本發(fā)明屬于無人農(nóng)機路徑跟蹤控制領(lǐng)域，涉及一種未知航向信息下的無人農(nóng)機有限時間輸出反饋控制方法及控制設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、農(nóng)業(yè)機械是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。農(nóng)業(yè)機械化和自動化程度是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力的重要因素之一。值得一提的是，自主導(dǎo)航技術(shù)在旋耕、種植、施藥、收獲等農(nóng)業(yè)作業(yè)場景中是至關(guān)重要的，其主要是由農(nóng)田環(huán)境感知、作業(yè)任務(wù)決策與路徑規(guī)劃、農(nóng)機路徑跟蹤控制三部分組成。其中，高精度且穩(wěn)定的農(nóng)機路徑跟蹤控制是亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

2、上述技術(shù)依賴于可靠的高精度定位系統(tǒng)和姿態(tài)傳感器，以及能夠?qū)崿F(xiàn)快速收斂且穩(wěn)態(tài)誤差小的控制算法。值得注意的是，北斗rtk系統(tǒng)可以提供厘米級的定位精度，用來測量出農(nóng)機的位置信息，通過計算得到與參考路徑之間的橫向偏差。另一方面，航向信息通常依賴于慣性測量單元，而它存在經(jīng)常出現(xiàn)零漂這一問題。受慣性測量單元(imu)偏置和輸入/輸出尺度因子變化的影響，航向角的測量誤差會隨著時間的積累而增大，導(dǎo)致跟蹤精度變差甚至出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，難以滿足無人農(nóng)機長時間高效率運行的需求。此外，高精度imu/rtk組合系統(tǒng)的成本也十分高昂。因此，設(shè)計一種能夠估計包含航向信息的狀態(tài)觀測器是非常有意義的。

3、在非結(jié)構(gòu)化農(nóng)田環(huán)境中，由于農(nóng)機建模不確定性，以及存在路面崎嶇不平等情況，導(dǎo)致農(nóng)機路徑跟蹤系統(tǒng)中存在內(nèi)部和外部擾動。現(xiàn)有的路徑跟蹤控制方法，如pid控制、stanley控制、模糊控制、模型預(yù)測控制等都很難實現(xiàn)有限時間收斂，而農(nóng)機路徑跟蹤系統(tǒng)對收斂時間有較高要求，故而亟需設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)有限時間收斂的控制方法。

4、因此，本發(fā)明設(shè)計了一種基于能夠觀測航向信息狀態(tài)觀測器的無人農(nóng)機有限時間輸出反饋控制方法，以實現(xiàn)在航向信息不可測時，橫向偏差能夠有限時間收斂到零，保證其快速性和穩(wěn)態(tài)性能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了在航向信息不可測的情況下，實現(xiàn)農(nóng)機路徑跟蹤控制系統(tǒng)的有限時間收斂，同時具有良好的抗干擾性能和穩(wěn)態(tài)性能，本發(fā)明提出了一種未知航向信息下的無人農(nóng)機有限時間輸出反饋控制方法，包括以下步驟：

2、步驟1、基于無人農(nóng)機運動學(xué)模型，引入與橫向和航向偏差相關(guān)擾動，構(gòu)建無人農(nóng)機偏差模型，進而轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間方程；

3、步驟2、考慮航向信息不可測的情況，構(gòu)造狀態(tài)觀測器以觀測包含航向信息的狀態(tài)變量，提高跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定性和跟蹤精度；

4、步驟3、基于步驟2所構(gòu)造的狀態(tài)觀測器，根據(jù)有限時間lyapunov控制理論，設(shè)計得到一種有限時間輸出反饋控制器；

5、步驟4、設(shè)計控制器參數(shù)自適應(yīng)率；

6、步驟5、將自適應(yīng)率與有限時間輸出反饋控制方法相結(jié)合，得到自適應(yīng)有限時間輸出反饋控制器，并對控制器u＝tanδ實施逆變換，得到農(nóng)機需要的前輪轉(zhuǎn)角δ(t)＝arctanu(t)；

7、步驟6、根據(jù)農(nóng)機整車控制can網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，構(gòu)建數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，將系統(tǒng)的控制信號，包括農(nóng)機的車速v和步驟5中得到的農(nóng)機前輪轉(zhuǎn)向角δ，通過can總線發(fā)送給農(nóng)機整車控制器，實現(xiàn)農(nóng)機的路徑跟蹤控制。

8、進一步，所述步驟1，無人農(nóng)機為前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，其運動學(xué)模型如下：

9、

10、其中，p＝[x，y]t是無人農(nóng)機的位置坐標向量；v是無人農(nóng)機縱向行駛速度；θ為航向角；lt是無人農(nóng)機的軸距，即前輪中心到后輪中心的距離；δ是無人農(nóng)機的前輪轉(zhuǎn)向角；

