拖拉机自动转向最优控制方法的研究

摘 要：拖拉机的转向控制是实现其自动驾驶的重要环节，而拖拉机自动驾驶（自动转向）控制点的选择将直接影响其工作效果。分析讨论控制点的选择，建立起以拖拉机跟踪直线行驶时的运动学模型和动力学模型，并针对这2种模型，研究其自动转向最优控制方法具有很强的现实意义。

关键词：拖拉机；自动转向；最优控制；研究

中图分类号：S219 文献标识码：A

拖拉机的自动转向技术发展至今已经有近1个世纪的时间，20世纪90年代以来，传感器、计算机、车辆等相关技术得到不断发展与完善，这使得拖拉机自动转向技术也得到了明显的发展。拖拉机在实现各种机械化作业过程中充当动力这一重要角色，尤其是在农业生产中被广泛应用，是一种重要的动力机械。拖拉机与副装的、牵引的各种农具搭配在一起能够完成大部分的田间作业，更好的实现精耕细作。然而，在实际生产生活当中，由于拖拉机的作业环境非常复杂，农机操作手水平有限等各种因素，拖拉机的优越性没有得到足够的体现，对此，研究拖拉机的自动驾驶技术相当关键，而自动转向是自动驾驶的重要一环。下面对拖拉机自动转向最优控制方法相关内容进行简单分析：

1 选择控制点

拖拉机作为一种动力装备，主要是牵引附带的机械前行。要对其自动转向最优控制方法进行研究。因此，控制点的选择位置应该处于拖拉机后轴中心上（质心），通过对此位置的控制实现自动转向。选择这个关键控制点，可以很好避免分析、研究拖拉机所受到的各个方向不同的力而使得研究对象简单化。只要针对其质心就能够建立起拖拉机运行的动力学方程，再推导出相应的运动学关系式，就能够实现对其自动转向最优控制方法的研究。

2 两种研究模型

2.1 拖拉机动力学模型

选择质心处为控制点，并且借助线性代数的知识建立数学模型进行研究。动力学模型的研究需要测量计算的物理量有：拖拉机的质量m、拖拉机绕质心横向摆动的转动惯量M、前后轮中心距离质心的距离L1和L2、拖拉机行驶速度v、前轮所受滚动阻力F、前后轮的侧偏刚度K1和K2、拖拉机横摆角速度w等；然后对所得的各种参数进行系统分析。

2.2 拖拉机运动学模型

运动学模型是一个理想的模型，为了某一问题方便研究，假想拖拉机在行进途中关于轴线完全对称，即把拖拉机的运动看成平面的刚体做二维运动。这种模型能够为前面的动力学模型研究提供关键性的理论依据，在进行动力学研究其自动转向时，再在此基础上结合实际存在的各种力，可以大大降低转向控制方法研究的难度。

3 最优控制方法的研究

在运动学模型研究中，考察行驶速度对最优控制方法的影响。即可以在测试过程中保持其他变量一定，通过控制变量法设置速度梯度，测试过程中逐渐提升速度，记录下每一组的数据，再绘制成曲线图，确定最佳的行进速度；当实际拖拉机的前行速度总是很低（忽略轮胎侧滑）时，则根据车辆转向原理公式：

R=L/tana

式中，R为转弯半径；L为拖拉机轴距；a为转向轮转角。

很显然，此情况下，拖拉机转弯半径完全由前轮转向角的大小决定，即转向轮转角度直接控制拖拉机的运行轨迹，针对这一情况，确定适当的转向轮转角度，使得侧向偏差和方位偏差趋于最小，从而保证控制的最优性。

选择最优控制器，测试过程中，构造全状态下拖拉机自动转向系统的反馈机制。测试中的可测变量因素，经由传感器、计算机进行处理，同时借助状态观测器对特殊变量进行间接评估，最大程度的实现最优控制。在实际设计控制系统的时候，以保证系统的稳定性为前提，设计只取决于输出的最优控制方案即可。对此，采取的措施就是输出反馈控制法，减少控制程序的计算量以及系统的反应时间。研究自动转向最优控制方法时，各种横向的偏差与航向角应该是同等重视，所以在选取反馈控制系数时以2种模型的平均值为最佳。

4 视觉导航自动转向模糊控制设计

拖拉机在稳定行驶过程中，由于波动很小，可以视为恒定运动系统。拖拉机自动转向控制的实际输入就是其侧向偏差与方位偏差2大因素。视觉导航自动转向模糊控制设计中需要注意的是输出量前轮偏转角度是在假设转向轮和车体中心线夹角为零情况下的输出值，方位偏差值为负时表示拖拉机中心线和跟踪中心线的逆时针夹角，反之则为顺时针夹角。进行模糊控制的优点在于能够添加更改新的控制规则来改善其控制性能，规则制定的原则通常为：误差大的时候，控制量应该尽可能快的减小误差；误差较小时，应该消除误差、充分提高控制系统的稳定性，避免不需要的超调和振荡。

5 结语

拖拉机自动转向控制的研究有利于更深入的了解其特点，实现更好的操控、充分提高拖拉机的功效。本文从运动学、动力学2个角度研究其自动转向最优控制方法，由于最优控制是一种基于模型的控制方法，拖拉机是一个庞大、结构复杂的非线性控制系统，在研究中，为了减少最优控制参数的误差，降低研究的复杂程度，采用仿真、取平均值等方法。因此，最优控制方法只能是相对而言的更加优越而不是绝对的最优。总之，对于最优控制方法的实用与推广还需更多的实践积累经验。可以肯定的一点是，通过不断的研究与完善、改进，拖拉机自动转向控制方法会越来越优，以适应各种生产（尤其是农业生产）的实际需求。

参考文献

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