高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪与防侧翻控制.pdf
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1、江苏大學学报(自然科学版)JOURNAL OF JIANGSUUNIVERSITY(Natural Science Edition)D0I:10.3969/j.issn.1671-7775.2023.06.0062023年11月第44卷第6 期Nov.2023Vol.44No.6开放科学(资源服务)标识码(OSID):影高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪与防侧翻控制刘国海,张贺,张多,沈跃,王子杰(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江2 12 0 13)摘要:基于喷雾机的运动学模型分别构建了路径跟踪控制以及防侧翻控制.上层采用的模型预测控制(MPC)根据喷雾机的当前状态以及期望路径来输出喷雾机的期
2、望转向角以及车速,实现轨迹跟踪控制.下层控制器通过引入横向荷载转移率(LTR)作为衡量侧倾的指标来判断车辆状态是否产生侧倾,通过引入模糊控制器来对转向角进行补偿,进而控制LTR稳定在某一阅值,使喷雾机在轨迹跟踪的过程中既具有较好的控制精度又具有较好的行驶稳定性,保证喷雾机不发生侧倾.通过ADAMS/MATLAB的联合仿真结果表明:在复杂的道路条件下喷雾机采用防侧翻控制时,LTR可以控制在0.5以内,并且具有较高的轨迹跟踪精度,安全性得到了提高。关键词:高地隙喷雾机;四轮独立驱动;路径跟踪;模型预测控制;防侧翻控制中图分类号:S24文献标志码:A文章编号:16 7 1-7 7 7 5(2 0 2
3、 3)0 6-0 6 57-0 8引文格式:刘国海,张贺,张多,等。高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪与防侧翻控制 J.江苏大学学报(自然科学版),2023,44(6):657 664.Path tracking and anti-rollover control of high gapfour-wheel independent drive sprayerLIU Guohai,ZHANG He,ZHANG Duo,SHEN Yue,WANG Zijie(School of Electrical Information Engineering,Jiangsu University,Zhenjia
4、ng,Jiangsu 212013,China)Abstract:The path tracking control and the anti-rollover control were respectively constructed based onthe kinematic model of sprayer.In the upper layer,the model predictive control(MPC)was used tooutput the desired steering angle and speed of the sprayer based on the current
5、 state of the sprayer and thedesired path to achieve trajectory tracking control.The lower layer controller was used to determinewhether the vehicle state produced rollover by introducing lateral load transfer rate(LTR)as rollovermeasure index,and the LTR was controlled by introducing a fuzzy contro
6、ller to achieve the control oflateral acceleration and stabilize the LTR at a certain threshold value.The sprayer was controlled withbetter control accuracy and driving stability in the process of trajectory tracking and was ensured withoutrollover.The joint simulation results of ADAMS/MATLAB show t
7、hat by anti-rollover control,the LTR ofthe sprayer can be controlled within 0.5 under complex road conditions with high trajectory trackingaccuracy and improved safety.收稿日期:2 0 2 2-0 2-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(519 7 52 6 0)作者简介:刘国海(19 6 4一),男,江苏扬州人,教授,博士生导师(),主要从事智能农机装备控制和复杂非线性系统控制的研究,张贺(19 9 7 一),男,安徽宿州
