CN113467460A - 一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法及*** - Google Patents

一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法及***，属于智能农机领域。本发明具体为：前馈控制器基于规划路径的路径点构造前馈期望转角，反馈控制器基于圆形前视距离计算导航偏差，并采用PID算法计算期望转角；基于前馈期望转角、期望转角，得到路径跟踪转角，导航控制器根据路径跟踪转角，得到期望转角，再结合农机当前转角控制电动方向盘，实现农业机械路径跟踪。本发明解决了直线前视距离在曲线路径跟踪中的常值横向偏差问题，减少路径跟踪的稳态误差。

Description

一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法及***
技术领域
本发明属于智能农机领域，具体涉及一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法及***。
背景技术
农业机械路径跟踪是自动驾驶***的重要部分，基于纯追踪模型的路径跟踪方法具有无需建模的特点，其在农机直线路径跟踪中精度较高，但受前视点距离和路径曲率的影响，其转弯掉头时的精度有待进一步提高。随着无人驾驶农机应用场合和作业效率局限性日益彰显，纯追踪算法对前视距离要求较高的问题亟待解决。为实现全田块农机的自动驾驶，需要根据路径曲率和车辆速度动态调整前视距离，研究人员相继提出基于模糊逻辑和神经网络的前视距离动态调整方法，但其实施困难且应用效果不佳。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法及***，基于圆形前视轨迹解决直线前视距离导致的横向偏差偏置，实现农机自动掉头转弯和快速直线行驶时高精度的路径跟踪。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，具体为：
前馈控制器基于规划路径的路径点构造前馈期望转角δFF_steer；反馈控制器基于圆形前视距离计算导航偏差Dos，并采用PID算法计算期望转角δFB_steer；所述
Figure BDA0003155545040000011
Figure BDA0003155545040000012
其中Kp、Kd、Ki为导航误差项的对应系数；
基于前馈期望转角δFF_steer、期望转角δFB_steer，得到路径跟踪转角δsteer＝δFF_steer+δFB_steer；
导航控制器根据路径跟踪转角，得到期望转角
Figure BDA0003155545040000013
再结合农机当前转角控制电动方向盘，实现农业机械路径跟踪；其中a、b分别为角速度和角度对应的权值系数。
进一步地，所述前馈控制器基于规划路径的路径点构造前馈期望转角δFFsteer，具体为：
在高斯平面坐标系下，选择农机前进方向上规划路径的三个路径点A(xa，ya)、B(xb，yb)、C(xc，yc)，构造过所述三各路径点圆形的圆心坐标(Xff，Yff)和半径Rff，并根据农机轴距LJK和半径Rff计算前馈期望转角δFF_steer＝arctan(LJK/Rff)。
更进一步地，所述圆心坐标(Xff，Yff)计算过程为：
设线段AB的斜率为k1，线段BC的斜率为k2，则有：
Figure BDA0003155545040000021
Figure BDA0003155545040000022
更进一步地，所述反馈控制器基于圆形前视距离计算导航偏差Dos，具体为：
假设当前时刻农机转向角可用于下一更新时刻，基于当前时刻农机转向角构造预测圆形路径Spre；基于当前时刻农机位置M和规划路径上的路径点A、B得到下一时刻的期望圆形路径Sdes；以农机当前位置(XC，YC)为圆心，以半径为
Figure BDA0003155545040000023
构造圆形轨迹Sveh_1、Sveh_2，所述圆形轨迹Sveh_1、Sveh_2分别与路径Spre、Sdes在农机行进方向前方相交于两点(X1_1，Y1_1)、(X1_2，Y1_2)和(X2_1，Y2_1)、(X2_2，Y2_2)，则有导航偏差：
Figure BDA0003155545040000024
Figure BDA0003155545040000025
且有Dos＝m Dos_1+n Dos_2，m、n分别为圆形轨迹Svel_1、Svel_2计算导航偏差的权重系数。
更进一步地，所述构造预测圆形路径Spre，具体为：
设(Xcp，Ycp)、Rcp分别为Spre的圆心和半径；
Figure BDA0003155545040000026
Figure BDA0003155545040000027
Figure BDA0003155545040000028
其中，θ为农机航向角。
更进一步地，所述交点(X1_1，Y1_1)、(X1_2，Y1_2)的计算公式为：
X1_1＝Xc+a1(Xcp-Xc)/L±b1(Ycp-Yc)/L
Figure BDA0003155545040000029
