刘智勇, 温昌凯, 肖跃进, 付卫强, 王昊, 孟志军. 拖拉机-牵引式农机具路径跟踪控制算法研究[J]. 智慧农业(中英文), 2023, 5(4): 58-67.
LIU Zhiyong, WEN Changkai, XIAO Yuejin, FU Weiqiang, WANG Hao, MENG Zhijun. Path Tracking Control Algorithm of Tractor-Implement[J]. Smart Agriculture, 2023, 5(4): 58-67.
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拖拉机-牵引式农机具路径跟踪控制算法研究
刘智勇
1，2
， 温昌凯
2，3
， 肖跃进
2，3
， 付卫强
2，3
， 王昊
2，3
， 孟志军
1，2，3*
（1.江苏大学 农业工程学院，江苏镇江 212013，中国；2.国家农业智能装备工程技术研究中心，北京 100097，中国；3.智能农业动力装备全国重点实验室，北京 100097，中国）
摘要：
［目的/意义］ 本研究为解决牵引式农用车辆的路径跟踪精度低、迟滞性大和抗干扰能力差等问题，提出了一种基于滑模变结构控制的拖拉机-牵引式农机具路径跟踪方法。
［方法］ 建立了拖拉机-牵引式农机具运动学模型，通过近似线性化的方法建立了车辆-道路偏差状态方程，采用Ackermann公式进行极点配置，设计基于指数趋近律的滑模变结构控制器，并在MATLAB/Carsim联合仿真环境中进行跟踪仿真分析。
［结果和讨论］ 跟踪双移线参考路径时，农机具横向偏差和航向偏差经8 s收敛到0 m和0°，在参考航向变化时，横向偏差小于0.1 m，航向偏差小于7°；在跟踪圆形参考路径时，农机具横向偏差经过7 s趋于稳定，并始终小于0.03 m，农机具航向偏差经7 s趋于稳定，并保持在0°；在跟踪S形曲线参考路径时，农机具在曲率变化处依然保持着良好的跟踪性能。
［结论］ 农机具能有效跟踪参考路径，满足精度和快速性的要求。在跟踪仿真试验中，拖拉机前轮转角和拖拉机与农机具间的铰接角都保持在小范围内，符合实际生产的需要，降低安全事故发生的可能性。
关键词： 牵引式农机具；运动学模型；滑模变结构控制；路径跟踪；仿真试验
文章图片
图1 拖拉机-牵引式农机具运动学模型
Fig. 1 Kinematic model for tractor-implement
图2 车辆-道路偏差模型
Fig. 2 Vehicle-road deviation model
图3 符号函数和饱和函数下的车辆前轮转角输出
Fig. 3 Vehicle’s front wheel angle output under symbol function and saturation function
图4 仿真试验的车型选择
Fig. 4 Vehicle model selection of simulation test
图5 车辆路径跟踪控制器模型
Fig. 5 Vehicle path tracking controller model
图6 MATLAB/Carsim联合仿真环境
Fig. 6 MATLAB/Carsim co-simulation environment
图7 车辆的双移线路径仿真结果
Fig. 7 Simulation results of vehicle’s double lane change
图8 车辆的圆形路径仿真结果
Fig. 8 Simulation results of vehicle's circular path
图9 车辆的S形曲线路径仿真结果
Fig. 9 Simulation results of vehicle's s-curve path
通信作者简介
孟志军 研究员
孟志军，北京市农林科学院智能装备技术研究中心研究员，智能农业动力装备全国重点实验室副主任，博士，博士生导师。主要从事农机自动驾驶、精准农业智能控制和农机大数据等领域的研究开发和应用工作。先后主持国家重点研发计划、国家自然科学基金、863计划等科研项目20余项，发表学术论文129篇，获授权国家发明专利21项。国家「万人计划」科技创新领军人才，获国家科技进步二等奖2项，北京市科技进步一等奖、中华农业科技奖一等奖等省部级科技奖励5项，先后获中国农业机械学会青年科技奖、中华国际科学交流基金会杰出工程师奖等。兼任中国农业机械学会常务理事、全国农机化科技创新专业组专家。
来源：【智慧农业（中英文）】2023年第4期
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