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农用轮式铰接车辆滑模轨迹跟踪控制算法_赵翾1
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摘要:针对农用轮式铰接车辆驾驶员工作条件恶劣的问题,该文提出了一种应用于无人驾驶系统的滑模变结构控制铰接车精确轨迹跟踪的方法。首先推导出了铰接车的运动学模型,根
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第 31 卷 第 10 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.10
198 2015 年 5月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering May 2015
农用轮式铰接车辆滑模轨迹跟踪控制算法
赵 翾
1
,杨 珏
1※
,张文明
1
,曾 珺
2
(1.北京科技大学机械工程学院,北京 100083; 2. 北京科技大学计算机与通信工程学院,北京 100083)
摘 要:针对农用轮式铰接车辆驾驶员工作条件恶劣的问题,该文提出了一种应用于无人驾驶系统的滑模变结构控制铰
接车精确轨迹跟踪的方法。首先推导出了铰接车的运动学模型,根据该模型建立实际行驶轨迹与参考轨迹偏差的模型,
之后针对偏差模型设计滑模变结构路径跟踪控制器,该控制器使用 Ackermann 公式设计,控制律采用指数趋近律使系统
有较快的响应和较小的抖振,同时,为了进一步抑制滑模控制器固有的抖振问题,将趋近律中的符号函数替换为连续函
数,以避免趋近律数值产生阶跃变化,并用 Lyapunov 函数证明了其稳定性,最后在硬件在环仿真中验证了控制器的实时
性和路径跟踪质量。结果表明,该控制器在硬件在环仿真环境下可将横向位置偏差、航向角偏差、曲率偏差分别控制在
0.21 rad(12°)、100 mm、0.17rad(1°)、0.005 m
-1
附近,各向偏差均在 10 s 内达到平衡,且误差控制在 5%以内,铰接车能
有效跟踪参考路径。该研究为农用轮式铰接车辆实现无人驾驶提供参考。
关键词:车辆;控制;模型;铰接车;轨迹跟踪;硬件在环仿真
doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.026
中图分类号:TP273 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2015)-10-198-06
赵 翾,杨 珏,张文明,等. 农用轮式铰接车辆滑模轨迹跟踪控制算法[J]. 农业工程学报,2015,31(10):198-203.
doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.026 http://www.tcsae.org
Zhao Xuan, Yang Jue, Zhang Wenming, et al. Sliding mode control algorithm for path tracking of articulated dump truck[J].
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(10): 198-203. (in
Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2015.10.026 http://www.tcsae.org
0 引 言
铰接式车辆因具有灵活、机动、高效等突出优点,
得到了越来越多的重视,而农用轮式铰接车辆行驶于农
田野外等崎岖地形,振动情况较为恶劣,直接危害驾驶
员健康,实现无人驾驶可以最大限度保护人员安全,智
能行驶也是大势所趋,无人驾驶系统的应用势在必行。
铰接车主要分为前后车体两部分,中间由刚性铰接
体连接,前后车体之间由液压缸驱动进行折腰转向,同
时铰接体与后车架之间有摆动架,可以使前后车体有侧
倾方向的相对运动,该结构可以显著减小转向半径,同
时在崎岖地形保证轮胎与地面的附着力,适合田间荒地
等非结构崎岖地形的运输作业。但是铰接车独特的转向
结构相对于传统前桥转向结构,在原地转向过程中前后
车体相对地面都存在运动,使得其轨迹跟踪控制变得复
杂,轨迹跟踪控制是无人驾驶系统的核心技术之一。滑
模变结构控制简称滑模控制,是一种非线性控制,有快
速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辨识、
物理实现简单等优点,机器人控制是其主要应用环境之
一
[1]
。硬件在环仿真是一种实时仿真技术,把实际被控对
象用实时模型来取代,而控制单元为实物且与仿真模型
收稿日期:2015-04-13 修订日期:2015-04-30
基金项目:863 计划(2011AA060404)
作者简介:赵 翾,男,北京人,博士生,主要从事无人驾驶及路径跟踪控
制研究。北京 北京科技大学机械学院,100083。Email:zhaoxuan120@126.com
※通信作者:杨 珏,男(回族),山东聊城人,副教授,主要从事非公路
车辆的设计与研究。北京 北京科技大学机械工程学院,100083。
Email:yangjue@ustb.edu.cn
连接成为一个闭环系统,对电控单元的功能和实时性进
行验证
[2]
,其最大优势为可以验证控制系统的实时性。
针对铰接车运动学模型的推导和滑模变结构控制应
用,已经有很多学者进行了大量的研究,Nayl 等
[3]
、Lee
等
[4]
、Ridley 等
[5]
推导了铰接车运动学模型和与参考路径的
偏差模型并使用模型预测控制法进行了轨迹跟踪控制仿
真,以上结果均由离线仿真获得,控制器实时性未得到验
证。Korayem 等
[6]
使用滑模变结构方法研究了柔索并联机器
人的路径跟踪控制,Aslam 等
[7]
针对滑移转向车动力学模型
进行了模糊滑模控制路径跟踪,牛雪梅等
[8]
针对两轮机器人
使用滑模控制进行路径跟踪,同时使用 Lyapunov 函数证明
了系统稳定性。文献[6-8]均使用滑模控制进行轨迹跟踪,
但被控对象与铰接车运动特性不尽相同。
针对上述问题本文使用滑模变结构算法开发了一种
轨迹跟踪控制器并使用硬件在环仿真验证控制质量,旨
在实现农用轮式铰接车辆无人驾驶。
1 铰接车模型
1.1 铰接车数学模型
图 1 为铰接车转向模型
[9]
。出于习惯考虑,通常以铰
接车前桥中点 P
f
为整车状态参考点
[10]
,因为该点的速度
与铰接车的前进方向一致,有利于分析计算。
定义整车速度
v
为
[11]
:
f
vv= (1)
前桥中点 P
f
坐标
[12]
为:
cos
sin
ff f
ff f
xv
yv
θ
θ
=
=
(2)
章满莫
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