CN113848953B - 一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法 - Google Patents

一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,该方法包括:获取植保机工作参考路径,经离散化处理,得到植保机工作参考路径点集;基于植保机的当前位置和航向角,预测设定时间后植保机的预测点;查找所述预测点在所述参考路径点集中对应的投影点;计算预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差;将所述预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差转换成合成误差;基于所述合成误差,采用PID控制器,得到期望前轮转角。

Description

一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法
技术领域
本发明属于无人驾驶农业机械车辆路径跟踪领域,具体涉及一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
大型植保机的横向控制是实现其无人驾驶农机的关键技术,路径跟踪是使植保机在无人驾驶的情况下能够按照预定的工作路径行驶,通过自主转向来控制农机始终对预定的工作路径进行跟踪,在进行路径跟踪时并完成农业工作。植保机无人驾驶技术可以将农机操作者从长时间枯燥的驾驶任务中解放,从而避免因疲劳驾驶造成的安全问题,同时提高植保机作业过程中的精度和工作效率。对国内大规模农业的发展起到了巨大推进作用。
目前传统液压植保具有机智能化水平低、灵活性差等问题,且人为驾驶时因操作不当易造成人身危险。且现有液压控制驱动的植保机在进行无人驾驶控制时,由于使用液压***控制作业动作,信号响应缓慢,进行路径跟踪控制时具滞后性,跟踪直线和曲线时跟踪误差相对来说较大。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出了一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法及***,本发明通过跟踪直线和曲线两种不同误差的合成计算,获取不同的总误差,通过PID控制器分别决策出跟踪直线和曲线的期望前轮转角。
根据一些实施例,本发明采用如下技术方案:
第一个方面,本发明提供了一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法。
一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,包括:
获取植保机工作参考路径,经离散化处理,得到植保机工作参考路径点集;
基于植保机的当前位置和航向角,预测设定时间后植保机的预测点;
查找所述预测点在所述参考路径点集中对应的投影点;
计算预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差;
将所述预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差转换成合成误差;
基于所述合成误差,采用PID控制器,得到期望前轮转角。
进一步地,在所述植保机工作参考路径点集之后包括:根据所述植保机工作参考路径点集,计算每个参考点的状态量,所述参考点的状态量包括参考点的横坐标、参考点的纵坐标和航向角。
进一步地,所述基于植保机的当前位置和航向角,预测设定时间后植保机的预测点的过程包括:基于植保机的当前位置和航向角,结合植保机的速度,预测预测设定时间后植保机的位置和航向角。
进一步地,所述查找所述预测点在所述参考路径点集中对应的投影点的过程包括:基于所述预测点,计算所述参考路径点集中每个参考点到预测点的距离,确定距离预测点最近的参考点为最近点;根据所述最近点得到预测点在参考路径上的投影点。
进一步地,所述航向偏差等于植保机在当前位置的航向角减参考路径上投影点处的航向角。
进一步地,所述参考路径上投影点处的航向角等于参考路径上最近点的航向角。
进一步地,所述横向偏差根据最近点的法向量和植保机当前位置与最近点的位置关系确定。
进一步地,所述将所述预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差转换成合成误差的过程包括:引入折算因子,将所述预测点和投影点处的横向偏差和航向偏差转换成合成误差,所述合成误差包括横向偏差对应的横向误差和航向偏差对应的航向误差。
