一种未知航向信息下的无人农机有限时间输出反馈控制方法及控制设备

本发明属于无人农机路径跟踪控制领域，涉及一种未知航向信息下的无人农机有限时间输出反馈控制方法及控制设备。

背景技术：

1、农业机械是现代农业发展的重要基础，也是农业现代化的重要标志。农业机械化和自动化程度是影响农业生产效率和生产力的重要因素之一。值得一提的是，自主导航技术在旋耕、种植、施药、收获等农业作业场景中是至关重要的，其主要是由农田环境感知、作业任务决策与路径规划、农机路径跟踪控制三部分组成。其中，高精度且稳定的农机路径跟踪控制是亟需解决的关键技术。

2、上述技术依赖于可靠的高精度定位系统和姿态传感器，以及能够实现快速收敛且稳态误差小的控制算法。值得注意的是，北斗rtk系统可以提供厘米级的定位精度，用来测量出农机的位置信息，通过计算得到与参考路径之间的横向偏差。另一方面，航向信息通常依赖于惯性测量单元，而它存在经常出现零漂这一问题。受惯性测量单元(imu)偏置和输入/输出尺度因子变化的影响，航向角的测量误差会随着时间的积累而增大，导致跟踪精度变差甚至出现不稳定的情况，难以满足无人农机长时间高效率运行的需求。此外，高精度imu/rtk组合系统的成本也十分高昂。因此，设计一种能够估计包含航向信息的状态观测器是非常有意义的。

3、在非结构化农田环境中，由于农机建模不确定性，以及存在路面崎岖不平等情况，导致农机路径跟踪系统中存在内部和外部扰动。现有的路径跟踪控制方法，如pid控制、stanley控制、模糊控制、模型预测控制等都很难实现有限时间收敛，而农机路径跟踪系统对收敛时间有较高要求，故而亟需设计一种能够实现有限时间收敛的控制方法。

4、因此，本发明设计了一种基于能够观测航向信息状态观测器的无人农机有限时间输出反馈控制方法，以实现在航向信息不可测时，横向偏差能够有限时间收敛到零，保证其快速性和稳态性能。

技术实现思路

1、为了在航向信息不可测的情况下，实现农机路径跟踪控制系统的有限时间收敛，同时具有良好的抗干扰性能和稳态性能，本发明提出了一种未知航向信息下的无人农机有限时间输出反馈控制方法，包括以下步骤：

2、步骤1、基于无人农机运动学模型，引入与横向和航向偏差相关扰动，构建无人农机偏差模型，进而转换为状态空间方程；

3、步骤2、考虑航向信息不可测的情况，构造状态观测器以观测包含航向信息的状态变量，提高跟踪系统稳定性和跟踪精度；

4、步骤3、基于步骤2所构造的状态观测器，根据有限时间lyapunov控制理论，设计得到一种有限时间输出反馈控制器；

5、步骤4、设计控制器参数自适应率；

6、步骤5、将自适应率与有限时间输出反馈控制方法相结合，得到自适应有限时间输出反馈控制器，并对控制器u＝tanδ实施逆变换，得到农机需要的前轮转角δ(t)＝arctanu(t)；

7、步骤6、根据农机整车控制can网络协议，构建数据发送模块，将系统的控制信号，包括农机的车速v和步骤5中得到的农机前轮转向角δ，通过can总线发送给农机整车控制器，实现农机的路径跟踪控制。

8、进一步，所述步骤1，无人农机为前轮转向后轮驱动，其运动学模型如下：

9、

10、其中，p＝[x，y]t是无人农机的位置坐标向量；v是无人农机纵向行驶速度；θ为航向角；lt是无人农机的轴距，即前轮中心到后轮中心的距离；δ是无人农机的前轮转向角；

11、本发明给出如下定义：

12、横向偏差los，定义为农机当前位置点与参考路径上最近点之间的距离；

13、航向偏差θos，定义为农机当前航向角与期望航向角之间的差值；

14、具体公式如下：

15、

16、其中，pd＝[xd，yd]t是参考点的位置坐标向量；pt＝[xt，yt]t是无人农机的当前位置坐标向量；θt为无人农机的当前航向角；θd为期望航向角；

17、基于无人农机运动学模型，引入与横向和航向偏差相关扰动，无人农机偏差模型可以建立为：

18、

19、其中，λ是转向系数；δ1、δ2分别为与横向偏差和航向偏差相关的扰动；

20、假设无人农机总是向前行驶且沿着顺时针方向去跟踪参考路径，即v>0，λ＝-1；进而，基于上述偏差模型，选取状态变量x1＝los，x2＝vsinθos+δ1，构造状态空间方程如下：

21、

22、其中，x＝[x1，x2]t是无人农机路径跟踪系统的状态向量，u＝tanδ为控制变量，表示集总扰动。

23、进一步，所述步骤2中，考虑到在实际农田环境中存在遮挡或通信拒止等工作条件，这会导致无人农机航向信息不可测的情况，进而使得包含航向信息的状态变量x2是未知的，所以需要通过设计观测器来估计x2的值，状态观测器可以构造为：

24、

25、其中，z是中间变量，k(x1)，n(x1)均为正函数；是状态变量x2的估计值。

26、进一步，根据步骤2所构造的状态观测器，函数k(x1)，n(x1)的取值满足在上述关系下，可以确保观测误差在有限时间内收敛到零。

27、进一步，所述步骤3中，基于状态观测器的估计值考虑到农田作业需要快速上线，对收敛时间有较高要求，构建有限时间输出反馈控制器如下：

28、

29、其中，β1＞0是控制增益，β2(x1)是一个正函数，g是函数g(t，x)的下界值，满足0<g＜g(t，x)；此时，通过构造输出反馈控制器，仅使用横向偏差实现农机路径跟踪控制。

30、进一步，所述步骤4中，为了降低调整参数的复杂度，并提高跟踪效果，设计一种自适应率，将控制增益β1设计为时变增益β1(t)，其具有如下形式：

31、

32、其中，β1(0)>0为时变增益β1(t)的初值，k＞0，ξ＞0，μ＞0为辅助变量，ξ和μ的值较小，引入μ的目的是确保自适应参数β1(t)为正值。

33、进一步，所述步骤5中，结合自适应率与有限时间输出反馈控制方法，得到自适应有限时间输出反馈控制器，其形式如下：

34、

35、其中，β1(t)>0是自适应控制增益；

36、最后，对控制器u＝tanδ实施逆变换，得到农机需要的前轮转角δ(t)＝arctanu(t)。

37、进一步，所述步骤6中，根据无人农机整车控制的特定can网络协议，构建数据发送模块，具体构建过程如下：can总线id采用扩展id，can格式采用英特尔格式，设计与无人农机相匹配的can通讯报文；利用数据发送模块，将系统的控制信号，包括农机的车速v和步骤5中得到的实际前轮转向角δ，通过can总线发送给农机整车控制器，实现农机的路径跟踪控制。

38、本发明的有益效果：

39、1.本发明考虑在未知航向信息的情况下，构造了一种状态观测器以对包含航向信息的状态变量进行估计；

40、2.基于上述状态观测器，构造一种有限时间输出反馈控制方法，以实现农机路径跟踪系统横向偏差有限时间收敛到零；

41、3.构建农机整车控制的can总线控制网络，将包含车速和前轮转角的can信号实时发送给农机，实现农机路径跟踪系统的闭环控制。