![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/86331665/bg1.jpg)
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
=
=
(2)