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

作     者：张万枝 白文静 吕钊钦 刘正铎 黄琛 Zhang Wanzhi Bai Wenjing Lu Zhaoqin Liu Zhengduo Huang Chen

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) 

主　　题：车辆 控制 机械化 导航路径 跟踪 

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。