进一步地,所述基于所述合成误差,采用PID控制器,得到期望前轮转角的过程包括:基于所述合成误差,采用PID控制器,得到跟踪直线时的期望前轮转角和跟踪曲线时的期望前轮转角。
第二个方面,本发明提供了一种大型液压植保机。
一种大型液压植保机,包括车载控制器,所述车载控制器在植保机运行时,执行第一个方面所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,根据得到的期望前轮转角通过控制换向阀控制油液的流向,控制转向油缸的伸缩,使连接在油缸两端的转向连杆转动,实现植保机的转向。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明通过预测控制,通过预测点获取下一时刻与参考路径之间的误差,由此误差来决策期望前轮转角,从而可以减少液压植保机进行路径跟踪时的滞后性。
本发明通过引入两组的折算因子组合,分别求得两组合成误差,分别决策跟踪直线和曲线时的前轮转角,对直线路径和曲线路径都有良好的适用性。
本发明算法原理简单,计算复杂度低,不仅适用于仿真领域,还可以用于液压植保机进行路径跟踪控制。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明示出的植保机布置示意图俯视图;
图2是本发明示出的植保机布置示意图等轴测图;
图3是本发明示出的植保机转向结构示意图俯视图;
图4是本发明示出的植保机跟踪控制算法流程图;
图5是本发明示出的植保机二自由度运动学模型原理图;
图6是本发明示出的预测点表达原理图;
图7是本发明示出的横向偏差和航向偏差计算示意图;
其中,1-1、发动机,1-2、变量柱塞泵,1-3、永磁同步电机,1-4、转向油缸,1-5、控制阀组,1-6液压油箱,1-7、油液散热器,1-8、齿轮泵,1-9、喷雾悬挂支架,1-10、喷雾杆,1-11、扇形喷头,1-12、升降油缸,2-1、后轮驱动马达,2-2、前轮驱动马达,3-1、转向连杆1,3-2转向连杆2。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明中,术语如“连接”等应做广义理解,表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员,可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义,不能理解为对本发明的限制。
实施例一
本实施例提供了一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法。
如图4所示,一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,包括:
获取植保机工作参考路径,经离散化处理,得到植保机工作参考路径点集;
基于植保机的当前位置和航向角,预测设定时间后植保机的预测点;
查找所述预测点在所述参考路径点集中对应的投影点;
计算预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差;
将所述预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差转换成合成误差;
基于所述合成误差,采用PID控制器,得到期望前轮转角。
本本实施例的设计思路根据植保机的当前位姿,计算求得预测点的位姿,然后计算预测点和参考工作路径上投影点之间的航向偏差和横向偏差,将横向偏差和航向偏差通过折算因子转换成总误差,最后将总误差作为PID控制器的输入,从而决策出期望前轮转角。
植保机如图1-3所示,包括发动机1-1、变量柱塞泵1-2、永磁同步电机1-3、转向油缸1-4、控制阀组1-5、液压油箱1-6、油液散热器1-7、齿轮泵1-8、喷雾悬挂支架1-9、喷雾杆1-10、扇形喷头1-11、升降油缸1-12、后轮驱动马达2-1、前轮驱动马达2-2、第一转向连杆3-1、第二转向连杆3-2。图中的植保机是双动力的,即油电混动,两个动力。发动机1-1和变量柱塞泵1-2直接泵套加联轴器;永磁同步电机1-3和变量柱塞泵1-2直接泵套加联轴器。驱动马达2-1、2-2和轮子之间装有减速结构,减速比为3。
本实施例的具体实施包含以下步骤:
1.设置植保机参考工作路径,利用BDS以固有频率采集参考工作路径离散点坐标,得到参考工作路径点集Pi,计算每个参考路径点的状态量。
如图5所示,所述植保机参考工作路径由直线和曲线组成,植保机需要完成对于路径的直线行驶、掉、更换工作路径。所述参考路径点的状态量为Xr,Yr,和