8、人,硕士研究生(2 538 2 9 8 9 ),主要从事四轮独立驱动喷雾机控制的研究.658江苏大学学报(自然科学版)第44卷Key words:high gap sprayer;four-wheel independent drive;path tracking;model predictive control;anti-rollover control目前,我国高度重视智慧农业的发展,其中,2020年“中央一号文件”提出,要加快大数据、人工智能、智慧气象等在农业领域的作用,并且在中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2 0 35年远景目标纲要中提出,加强大中型、智能化、复合型农
9、业机械研发应用 1.其中在农业装备方面,目前绝大多数传统的农机装备采用的均是有人驾驶,前轮转向,转弯半径大,在转向时前后轮的压痕不在同一条直线上,在作业时容易出现压苗等情况.无人驾驶农机装备利用高精度卫星定位、激光雷达等技术可实现作业时全程无人操作,缓解了劳动力紧缺的现状 2 通常农机装备具有体积大、质量大、质心高等特点,作业环境恶劣复杂,尤其在丘陵、坡地、水田等极端作业环境时易发生侧翻.因此及时预测农机的侧翻趋势,主动对农机进行修正十分必要.无人农机行驶的安全性和路径跟踪的精度问题是研究的重点,其中在路径跟踪控制方面有多种控制算法如模型预测控制算法、纯跟踪算法、线性二次调节器(LQR)算法、
10、Stanley算法等 3.在行驶安全性控制方面,主要考虑喷雾机的侧倾等问题.近年来,国内外的学者针对路径跟踪问题以及侧倾控制进行了深入的研究.文献 4 提出了一种协调的纵向和横向运动控制系统,同时控制车辆纵向速度和偏航率并且跟踪其参考轨迹.文献 5 通过粒子群优化进行轨迹优化,并且产生了一个成本较低,收敛速度较快的轨迹修正量,有效应用于约束轨迹优化问题.文献 6 采用群粒子优化来进行轨迹跟踪,利用人工势能来解决防侧翻问题,控制算法可使农机安全平稳地行驶.文献 7 为减轻延时对车辆稳定性控制的不利影响,设计了一种新型三维动态稳定控制器,其可以在复杂的转向动作中实现横向稳定性和防侧翻控制.文献8
11、提出了一种由参数识别方法、惯性传感器、速度计和嵌人式控制器组成的翻车和倾覆检测系统,可以使杂路面上作业时的工况.因此,在考虑无人驾驶喷雾机核心研究问题时既要考虑路径跟踪的精度又要考虑喷雾机的安全行驶问题.针对上述问题,提出一种适用于农机装备的新型的前-后双转向轴的4WID驱动底盘结构,并以此为基础,设计了一台4WID电驱动的高地隙喷雾机,如图1所示.喷雾机具有前、后两个转向轴,在前后转向轴之间加入了液压推杆,在转向过程中可以用于辅助转向 10 .在此基础上,文中采用分层控制,上层采用模型预测控制实现对路径的跟踪,下层采用防侧翻控制来保证喷雾机行驶的安全性。喷杆自转向机构轮毂电动机驱动器图1无人
12、驾驶高地隙喷雾机1喷雾机的运动学模型喷雾机的运动学模型主要是通过几何学的关系来研究喷雾机的行驶状态,包括喷雾机的速度、转向角等随时间的变化.由于喷雾机在作业时速度较低,仅考虑车辆的路径跟踪问题和防侧翻问题,采用运动学模型可以使模型不受车辆不确定因素的影响,使模型预测控制器具有较好的控制精度.根据喷雾机的底盘结构可得出喷雾机的运动学关系如图2 所示.YI水箱动力装置撒肥装置整车自转向机构控制器轮毂电动机驱动器轮毂电动机a横向荷载转移率(LTR)达到所设置的阈值之前提前做出控制,实现防侧翻控制.文献 9 提出了一种使用差速制动设计车辆防侧翻系统的方法,使用横向荷载转移率作为侧倾判断指标并设计了基于
13、主动转向的侧翻控制器来使这个指标满足一定水平以下.上述文献仅仅考虑了车辆的路径跟踪问题或者单独考虑了车辆的防侧翻控制,并且没有考虑在复6RiW0图2 喷雾机运动学关系X659第6 期刘国海等:高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪与防侧翻控制根据Ackermann-Jeantand转向原理 ,可得喷雾机4个轮速与转向角之间的关系:1Wtan)cos261Wtan)cos.2a1WtanV3=Vcos1Wtan)十(cos式中:为喷雾机的前轴转向角;为后轴转向角;、b 为前后转向桥到车辆质心的距离,在理想转向情况下a、b 相等;W为左右轮距;V为喷雾机的纵向速度.通过对喷雾机运动学模型分析可得出喷雾机
14、在全局坐标系下的状态空间方程:X=Vcos,Y=VsinP,2VtanSr$=1式中:是喷雾机的航向角;8,是喷雾机的前轮转向角;l是喷雾机车身长度.选取喷雾机的状态量x=X,Y,T,控制量u=V,8,T,喷雾机的状态空间方程可写为(8)为了简化模型,选取参考状态xref,通过泰勒公式在转向角补偿期望侧向加速度推杆转向系统期望转尚角期望MPC车速轮胎转矩4WID转矩控制器转矩路径控制图3整车控制系统框图2.1防侧翻控制速度、轮胎垂直载荷、横向荷载转移率等 12 .由于横在复杂的作业环境下,喷雾机在轨迹跟踪的过向荷载转移率可以更直观地反映出车身的倾斜程程中可能会产生侧翻的危险,因此在保证轨迹跟踪
