一种基于自抗扰控制的同步转向高地隙喷雾机姿态控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114415704A(43)申请公布日2022.04.29(21)申请号202111545580.9(22)申请日2021.12.16(71)申请人江苏大学地址212013江苏省镇江市京口区学府路301号(72)发明人李持衡沈跃刘慧刘国海(51)Int.Cl.G05D1/08(2006.01)G05D1/10(2006.01)权利要求书4页说明书10页附图3页(54)发明名称一种基于自抗扰控制的同步转向高地隙喷雾机姿态控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于自抗扰控制算法的同步转向高地隙喷雾机姿态控制方法，属于农业机械控制领域。基于刚体运动学以及喷雾机结构的几何约束，推导出同步转向高地隙喷雾机的非线性运动学模型，得到喷雾机前后转向轴转角的动态耦合以及与喷雾机转角与对应轮毂电机转向力矩之间的关系；利用二阶扩张状态观测器实现对喷雾机未建模部分与外界总扰动的实时补偿；利用最速微分器实现对目标状态过渡过程的设计；最后利用线性组合完成喷雾机姿态控制器的设计。仿真实验表明，本算法可以有效提高喷雾机姿态控制的快速性与稳定性。该项研究为同步转向高地隙喷雾机这一具有新型底盘结构的姿态控制提供了新方法，也为促进农业机械智能化、自动化奠定了基础。CN114415704ACN114415704A权利要求书1/4页1.一种基于自抗扰控制的同步转向高地隙喷雾机姿态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，基于刚体运动学以及喷雾机结构的几何约束，推导出同步转向高地隙喷雾机的非线性运动学模型，得到喷雾机前后转向轴转角的动态耦合以及与喷雾机转角与对应轮毂电机转向力矩之间的关系；步骤2，设计一阶跟踪微分器得到喷雾机前后轴目标v00，v10的跟踪值v01，v11；步骤3，将上述前后轴转角的动态耦合视为喷雾机的内部扰动，并基于喷雾机运动学模型中的总扰动，对上述喷雾机动态耦合进行解耦操作；步骤4，基于连续函数设计扩张状态观测器对喷雾机的前后轴转向角α，β以及喷雾机的总扰动进行观测，扩张状态观测器的输入为喷雾机前后轴角度传感器的反馈值，输出为喷雾机前后轴转角的估计值z01，z11，前后轴转角的变化率的估计值z02，z12以及喷雾机的总扰动的估计值z03，z13，通过连续函数函数优化传统状态观测器的观测效果；步骤5，通过步骤3与步骤4中给定的喷雾机前后轴目标转角的跟踪值v01,v11以及基于扩张状态观测器的估计值z01，z11，z02，z12，z03，z13设计线性组合控制律，同时，根据喷雾机自身的参数对线性组合控制律定参，实现对喷雾机姿态控制的优化。2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的同步转向高地隙喷雾机姿态控制方法，其特征在于，基于刚体运动学以及几何约束具体包括：步骤1.1，设喷雾机轮毂电机的净转矩Td只用来直接影响轮胎的加速度，同时假设喷雾机在运动时，车轮与地面之间不会发生相对滑动，且喷雾机仅在坐标平面上运动，同时设定逆时针方向为旋转运动的正方向；步骤1.2，综合喷雾机的运动情况以及自身工作特点，以喷雾机的初始位置为原点，建立二维的笛卡尔坐标系，将喷雾机四个轮毂电机的速度(VFl，VFr，VRl，VRr)设为控制量，由此可建立喷雾机的运动学方程如下：其中，α，β分别为喷雾机的前后轴转向角，L为车辆轴距，D为车辆长度；步骤1.3，由于喷雾机前后转向机构连在同一个主轴上，便会有一个沿喷雾机主轴方向速度相同的运动学约束如下：其中，v为喷雾机的纵向速度；步骤1.4，为减少系统的变量，方便系统的分析与控制器的设计，引入前后轴差速Δuf，Δur，于是喷雾机四个轮速分别为设前后轴净转矩差分别为ΔTdf与ΔTdr，k为比例2CN114415704A权利要求书2/4页系统，则有喷雾机姿态控制模型：3.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的同步转向高地隙喷雾机姿态控制方法，其特征在于，一阶跟踪微分器采用最速控制综合函数构建，具体过程是：步骤2.1，最速控制综合函数fhan(x1,x2,r,h)定义为其中，h为系统采样步长，r为系统速度因子，x1,x2分别为系统的输入信号以及输入信号的微分，a，a0，a1，a2，s1，s2，d，y均为函数的中间变量；步骤2.2，利用微分跟踪器可以用来进行安排过渡过程，其中用来进行安排过渡过程的函数具体表示如下：其中，v0为系统的跟踪信号对应上面的v00和v10，x1，x2分别为系统的输出信号对应上文的v01和v11以及输出信号的微分，r为跟踪速度，h为系统采样步长，y1，y2为系统输出的过渡过程信号。4.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制的同步转向高地隙喷雾机姿态控制方法，其特征在于，所述的喷雾机动态耦合解耦操作的具体过程为：3CN114415704A权利要求书