2.通过BDS以及导航传感器获取植保机当前位姿,对当前位姿做预测处理得到预测点Ppre
所述BDS定位精度为厘米级,所述参考路径的点集由明面直角表示,通过BDS输出的经纬度进行坐标转换为绝对坐标系;将获取的车辆位置信息做预测处理,预测时间记为ts,获得ts秒后的位置输出和航向角输出
由于液压植保机行驶时响应慢,进行路径跟踪时具有滞后性,所以预测模块目的是降低路径跟踪控制算法的滞后性。
如图6所示,预测点状态量的计算:
3.查找当前距离植保机位置最近的路径点,近似求得预测点在参考工作路径上的投影点。
所述投影点的计算方式是参考工作路径的点集中寻找距离预测点最近的点(称为最近点Pc),预测点在参考路径上的投影位置为投影点Ppro,是预测点Ppre到参考路径最近距离的点,最后通过最近点Pc近似求得预测点在参考路径上的投影点Ppro
点集为Pi{P0(x0,y0),P1(x1,y1),…,P(xN,yN)}为参考路径上点的集合。建立以后轴为中心的二自由度运动学模型,农业后轴中心所在位置的坐标为(x,y),预测点的Ppre坐标为(Xpre,Ypre),计算参考路径中每个点到预测点Ppre的距离,然后确定距离预测点Ppre最近的参考路径上的最近点Pc(xc,yc),最后根据最近点近似求出预测点在参考路径上的投影点Ppro
4.计算植保机预测点Ppre与投影点Ppro处的横向偏差△d和航向偏差如图7所示:
所述参考路径投影点处航向角近似等于参考路径上最近点的航向角/>
航向偏差的计算:
横向偏差的计算:
在自然坐标系中,最近点的法向量
最近点的切向量
5.将横向偏差和航向偏差转换成总误差,作为PID控制器的输入决策出期望前轮转角。
所述合成误差由航向偏差和横向偏差转换而成,由于在对直线进行跟踪控制和曲线进行控制时,由航向偏差和横向偏差转换而成的总误差对直线和曲线决策效果不同,所以分别取不同的折算因子组合[k1,k2],[k3,k4]求得合成的总误差Err1和Err2(k1、k2、k3、k4折算因子的获取按照实际经验和模拟效果进行确定),再由总误差Err1和Err2分别作为PID控制器的输入决策跟踪直线时的期望前轮转角和跟踪曲线时的期望前轮转角。
植保机的转向主要通过控制换向阀控制油液的流向,从而控制转向油缸的伸缩,转向油缸为双作用缸,通过连接在油缸两端连杆机构实现植保机的转向。
PID控制器具有模型容易建立且控制精度高的优点,适用于农业机械路径跟踪控制。
控制器的输入为控制偏差,这里指有横向偏差和横向偏差决策而成的合成误差。输出部分为比例(P),积分(I)微分(D)的线性组合,公式为:
式中Kp为比例项系数,Kd为微分项系数,Ki为积分项系数。e(t)为t时刻的合成误差,δ为决策输出的期望前轮转角。
比例部分Kp参数是将控制器输入的合成误差和输出形成比例关系,主要用来调节误差幅度,当比例项系数过大时会产生超调现象。
微分部分Kd参数调节能够预见偏差变化趋势,减小***超调量,使其稳定性增加,但是此时会有稳态误差。
积分部分Ki参数调节用来消除跟踪控制***的产生的稳态误差。
本实施例考虑一种带有预测控制模块,同时使植保机对于直线跟踪和曲线跟踪采用不同误差决策期望前轮转角的算法。即使用PID控制器进行路径跟踪,其输入量只有一个,而横向偏差和航向偏差对路径跟踪都有显著的影响,故将横向偏差和航向偏差转换成合成的总误差,将其作为PID控制器的输入,从而决策输出期望前轮转角。由于在对直线进行跟踪控制和曲线进行控制时,由航向偏差和横向偏差转换而成的总误差对直线和曲线决策效果不同,所以分别取不同的折算因子组合[k1,k2],[k3,k4]求得合成的总误差err1和err2,再由总误差err1和err2作为PID控制器的输入分别决策跟踪直线时的期望前轮转角和跟踪曲线时的期望前轮转角。
预测控制模块可以根据当前BDS采集的位置经过坐标转换获得的当前位置,然后经过计算获得一个预测点。
本实施例能够提高液压植保机智能化水平和灵活性,可以降低因操作不当而造成人身危险的概率,同时在液压植保机进行跟踪控制时,能够减少跟踪过程的滞后性,通过跟踪直线和曲线两种不同误差的合成计算,获取不同的总误差,最后通过PID控制器分别决策出跟踪直线和曲线的期望前轮转角。
本实施例首先根据地形图以及喷雾作业方式拟定参考工作路径,并上传至自动导航驾驶***中,使植保机按照参考工作路径行驶及作业。车载控制器通过CAN总线控制发动机及液压提升和驱动***,控制植保机行驶速度和前进后退,转向和植保机机具抬升等动作。在进行喷雾作业中,管理人员只需在手机app上启动作业,即无人植保机可自动向前行驶,并抬升喷雾机具。