15、度,所以采用横向荷载转移率作为侧倾稳定性指精度的前提条件下要保证车辆行驶的安全性,标 12 ,其定义如下:2.1.1侧倾稳定性动态评价指标在衡量喷雾机车身状态的时候,有很多参数可以衡量车身的侧倾程度,其中包括:侧倾角、侧向加xrer处展开,可得到关于状态量x误差的状态空间方程:(1)x=x-Xrer=af(2)x=Ax+Bi,式中:A、B是f关于x、u 的雅克比矩阵.(3)通过前向欧拉法(Forward-Euler)将上式离散化,26加人采样时间T,离散化后的状态空间方程如下:(4)2a(5)(6)(7)x=f(x,u).驱动轮轮毂电动机式中:F、F分别为左、右侧轮胎的垂向载荷.L(u-r),
16、(9)au(10)x=(h+1)-(k)=Ax(k)+Bu(k),(11)T整理可得x(k+1)=(I+TA)x(k)+TB(k),(12)x(h+1)=Ah,x(h)+Bh,u(k).(13)2轨迹跟踪与防侧翻控制采用分层控制的方式来实现喷雾机的轨迹跟踪控制与防侧翻控制,其控制框图如图3所示,上层采用的是模型预测控制(MPC),根据喷雾机的当前状态以及期望路径来输出喷雾机的期望转向角以及车速,实现轨迹跟踪控制.下层控制器通过引人横向荷载转移率(LTR)作为衡量侧倾的指标来判断车辆状态是否产生侧倾,通过引人模糊控制器来对转向角进行补偿,进而控制LTR稳定在某一阈值,实现防侧翻控制.模糊控制器实
17、际侧向加速度4WIDLTR喷雾机电动机LTR=F+FZI不满足要求检测LTR满足Fa-Fa(14)660江苏大学学报(自然科学版)第44卷喷雾机整车受力如图4所示.根据喷雾机整车受力分析,写出如下力矩平衡方程:m.,m,gy(F-F.)_,式中:,是喷雾机侧向加速度;m,为整车质量;s为喷雾机轴距;y为发生侧倾时的垂向位移,y=hsin,为车辆侧倾角.h图4喷雾机整车受力图将式(15)代人到(14),可得2haLTR=+sin ds(g由此可以看出横向荷载转移率与侧向加速度以及侧倾角有关,可以一起用来广泛描述车辆的侧倾稳定性.由于喷雾机整体结构为刚体所以其侧倾角主要由路面参数决定.因此车辆的横
18、向荷载转移率主要与侧向加速度有关,根据喷雾机车辆模型,设其侧向加速度对前轮转角的增益为G.【13,则前轮转角增益与车速的关系如下:(17)2Gay=i(1+K 0)m(l,k,-l,kr)K=式中:k为喷雾机前轮侧偏刚度;k,为喷雾机后轮侧偏刚度;l为喷雾机前轮轴距;l,为喷雾机后轮轴距;i为转向传动比.由上述公式可知喷雾机实际侧向加速度,可以用当前前轮转角与当前车速表示,而横向荷载转移率主要由侧向加速度决定,减小侧向加速度可以有效降低喷雾机的横向荷载转移率,防止侧倾情况的发生.因此可以采用模糊控制来确定转向角的补偿值,使得喷雾机的横向荷载转移率稳定在某一安全阈值2.1.2防侧翻控制策略在行驶
19、过程中为了对喷雾机进行有效的防侧倾控制,需要先判断喷雾机当前的运动状态,即通过侧倾指标来判断和预测侧倾是否发生,是否需要采取相应的防侧倾控制.可以通过横向荷载转移率来判断喷雾机的侧倾情况.其中LTR的取值范围是1到1,ILTRI在0(15)到1变化,当喷雾机两侧车轮的垂直载荷相等时,横向荷载转移率为O,是一种理想的状况,当LTR越接近1时,说明产生侧倾的可能性就越大,当LTR=1时,喷雾机一侧车轮着地,已产生侧倾.因此要保证ILTRI较小才能使车辆的侧倾稳定性较好.在侧倾m,ay指标阈值设置时,设置值不宜过大也不宜过小,如果设置过小可能会来回切换侧倾控制器,使其横向mgAFz偏差波动较大,影响
20、路径跟踪精度.如果设置值过S大,控制器可能没有足够的响应时间,使其产生侧倾的危险.考虑到农田道路环境复杂,通过多次仿真测试,最终将喷雾机行驶时的安全横向荷载转移率值设为-0.5,0.5.在设计防侧倾控制器时,可以通过模糊控制器(16)对加速度进行补偿,通过增益关系来确定转向角的补偿值.其控制系统框图如图5所示.车辆模型LTR是LLTRI0.3模糊控制器结束LTR设定阀值a,=ayOf转向角补偿图5防侧翻控制系统框图(18)2.1.3模糊控制器设计模糊控制器中将期望的侧向加速度与实际的侧(19)向加速度的差值以及他们的导数作为模糊控制器的输人,输出变量为喷雾机转角的补偿,将补偿角与实际的车轮转角
21、相加,用来改变车身姿态.模糊控制策略利用模糊逻辑及近似推理,输出所需要的控制量,对目标进行有效控制.输入变量e、e c 和输出变量u对应的模糊量分别为E、E C 和U.其中E的模糊子集为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB);EC 的模糊子集为(NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB;U的模糊子集为(NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,各个模糊子集的定义为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(几乎为零)、PS(正小)、PM(正中)和PB(正大)采用Mamdani法建立模糊控制规则库,MIN-MAX-重心法进行去模糊化,转化为精确量输出,结果如表1所示.661第6 期刘国海
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