X1_2＝Xc+a2(Xcp-Xc)/T±b2(Ycp-Yc)/T
Figure BDA00031555450400000210
其中：中间量
Figure BDA0003155545040000031
Figure BDA0003155545040000032
更进一步地，所述期望圆形路径Sdes，具体为：
设(Xdp，Ydp)、Rdp分别为期望圆形路径Sdes的圆心和半径，期望路径上存在三个路径点记为M(XC，YC)、A(xa，ya)、B(xb，yb)，其中A为距离当前农机位置最近路径点的下一路径点；则：
Figure BDA0003155545040000033
Figure BDA0003155545040000034
Figure BDA0003155545040000035
其中k3为线段MA的斜率。
更进一步地，所述交点(X2_1，Y2_1)、(X2_2，Y2_2)的计算公式为：
X2_1＝Xc+a1～(Xcp-Xc)/L±b1～(Ycp-Yc)/L
Figure BDA0003155545040000036
X2_2＝Xc+a2～(Xcp-Xc)/T±b2～(Ycp-Yc)/T
Figure BDA0003155545040000037
其中：中间量
Figure BDA0003155545040000038
Figure BDA0003155545040000039
一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪***，包括：
RTK定位模块，用于采集地理信息生成导航路径点；
前馈控制器，根据路径点决策出前馈期望转角δFF_steer；
反馈控制器，根据前视圆形距离计算反馈期望转角δFB_steer；
速度传感器，测量农机速度，用以设置反馈控制器计算的导航偏差Dos_1、Dos_2权重系数；
导航控制器，接收前馈转角δFF_steer和反馈转角δFB_steer，并得到期望转角δsteerCom；
角度传感器，用于测量农机当前转角。
本发明的有益效果为：
1)本发明基于圆形前视距离计算导航偏差，解决直线前视距离在曲线路径跟踪中的常值横向偏差，使得路径跟踪的稳态误差进一步的减小，提高的纯跟踪模型理论精度和适应场合；
2)本发明将前视距离的动态调整问题转化为双前视圆形半径的构造上，可以根据农机规划路径曲率和作业速度，调整导航偏差Dos_1、Dos_2的权重系数，使得期望转角δFB_steer决策更精确。
附图说明
图1为本发明农机当前转向角预测圆形轨迹图；
图2为本发明农机双前视圆形距离导航偏差计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪***，包括RTK定位模块、前馈控制器、反馈控制器、速度传感器、导航控制器和角度传感器，其中RTK定位模块采集地理信息生成导航路径点，前馈控制器根据路径点决策出前馈期望转角δFF_steer，反馈控制器根据前视圆形距离计算反馈期望转角δFB_steer，速度传感器测量农机速度，并基于模糊逻辑控制设置反馈控制器计算的导航偏差Dos_1、Dos_2权重系数(为现有技术)，导航控制器接收前馈转角δFF_steer和反馈转角δFB_steer并输出期望转角δsteerCom，角度传感器测量农机当前转角，并与δsteerCom相减得到偏差，利用PID计算得到输出转角命令。
一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，具体为：前馈控制器基于规划路径的路径点构造前馈期望转角δFF_steer；反馈控制器基于圆形前视距离计算导航偏差Dos，并采用PID算法计算期望转角δFB_steer；基于前馈期望转角δFF_steer、期望转角δFB_steer，得到路径跟踪转角δsteer＝δFF_steer+δFB_steer；导航控制器根据路径跟踪转角，得到期望转角
Figure BDA0003155545040000041
再结合农机当前转角控制电动方向盘，实现农业机械路径跟踪；其中a、b分别为角速度和角度对应的权值系数。
如图1所示，前馈控制器基于规划路径的路径点构造前馈期望转角δFFsteer的步骤包括：在高斯平面坐标系下，选择农机前进方向上规划路径的三个路径点A(xa，ya)、B(xb，yb)、C(xc，yc)，构造过三点圆形(即过A、B、C三个路径点)的圆心坐标(Xff，Yff)和半径Rff，并根据农机轴距LJK和半径Rff计算前馈期望转角δFF_steer＝arctan(LJK/Rff)。
过三点圆形的圆心坐标(Xff，Yff)计算过程为：设线段AB的斜率为k1，线段BC的斜率为k2，则有：
Figure BDA0003155545040000051
Figure BDA0003155545040000052
过三点圆形的半径Rff的计算过程为：1)找出距离农机当前位置最近的路径点，将在农机前进方向的下一点A作为农机导航决策下一更新周期的路径参考点；2)由A点坐标和圆心坐标计算得到：
Figure BDA0003155545040000053
如图2所示，反馈控制器基于圆形前视距离计算导航偏差的步骤包括：
