農(nóng)業(yè)車(chē)輛電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模與控制算法研究.pdf

1、為發(fā)展農(nóng)業(yè)車(chē)輛自主導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)車(chē)輛精準(zhǔn)快速的自動(dòng)轉(zhuǎn)向，減免勞動(dòng)力，保證作業(yè)精度和生產(chǎn)效率，以試驗(yàn)小車(chē)為平臺(tái)，建立了相互獨(dú)立的調(diào)速系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型，并設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)便、高效的控制算法。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.系統(tǒng)采用CAN-Bus二級(jí)分布式的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括CAN主節(jié)點(diǎn)、CAN從節(jié)點(diǎn)和CAN-Bus通信網(wǎng)絡(luò)，具有良好的可擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性。系統(tǒng)以車(chē)載計(jì)算機(jī)為CAN主節(jié)點(diǎn)，采用CAN-Bus通信網(wǎng)絡(luò)與各個(gè)監(jiān)測(cè)控制從節(jié)點(diǎn)相通

2、信,CAN從節(jié)點(diǎn)包括前輪轉(zhuǎn)角測(cè)量節(jié)點(diǎn)、行駛速度測(cè)量節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)向電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)與車(chē)輛行駛速度控制節(jié)點(diǎn)。
　　2.搭建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，按功能將系統(tǒng)劃分為主控制模塊、信息采集模塊和執(zhí)行模塊:主控制模塊完成車(chē)輛位姿信息匯總、控制算法運(yùn)算、發(fā)送控制命令等功能;信息采集模塊包括車(chē)輛行駛速度采集和前輪轉(zhuǎn)向角采集等部分，前輪轉(zhuǎn)角采集選用絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器作為傳感器，通過(guò)讀取與角度相對(duì)應(yīng)的電壓值計(jì)算出前輪轉(zhuǎn)角的數(shù)值與方向;車(chē)輛行駛速度采集是選用增量式旋轉(zhuǎn)

3、編碼器作為傳感器，通過(guò)輸出脈沖的相位差和脈沖數(shù)確定行駛方向和行駛速度，采用M法測(cè)速;執(zhí)行模塊采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，通過(guò)向轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送不同頻率的脈沖信號(hào)，控制車(chē)輛完成精確轉(zhuǎn)向;通過(guò)向行駛直流電機(jī)的電機(jī)控制器發(fā)送不同大小的模擬電壓信號(hào)，控制車(chē)輛的行駛速度。
　　3將差分GPS、絕對(duì)式旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得的車(chē)輛行駛速度與實(shí)測(cè)平均車(chē)速比較，確認(rèn)編碼器測(cè)速的精度優(yōu)勢(shì)?；趯?shí)際試驗(yàn)，獲得車(chē)輛實(shí)際行駛速度V與行駛直流電機(jī)控制器接收的模擬信號(hào)U之間的物理

4、關(guān)系，搭建了車(chē)輛調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)模型，為系統(tǒng)增加比例控制環(huán)節(jié)，為在調(diào)速時(shí)間與穩(wěn)定行駛之間取得平衡，確定最優(yōu)比例系數(shù)。記錄調(diào)速系統(tǒng)在農(nóng)田路面和水泥路面跟蹤期望車(chē)速的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，試驗(yàn)結(jié)果表明調(diào)速系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地跟蹤期望行駛速度。
　　4.根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸入量（步進(jìn)電機(jī)頻率f）與輸出量（轉(zhuǎn)向輪偏角δ）之間的物理關(guān)系建立了二階模型，通過(guò)穩(wěn)定性分析，設(shè)計(jì)了基于IAE(絕對(duì)誤差積分)、ISE(平方誤差積分)和IT

5、AE(時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積的積分)、ITSE(時(shí)間與平方誤差乘積的積分)性能指標(biāo)的兩個(gè)最優(yōu)PD控制器。對(duì)系統(tǒng)施加±20°的階躍輸入信號(hào)，車(chē)輛在農(nóng)田路面與水泥路面下分別以0.3 m s-1、0.5 m s-1與0.7 m s-1的速度行駛，進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)向試驗(yàn)。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，基于ITAE、ITSE性能指標(biāo)的最優(yōu)PD控制器Gc(s)=12+1.19s能使系統(tǒng)具有更好的轉(zhuǎn)向性能，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間0.3s-