实施例二
本实施例提供了一种大型液压植保机。
一种大型液压植保机,包括车载控制器,所述车载控制器在植保机运行时,执行实施例一所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,根据得到的期望前轮转角通过控制换向阀控制油液的流向,控制转向油缸的伸缩,使连接在油缸两端的转向连杆转动,实现植保机的转向。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,其特征在于,包括:
获取植保机工作参考路径,经离散化处理,得到植保机工作参考路径点集;
基于植保机的当前位置和航向角,预测设定时间后植保机的预测点;
查找所述预测点在所述参考路径点集中对应的投影点;
计算预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差;
将所述预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差转换成合成误差;
基于所述合成误差,采用PID控制器,得到期望前轮转角;
所述基于植保机的当前位置和航向角,预测设定时间后植保机的预测点的过程包括:基于植保机的当前位置和航向角,结合植保机的速度,预测设定时间后植保机的位置和航向角;
所述将所述预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差转换成合成误差的过程包括:引入折算因子,将所述预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差转换成合成误差,所述合成误差包括横向偏差对应的横向误差和航向偏差对应的航向误差;
所述计算预测点与投影点之间的横向偏差和航向偏差,具体为:
航向偏差的计算:
为航向偏差,/>为当前位置航向角,/>为参考路径投影点处航向角;
横向偏差的计算:
在自然坐标系中,最近点的法向量
最近点的切向量
Δd为横向偏差,x为当前位置横坐标,xc为参考路径上的最近点的横坐标,y为当前位置纵坐标,yc为参考路径上的最近点的纵坐标;
所述合成误差计算公式为:
式中,Kp为比例项系数,Kd为微分项系数,Ki为积分项系数,e(t)为t时刻的合成误差,δ为决策输出的期望前轮转角。
2.根据权利要求1所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,其特征在于,在所述植保机工作参考路径点集之后包括:根据所述植保机工作参考路径点集,计算每个参考点的状态量,所述参考点的状态量包括参考点的横坐标、参考点的纵坐标和航向角。
3.根据权利要求1所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,其特征在于,所述查找所述预测点在所述参考路径点集中对应的投影点的过程包括:基于所述预测点,计算所述参考路径点集中每个参考点到预测点的距离,确定距离预测点最近的参考点为最近点;根据所述最近点得到预测点在参考路径上的投影点。
4.根据权利要求3所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,其特征在于,所述航向偏差等于植保机在当前位置的航向角减参考路径上投影点处的航向角。
5.根据权利要求4所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,其特征在于,所述参考路径上投影点处的航向角等于参考路径上最近点的航向角。
6.根据权利要求4所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,其特征在于,所述横向偏差根据最近点的法向量和植保机当前位置与最近点的位置关系确定。
7.根据权利要求1所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,其特征在于,所述基于所述合成误差,采用PID控制器,得到期望前轮转角的过程包括:基于所述合成误差,采用PID控制器,得到跟踪直线时的期望前轮转角和跟踪曲线时的期望前轮转角。
8.一种大型液压植保机,其特征在于,包括车载控制器,所述车载控制器在植保机运行时,执行权利要求1-7任一项所述的大型液压植保机无人驾驶路径跟踪控制方法,根据得到的期望前轮转角通过控制换向阀控制油液的流向,控制转向油缸的伸缩,使连接在油缸两端的转向连杆转动,实现植保机的转向。
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