1)假设当前时刻农机转向角可用于下一更新时刻，则基于当前时刻农机转向角可构造预测圆形路径Spre；2)基于当前时刻农机位置M和规划路径上的两点A、B可得到下一时刻的期望圆形路径Sdes；3)以农机当前位置(XC，XC)为圆心，以半径为
Figure BDA0003155545040000054
构造圆形轨迹Sveh_1、Sveh_2，圆形轨迹Sveh_1、Sveh_2分别与轨迹Spre、Sdes在农机行进方向前方相交于两点(X1_1，Y1_1)、(X1_2，Y1_2)和(X2_1，Y2_1)、(X2_2，Y2_2)，则有导航偏差
Figure BDA0003155545040000055
Figure BDA0003155545040000056
且有Dos＝mDos_1+nDos_2，m、n分别为圆形轨迹Svel_1、Svel_2计算导航偏差的权重系数。
如图1所示，预测圆形路径Spre的构造步骤为：设(Xcp，Ycp)、Rcp分别为Spre的圆心和半径，计算方法为：
Figure BDA0003155545040000057
Figure BDA0003155545040000058
Figure BDA0003155545040000059
其中，θ为农机航向角。
Sveh_1与Spre、Sdes的交点(X1_1，Y1_1)、(X1_2，Y1_2)的计算步骤为：
Figure BDA00031555450400000510
Figure BDA00031555450400000511
Figure BDA00031555450400000512
X1_1＝Xc+a1(Xcp-Xc)/L±b1(Ycp-Yc)/L (10)
Figure BDA00031555450400000513
Figure BDA0003155545040000061
Figure BDA0003155545040000062
Figure BDA0003155545040000063
X1_2＝Xc+a2(Xcp-Xc)/T±b2(Ycp-Yc)/T (15)
Figure BDA0003155545040000064
其中：L、a1、b1、T、a2、b2为计算过程中间变量。
期望圆形路径Sdes的获取步骤为：设(Xdp，Ydp)、Rdp分别为期望圆形路径Sdes的圆心和半径，期望路径上存在三个路径点记为M(XC，YC)、A(xa，ya)、B(xb，yb)，其中M为农机当前位置，A为距离当前农机位置最近路径点的下一路径点，且线段MA和AB的斜率分别为k3、k1，则有：
Figure BDA0003155545040000065
Figure BDA0003155545040000066
Figure BDA0003155545040000067
Sveh_2与Spre、Sdes的交点(X2_1，Y2_1)、(X2_2，Y2_2)的计算步骤为：
Figure BDA0003155545040000068
Figure BDA0003155545040000069
Figure BDA00031555450400000610
X2_1＝Xc+a1～(Xcp-Xc)/L±b1～(Ycp-Yc)/L (23)
Figure BDA00031555450400000611
Figure BDA00031555450400000612
Figure BDA00031555450400000613
Figure BDA00031555450400000614
X2_2＝Xc+a2～(Xcp-Xc)/T±b2～(Ycp-Yc)/T (28)
Figure BDA00031555450400000615
其中：a1～、b1～、a2～、b2～为计算过程中间变量。
采用PID算法计算期望转角δFB_steer的计算步骤为：
Figure BDA0003155545040000071
Figure BDA0003155545040000072
其中Kp、Kd及Ki分别为导航误差项的对应系数。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于：
前馈控制器基于规划路径的路径点构造前馈期望转角δFF_steer；反馈控制器基于圆形前视距离计算导航偏差Dos，并采用PID算法计算期望转角δFB_steer；所述
Figure FDA0003155545030000011
Figure FDA0003155545030000012
其中Kp、Kd、Ki为导航误差项的对应系数；
基于前馈期望转角δFF_steer、期望转角δFB_steer，得到路径跟踪转角δsteer＝δFF_steer+δFB_steer；
导航控制器根据路径跟踪转角，得到期望转角
Figure FDA0003155545030000013
再结合农机当前转角控制电动方向盘，实现农业机械路径跟踪；其中a、b分别为角速度和角度对应的权值系数。
2.根据权利要求1所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于，所述前馈控制器基于规划路径的路径点构造前馈期望转角δFF_steer，具体为：
