【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及農業機械控制領域，設計一種考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法、系統與裝置。以增加農業機械的路徑跟蹤精度，同時可以保證農機在實際復雜作業環境可以快速響應，提高作業質量，更加接近實際的應用。
技術介紹
1、許多國家正在研究無人駕駛農業機械來解決糧食和勞動力短缺的問題，通過采用自主導航技術來代替傳統農業生產活動所需的繁重勞動力。無人駕駛農業機械的自主導航技術越來越多地應用于各種農業生產活動，成為實現精準農業的關鍵技術。而跟蹤控制是提高農機自主導航系統的精度和穩定性的關鍵。因此，設計高效的路徑跟蹤控制方法對提高農業機械的跟蹤精度和魯棒性具有重要意義。
2、滑模控制作為一類常用的處理非線性不確定系統的魯棒控制方法，具有實現簡單、動態響應快、抗干擾能力強等優點，因此許多研究人員選擇滑模控制來解決農業機械的路徑跟蹤問題。
3、然而大多數的滑模控制算法通常為有限時間收斂，最大收斂時間取決于農業機械初始條件，這將導致跟蹤精度隨著初始誤差的增加而增加。快速的收斂時間可以支持農業機械更快地適應復雜的環境，目前固定時間收斂的終端滑模控制算法已被應用于提升農業機械的路徑跟蹤精度，但由于其存在奇異性問題與未考慮系統的瞬態響應，導致收斂速度提升有限。并且由于收斂速度的提升，執行器飽和現象的出現損害了農業機械的跟蹤性能與系統硬件。
技術實現思路
1、為了解決上述現有技術中的不足，即無法在考慮輸入飽和問題的前提下提高農業機械的跟蹤精度與快速響應性，迫切需要設
2、本專利技術是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
3、一種考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，包括以下步驟：
4、步驟(1)，根據無人駕駛農業機械運動特點，建立具有輸入飽和特性的關于橫向偏差和航向偏差的偏差運動模型，并定義所需要的狀態變量；
5、步驟(2)，設計快速固定時間控制器，保證無人駕駛農業機械的橫向偏差和航向偏差可以在固定時間內自適應快速收斂，并且通過設計滑模切換調節器保證系統的非奇異性；
6、步驟(3)，根據所述偏差運動模型中存在的執行器飽和問題，構造一個輸入飽和輔助函數，抵消由于飽和特性帶來的不利影響；
7、步驟(4)，將所述快速固定時間控制器與所述輸入飽和輔助函數結合，設計考慮輸入飽和的無人駕駛農機路徑跟蹤的快速固定時間復合控制器，使農業機械能夠高效快速的跟蹤期望路徑。
8、進一步地，所述偏差運動模型為：
9、
10、其中，el、eθ表示農業機械跟蹤期望路徑時產生的橫向偏差與航向偏差，v為農業機械的縱向速度，lt為農業機械前后輪之間的軸距，rt為期望路徑上距離農業機械后車輪軸中點最近的點的曲率半徑，δsat為不對稱飽和函數；
11、且：
12、el＝-(xt-xd)sinθd+(yt-yd)cosθd
13、eθ＝θt-θd
14、其中，[xt，yt]t為無人自動駕駛農業機械的位置矢量，θt為農業機械的航向角，[xd，yd]t表示期望路徑上距離農業機械后車輪軸中點最近的點的位置矢量，θd為期望航向角。
15、更進一步地，所述不對稱飽和函數為：
16、
17、其中，δ、
18、δ為執行器幅值的上下限，tanh表示雙曲正切函數，atanh表示反雙曲正切函數，為有界的近似誤差，即ρ0為已知的正數，δ為前輪轉角命令。
19、更進一步地，所述快速固定時間控制器通過如下快速固定時間滑模構造：
20、
21、其中，x1、x2表示系統的狀態矢量，且x1＝el，x2＝vsineθ；φ1s、φ2s為系統增益，且φ1s>0，φ2s>0；δ(x1)為自適應增益，η1(x1)、η2(x1)為固定時間滑模切換調節項。
22、更進一步地，所述自適應增益為：
23、
24、其中，0＜(<1，λ1>0，λ2為一個偶數。
25、更進一步地，所述滑模切換調節器為：
26、
27、其中，表示為固定時間滑模面，且
28、為0.05，中間量中間量
29、更進一步地，輸入飽和輔助函數具有如下形式：
30、
31、其中，usat＝tanδsat表示具有飽和特性的虛擬控制輸入，u＝tanδ為要設計的控制律，
32、β1>1，1/2<β2<1，α1、α2、α3為正的系數。
33、更進一步地，所述快速固定時間復合控制器具有如下形式：
34、
35、其中，是可根據系統變量自動調整的自適應增益，ι1>1，1/2<ι2＜1，φ1>0，φ2>0；
36、具有如下形式：
37、
38、一種考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制系統，包括：
39、快速固定時間控制模塊，用于實現農業機械快速跟蹤期望路徑，保證農機能夠高效性與快速性；
40、輸入飽和輔助函數模塊，用于抵消輸入飽和產生的不利影響，保證農業機械在輸入飽和情況下的硬件安全與控制精度；
41、自適應增益調整模塊，用于提高農業機械的橫向偏差與橫向偏差在即將收斂到滑模面時的瞬態收斂速度；
42、滑模切換調節器模塊，用于解決終端滑模存在的奇異性問題；
43、干擾補償模塊，用于抵消由外部擾動和未建模的動力學引起的集總擾動；
44、偏差轉換模塊，用于將農業機械當前位置坐標與當前最近的期望路徑坐標轉換成橫向偏差、航向偏差。
45、一種考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制裝置，其特征在于，包括：
46、上位機，用于設計控制程序并記錄實驗數據；
47、rtk信號基站，用于獲取農業機械當前工作場景的全局位置信息；
48、路徑規劃單元，用于設計農業機械需要跟蹤的期望路徑，并根據車輛實時的位置信息計算出橫向偏差與航向偏差信息；
49、衛星導航定位系統，用于實時獲取農業機械的位置信息；
50、串口通信單元，用于實現農業機械各部分間的通信，對各項信息的接收與發送；
51、硬件控制單元，接收橫向偏差與航向偏差信息，計算控制程序并輸出轉角控制命令；車輛控制單元，用于執行農業機械的轉角命令，實現車輛前進與轉彎。
52、本專利技術所實現的有益效果在于：
53、1、使用滑模切換調節器解決本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述偏差運動模型為：
3.根據權利要求2所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述不對稱飽和函數為：
4.根據權利要求3所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述快速固定時間控制器通過如下快速固定時間滑模構造：
5.根據權利要求4所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述自適應增益為：
6.根據權利要求4所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述滑模切換調節器為：
7.根據權利要求6所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，輸入飽和輔助函數θ具有如下形式：
8.根據權利要求7所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在
9.一種實現權利要求1-8任一項所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法的系統，其特征在于，包括：
10.一種實現權利要求1-8任一項所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法的裝置，其特征在于，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述偏差運動模型為：
3.根據權利要求2所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述不對稱飽和函數為：
4.根據權利要求3所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述快速固定時間控制器通過如下快速固定時間滑模構造：
5.根據權利要求4所述的考慮輸入飽和的快速固定時間無人駕駛農機路徑跟蹤控制方法，其特征在于，所述自適應增益為：
6.根據權利...
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