基于动态三角函数的路径跟踪控制外文翻译资料

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农业信息处理6（2019）1-10

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基于动态三角函数的路径跟踪控制

王云义​​6），张硕 ^a，朱忠祥 ^a,*，李震 ^a，杜越峰 ^a，方立志 ^b

1. 中国农业大学工程学院现代农业装备优化设计室，北京100083
2. 湖北黄石职业技术学院，黄石435003

介绍

1.

农业机械自动导航技术作为精准农业的核心技术，可以通过各种传感器获取位置、姿态和环境信息。然后根据规划路径控制农业机械的行驶。随着

*通讯作者：中国农业大学邮政信箱347，北京市海淀区清华东路17号邮编：100083。

电子邮件地址：zhuzhonxiang@cau.edu.cn （Z. Zhu），zhenli@cau.edu.cn (Z. Li), dyf@cau.edu.cn （Y. Du）。

中国农业大学负责同行评议。网址：https://doi.org/10.1016/j.inpa.2018.10.001

2214-3173 copy;2018中国农业大学。由Elsevier BV代表KeAi制作和主持。

这是CC BY-NC-ND许可证下的开放访问文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

2 I n f o r m a t i o n P r o c e s s i n g i n A g r i c u l t u r e 6 ( 2 0 1 9 ) 1 – 1 0

新技术的应用和电子信息技术的普及，基于GPS的系统已经被用于许多陆地车辆应用，包括农业，采矿和运输[1].农业机械自动导航技术已广泛应用于播种，除草，喷洒，施肥和收获等野外作业。它不仅可以降低操作人员的劳动强度，还可以提高操作精度，降低能耗。因此，精确的指导或路径跟踪控制越来越受到研究界的关注。

在最近的一项调查中，广泛地比较了不同的现有路径跟踪方法。路径跟踪方法分为三组：简单几何算法（如纯追踪算法）[2–6]），逆运动学算法，以及在控制律中利用直接运动学和动力学的算法（例如最优控制）[7].在本次调查中，模型预测控制[8–12] 及其扩展，非线性模型预测控制[13–20]，被视为下一个合乎逻辑的进化步骤。

几何算法的目标是沿着路径向前看一个固定的距离，使用信息计算与目标路径的偏差，并根据偏差计算转向角。基于两轮车辆动力学模型，张等人采用纯跟踪模型计算转向角，并设计了模糊比例积分微分PID控制器[21].Vougioukas使用非线性模型预测控制（MPC）来控制转向角和车速。实验在模拟器中进行，标准是期望路径和预测路径之间的差异[22].Klancar和Skrjanc提出​​了一种基于跟踪误差模型的预测控制律，用于解决非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪问题。基于围绕参考轨迹获得的线性化误差动力学模型，对控制律进行了分析推导，因此，它的计算量很小[23].

随着路径跟踪精度的提高，跟踪控制方法通常结合各种其他方法来实现功能互补和改进性能。Alleyne等。建立了两轮车的动力学模型并设计了一个PI路径跟踪控制器，假设车速恒定且轮胎的侧向力与侧向刚度成正比[24]. Eaton设计了一种基于反步算法的控制器，在建立车辆动力学模型时考虑了转向系统的动态特性。实验证明，路径跟踪控制效果优于传统的PID控制器[25]。Kise等人。建立了扩展的两轮车动力学模型，基于Fiala轮胎模型计算了轮胎的侧向力，并设计了PI控制器。使用Kubota MD77拖拉机作为平台，以1.8 m / s的速度沿着正弦路径行驶，横向偏差的均方根值为0.06 m[26].

在工业装置和过程控制中，通常采用非线性模型预测控制器（NMPC），来优化受控过程的操作点。但是，如果系统的时间常数较小，如车辆轨迹

控制器必须使用更高的控制周期运行。这需要高计算能力来进行实时控制[27].由于非线性特性和参数调整的困难，PID控制稳态精度差，导致过程偏差大，难以达到理想的控制效果。MPC是一种成熟的控制多变量系统的技术，它以一种优化的方式约束被操作的变量和输出。然而，许多实际过程并不是线性的。线性MPC方法通常应用于需要在较小工作范围内近似线性的应用。在大多数应用中，线性MPC方法与MPC的反馈机制一起使用，以补偿模型和过程之间结构不匹配导致的预测误差。

本文针对农业机械在田间作业的特点，根据田间的转弯特点，提出了一种基于动态三角函数的农业机械路径跟踪算法。该算法基于GPS导航系统的经纬度信息，能够准确定位农业机械的行驶状态和行驶距离。该算法的主要贡献是在各种条件下都能达到理想的路径跟踪效果。结合多种传感器，将转向、定位和速度控制系统集成在一起，实现了跟踪系统的闭环控制，并根据阈值条件连续调整运动轨迹。该算法基于电动汽车平台。通过实验，并与参考文献中的实验结果进行了比较，结果表明该算法不仅提高了航向和横向偏差的精度，而且提高了航迹跟踪的精度。最后，实现了农业机械在田间作业中的自动导航。

1. 方法

路径跟踪控制系统主要由车辆定位和速度检测以及自动转向控制组成，如图1所示.该实验方案集转向，定位和速度控制系统于一体。在给定目标路径和速度的约束下，根据算法的输入（航向偏差ε和横向偏差d），通过循环“调整检测”方法不断调整输出（目标转向角theta;），实现了对运行轨迹的优化。当路径跟踪控制系统工作时，控制器连续接收来自前轮上的角度传感器、GPS定位传感器和雷达速度传感器的反馈信号。该算法根据车辆的当前位置和不同的控制要求，向自动转向和速度控制装置输出指令。

当定位系统运行时，GPS定位系统收集初始纬度，初始经度和航向角信息。然后定位系统在水平转换后将此信息传递给NI myRIO控制器。通过采集经度，纬度和

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