11、本發(fā)明給出如下定義：

12、橫向偏差los，定義為農(nóng)機當前位置點與參考路徑上最近點之間的距離；

13、航向偏差θos，定義為農(nóng)機當前航向角與期望航向角之間的差值；

14、具體公式如下：

15、

16、其中，pd＝[xd，yd]t是參考點的位置坐標向量；pt＝[xt，yt]t是無人農(nóng)機的當前位置坐標向量；θt為無人農(nóng)機的當前航向角；θd為期望航向角；

17、基于無人農(nóng)機運動學(xué)模型，引入與橫向和航向偏差相關(guān)擾動，無人農(nóng)機偏差模型可以建立為：

18、

19、其中，λ是轉(zhuǎn)向系數(shù)；δ1、δ2分別為與橫向偏差和航向偏差相關(guān)的擾動；

20、假設(shè)無人農(nóng)機總是向前行駛且沿著順時針方向去跟蹤參考路徑，即v>0，λ＝-1；進而，基于上述偏差模型，選取狀態(tài)變量x1＝los，x2＝vsinθos+δ1，構(gòu)造狀態(tài)空間方程如下：

21、

22、其中，x＝[x1，x2]t是無人農(nóng)機路徑跟蹤系統(tǒng)的狀態(tài)向量，u＝tanδ為控制變量，表示集總擾動。

23、進一步，所述步驟2中，考慮到在實際農(nóng)田環(huán)境中存在遮擋或通信拒止等工作條件，這會導(dǎo)致無人農(nóng)機航向信息不可測的情況，進而使得包含航向信息的狀態(tài)變量x2是未知的，所以需要通過設(shè)計觀測器來估計x2的值，狀態(tài)觀測器可以構(gòu)造為：

24、

25、其中，z是中間變量，k(x1)，n(x1)均為正函數(shù)；是狀態(tài)變量x2的估計值。

26、進一步，根據(jù)步驟2所構(gòu)造的狀態(tài)觀測器，函數(shù)k(x1)，n(x1)的取值滿足在上述關(guān)系下，可以確保觀測誤差在有限時間內(nèi)收斂到零。

27、進一步，所述步驟3中，基于狀態(tài)觀測器的估計值考慮到農(nóng)田作業(yè)需要快速上線，對收斂時間有較高要求，構(gòu)建有限時間輸出反饋控制器如下：

28、

29、其中，β1＞0是控制增益，β2(x1)是一個正函數(shù)，g是函數(shù)g(t，x)的下界值，滿足0<g＜g(t，x)；此時，通過構(gòu)造輸出反饋控制器，僅使用橫向偏差實現(xiàn)農(nóng)機路徑跟蹤控制。

30、進一步，所述步驟4中，為了降低調(diào)整參數(shù)的復(fù)雜度，并提高跟蹤效果，設(shè)計一種自適應(yīng)率，將控制增益β1設(shè)計為時變增益β1(t)，其具有如下形式：

31、

32、其中，β1(0)>0為時變增益β1(t)的初值，k＞0，ξ＞0，μ＞0為輔助變量，ξ和μ的值較小，引入μ的目的是確保自適應(yīng)參數(shù)β1(t)為正值。

33、進一步，所述步驟5中，結(jié)合自適應(yīng)率與有限時間輸出反饋控制方法，得到自適應(yīng)有限時間輸出反饋控制器，其形式如下：

34、

35、其中，β1(t)>0是自適應(yīng)控制增益；

36、最后，對控制器u＝tanδ實施逆變換，得到農(nóng)機需要的前輪轉(zhuǎn)角δ(t)＝arctanu(t)。

37、進一步，所述步驟6中，根據(jù)無人農(nóng)機整車控制的特定can網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，構(gòu)建數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，具體構(gòu)建過程如下：can總線id采用擴展id，can格式采用英特爾格式，設(shè)計與無人農(nóng)機相匹配的can通訊報文；利用數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，將系統(tǒng)的控制信號，包括農(nóng)機的車速v和步驟5中得到的實際前輪轉(zhuǎn)向角δ，通過can總線發(fā)送給農(nóng)機整車控制器，實現(xiàn)農(nóng)機的路徑跟蹤控制。

38、本發(fā)明的有益效果：

39、1.本發(fā)明考慮在未知航向信息的情況下，構(gòu)造了一種狀態(tài)觀測器以對包含航向信息的狀態(tài)變量進行估計；

40、2.基于上述狀態(tài)觀測器，構(gòu)造一種有限時間輸出反饋控制方法，以實現(xiàn)農(nóng)機路徑跟蹤系統(tǒng)橫向偏差有限時間收斂到零；

41、3.構(gòu)建農(nóng)機整車控制的can總線控制網(wǎng)絡(luò)，將包含車速和前輪轉(zhuǎn)角的can信號實時發(fā)送給農(nóng)機，實現(xiàn)農(nóng)機路徑跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)控制。