在高斯平面坐标系下，选择农机前进方向上规划路径的三个路径点A(xa，ya)、B(xb，yb)、C(xc，yc)，构造过所述三各路径点圆形的圆心坐标(Xff，Yff)和半径Rff，并根据农机轴距LJK和半径Rff计算前馈期望转角δFF_steer＝arctan(LJK/Rff)。
3.根据权利要求2所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于，所述圆心坐标(Xff，Yff)计算过程为：
设线段AB的斜率为k1，线段BC的斜率为k2，则有：
Figure FDA0003155545030000014
Figure FDA0003155545030000015
4.根据权利要求2所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于，所述反馈控制器基于圆形前视距离计算导航偏差Dos，具体为：
假设当前时刻农机转向角可用于下一更新时刻，基于当前时刻农机转向角构造预测圆形路径Spre；基于当前时刻农机位置M和规划路径上的路径点A、B得到下一时刻的期望圆形路径Sdes；以农机当前位置(XC，YC)为圆心，以半径为
Figure FDA0003155545030000016
构造圆形轨迹Sveh_1、Sveh_2，所述圆形轨迹Sveh_1、Sveh_2分别与路径Spre、Sdes在农机行进方向前方相交于两点(X1_1，Y1_1)、(X1_2，Y1_2)和(X2_1，Y2_1)、(X2_2，Y2_2)，则有导航偏差：
Figure FDA0003155545030000017
Figure FDA0003155545030000021
且有Dos＝mDos_1+nDos_2，m、n分别为圆形轨迹Svel_1、Svel_2计算导航偏差的权重系数。
5.根据权利要求4所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于，所述构造预测圆形路径Spre，具体为：
设(Xcp，Ycp)、Rcp分别为Spre的圆心和半径；
Figure FDA0003155545030000022
Figure FDA0003155545030000023
Figure FDA0003155545030000024
其中，θ为农机航向角。
6.根据权利要求5所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于，所述交点(X1_1，Y1_1)、(X1_2，Y1_2)的计算公式为：
X1_1＝Xc+a1(Xcp-Xc)/L±b1(Ycp-Yc)/L
Figure FDA00031555450300000210
X1_2＝Xc+a2(Xcp-Xc)/T±b2(Ycp-Yc)/T
Figure FDA00031555450300000211
其中：中间量
Figure FDA0003155545030000025
Figure FDA0003155545030000026
7.根据权利要求4所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于，所述期望圆形路径Sdes，具体为：
设(Xdp，Ydp)、Rdp分别为期望圆形路径Sdes的圆心和半径，期望路径上存在三个路径点记为M(XC，Yc)、A(xa，ya)、B(xb，yb)，其中A为距离当前农机位置最近路径点的下一路径点；则：
Figure FDA0003155545030000027
Figure FDA0003155545030000028
Figure FDA0003155545030000029
其中k3为线段MA的斜率。
8.根据权利要求7所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法，其特征在于，所述交点(X2_1，Y2_1)、(X2_2，Y2_2)的计算公式为：
X2_1＝Xc+a1～(Xcp-Xc)/L±b1～(Ycp-Yc)/L
Figure FDA0003155545030000033
X2_2＝Xc+a2～(Xcp-Xc)/T±b2～(Ycp-Yc)/T
Figure FDA0003155545030000034
其中：中间量
Figure FDA0003155545030000031
Figure FDA0003155545030000032
9.一种实现权利要求1-8任一项所述的基于双圆形前视距离的农业机械路径跟踪方法的农业机械路径跟踪***，其特征在于，包括：
RTK定位模块，用于采集地理信息生成导航路径点；
前馈控制器，根据路径点决策出前馈期望转角δFF_steer；
反馈控制器，根据前视圆形距离计算反馈期望转角δFB_steer；
速度传感器，测量农机速度，用以设置反馈控制器计算的导航偏差Dos_1、Dos_2权重系数；
导航控制器，接收前馈转角δFF_steer和反馈转角δFB_steer，并得到期望转角δsteerCom；
角度传感器，用于测量农机当前转角。
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