛 066004; 燕山大学先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室,秦皇岛 066004; 东北石油大学秦皇岛校区电气信息工程系,秦皇岛 066004
• Subjects: 模型预测控制; agricultural machinery; model predictive control; 自动驾驶; decay factor; preview distance; 衰减因子; path tracking; preview following theory; 预瞄跟随理论; 预瞄距离; automatic driving; 路径跟踪; 农业机械
• ISSN: 1002-6819
• DOI: 10.11975/j.issn.1002-6819.202303109

TP273; 为了提高农机路径跟踪系统控制性能对作业速度变化的适应性,该研究提出一种基于预瞄运动学模型的快速预测控制方法.采用预瞄跟随理论建立预瞄航向误差模型,并将其作为输出方程与路径跟踪误差常规状态方程联立,构建预瞄运动学状态空间误差模型,进而运用模型预测控制算法与输入参数化衰减策略设计路径跟踪控制律.仿真试验结果表明,在不同作业速度下,预瞄模型预测控制器的直线路径跟踪横向误差均渐近趋于0,行驶曲线均无超调;当作业速度为1、3与5m/s时,预瞄模型预测控制器的圆形路径跟踪横向最大绝对误差分别为8.52、10.42和10.82 cm,标准差分别为3.96、5.83和6.17 cm;当控制时域为10、30与60时,预瞄模型预测控制器的运算周期相对常规模型预测控制器分别减小7.5％、43.0％和48.5％;与常规模型预测控制相比,预瞄模型预测控制能够在确保路径跟踪系统控制精度的同时有效改善系统的动态性能和提高系统的实时性,使不同作业速度下的跟踪效果更加均衡.田间测试结果表明,在0.5～5 m/s作业速度范围内,预瞄模型预测控制器对作业速度变化具有较强的适应性,能够使农机快速平稳地跟踪参考路径并具有较高的控制精度,其直线路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于5.5 cm、标准差均值小于2.5 cm,圆形路径跟踪的横向最大绝对误差均值小于15.5 cm、标准差均值小于8.5 cm,跟踪效果满足农机实际作业要求,适于复杂作业环境或高速作业场合.