线性时变模型预测控制器提高农业车辆导航路径自动跟踪精度
Linear time-varying model predictive controller improving precision of navigation path automatic tracking for agricultural vehicle作者机构:山东农业大学机械与电子工程学院泰安271018 山东省园艺机械与装备重点实验室泰安271018 山东农业大学信息科学与工程学院泰安271018
出 版 物:《农业工程学报》 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering)
年 卷 期:2017年第33卷第13期
页 面:104-111页
核心收录:
学科分类:0710[理学-生物学] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 0801[工学-力学(可授工学、理学学位)] 080201[工学-机械制造及其自动化]
基 金:山东省现代农业技术体系创新团队岗位专家资助项目(SDAIT-10-022-10) 山东农业大学博士后经费(76567) 山东农业大学青年科技创新基金(24158)
摘 要:为提高农业车辆导航路径自动跟踪精度,提出一种基于线性时变模型预测控制的路径跟踪方法。该方法将农业车辆非线性运动学模型线性化和离散化处理,作为控制器预测方程;建立以系统控制增量为状态量的目标函数,为防止无可行解,引入松弛因子;设计系统控制量、控制增量和状态量约束条件,并将目标函数求解转为带约束的二次规划问题;采用内点法进行求解,将求得的控制输入增量第一个元素作用于系统;重复以上过程,实现优化控制。基于Matlab/Simulink平台进行了模型预测控制器设计,并分别进行了导航坐标系下的直线和圆形路径跟踪试验。结果表明,所设计的控制器能够实现直线路径的完全跟踪(误差始终为0);跟踪圆形路径时,1 m/s时的横向平均跟踪误差为7.5 cm,3 m/s时的横向平均跟踪误差为10 cm;整个跟踪过程,前轮转角始终被限定在约束范围内。不同控制器参数下的仿真结果表明,增大预测时域和控制周期能够减小跟踪误差和前轮转角变化幅度,控制时域的变化对控制器路径跟踪响应速度影响较小。同时基于设计的模型预测控制器进行了场地试验。结果表明,试验小车以1m/s的速度跟踪直线路径时,横向最大误差均值为1.622 cm,横向平均误差均值为0.865 cm;跟踪圆形路径时,当行走速度低于1 m/s时,横向最大误差小于10 cm。