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      用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法與流程

      文檔序號(hào):11153518閱讀:來源:國知局

      技術(shù)特征:

      1.一種用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法,其特征在于,

      步驟1:輸入農(nóng)機(jī)的作業(yè)模式;

      步驟2:獲取農(nóng)機(jī)所處環(huán)境的地理信息,根據(jù)農(nóng)機(jī)實(shí)際的作業(yè)模式選擇對(duì)應(yīng)的掉頭路徑;

      步驟3:農(nóng)機(jī)在前進(jìn)過程中,農(nóng)機(jī)通過傳感器獲得農(nóng)機(jī)位置信息,使用預(yù)瞄和PI控制器組合起來計(jì)算當(dāng)前的前輪轉(zhuǎn)向角,控制農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向角實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)掉頭。

      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法,其特征在于,步驟1中,農(nóng)機(jī)的作業(yè)模式包括播種和耕地;步驟2中,播種情況下對(duì)應(yīng)的掉頭路徑為多線型路徑一,耕地情況下對(duì)應(yīng)的掉頭路徑包括交叉型路徑、圓弧路徑和多線型路徑二,且根據(jù)不同的犁具寬度選擇不同的掉頭路徑,犁具寬度包括小寬幅、中寬幅和大寬幅,小寬幅、中寬幅和大寬幅作業(yè)模式下對(duì)應(yīng)的掉頭路徑分別為交叉型路徑、圓弧路徑和多線型路徑二,小寬幅對(duì)應(yīng)的犁具寬度的數(shù)值范圍為Rmin<W<1.5Rmin,中寬幅對(duì)應(yīng)的犁具寬度的數(shù)值范圍為1.5Rmin<W≤2Rmin,大寬幅對(duì)應(yīng)的犁具寬度的數(shù)值范圍為W>2Rmin,Rmin為農(nóng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)彎半徑,W為犁具寬度。

      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法,其特征在于:所述多線型路徑一由直線段一、圓弧段一和圓弧段二組成,圓弧段一和圓弧段二相切且對(duì)應(yīng)的半徑相同,農(nóng)機(jī)依次經(jīng)過直線段一、圓弧段一和圓弧段二實(shí)現(xiàn)掉頭;所述交叉型路徑由圓弧段三、直線段二和圓弧段四組成,圓弧段三和圓弧段四相交且關(guān)于直線段一的中心對(duì)稱,圓弧段三和圓弧段四的半徑大小相同,農(nóng)機(jī)依次經(jīng)過圓弧段三、直線段二和圓弧段四實(shí)現(xiàn)掉頭;所述圓弧路徑由圓弧段五、圓弧段六和圓弧段七組成,所述圓弧段六分別和圓弧段五、圓弧段七相切,所述圓弧段五和圓弧段七關(guān)于圓弧段六的中心線對(duì)稱設(shè)置,農(nóng)機(jī)依次經(jīng)過圓弧段五、圓弧段六和圓弧段七實(shí)現(xiàn)掉頭;所述多線型路徑二由圓弧段八、直線段三和圓弧段九組成,圓弧段八和圓弧段九關(guān)于直線段三的中心線對(duì)稱設(shè)置,農(nóng)機(jī)依次經(jīng)過圓弧段八、直線段九和圓弧段九實(shí)現(xiàn)掉頭。

      4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法,其特征在于,所述多線型路徑一的各個(gè)線段的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

      (1)

      其中,R1為圓弧段一對(duì)應(yīng)的半徑,R2為圓弧段二對(duì)應(yīng)的半徑,AE為直線段一的長度,AC為農(nóng)機(jī)開始轉(zhuǎn)彎的后軸中心與農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)彎結(jié)束的后軸中心間連接線段的長度;

      所述交叉型路徑一的各個(gè)線段的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

      (1-2)

      其中,R3為圓弧段三對(duì)應(yīng)的半徑,R4為圓弧段四對(duì)應(yīng)的半徑,C1D1為直線段二的長度,A1B1農(nóng)機(jī)開始轉(zhuǎn)彎的后軸中心與農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)彎結(jié)束的后軸中心間連接線段的長度;

      所述圓弧路徑的各個(gè)線段的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

      (1-3)

      其中,Rt為圓弧段五、圓弧段六和圓弧段七對(duì)應(yīng)的半徑,圓弧段五、圓弧段六和圓弧段七的圓心的連線構(gòu)成三角形,β為圓弧段六的圓心分別與圓弧段五和圓弧段七的圓心連線之間的夾角,α為圓弧段五的圓心分別與圓弧段六和圓弧段七的圓心連線之間的夾角,γ為圓弧段七的圓心分別與圓弧段五和圓弧段六的圓心連線之間的夾角;

      所述多線型路徑二的各個(gè)線段的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:

      (1-4)

      其中,R5為圓弧段八對(duì)應(yīng)的半徑,R6為圓弧段九對(duì)應(yīng)的半徑,B2C2為直線段三的長度,A2D2為圓弧段八的圓心和圓弧段九的圓心的連線。

      5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法,其特征在于,步驟3中,利用預(yù)瞄控制器計(jì)算出理論前輪轉(zhuǎn)角,具體的為,確定農(nóng)機(jī)的前視距離l,取路徑上的一點(diǎn)為預(yù)瞄點(diǎn)(x0,y0),R為前視距離對(duì)應(yīng)的圓弧段的半徑,l、R和x之間的關(guān)系式為:

      (2-1)

      將農(nóng)機(jī)簡化為二輪車,建立農(nóng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型:

      (2-2)

      根據(jù)阿克曼轉(zhuǎn)向幾何關(guān)系,農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑和前輪轉(zhuǎn)角、軸距的關(guān)系式為:

      (2-3)

      將(3-2)和(3-3)結(jié)合起來得到理論轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式為:

      (2-4)

      其中,θ為農(nóng)機(jī)的航向偏差角,農(nóng)機(jī)后軸中心記為點(diǎn)A,農(nóng)機(jī)后軸中心A和預(yù)瞄點(diǎn)P連線記為AP,航向偏差角為農(nóng)機(jī)航向與AP之間的夾角,δ為農(nóng)機(jī)的理論前輪轉(zhuǎn)角,L為農(nóng)機(jī)的軸距,v為農(nóng)機(jī)的行駛速度,設(shè)定的曲線路徑上距離農(nóng)機(jī)中心最近的點(diǎn)記為M。

      6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的避障路徑規(guī)劃及其控制方法,其特征在于,步驟3中,使用PI控制方法計(jì)算出補(bǔ)償前輪轉(zhuǎn)角,具體的包括以下步驟:

      (301)根據(jù)農(nóng)機(jī)的位置和預(yù)瞄點(diǎn)得到農(nóng)機(jī)的航向偏差角θ作為PI的誤差輸入e(k);

      (302)計(jì)算出當(dāng)前的積分累計(jì)誤差;

      (303)PI控制輸出補(bǔ)償前輪轉(zhuǎn)角,補(bǔ)償前輪轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式為:

      (3)

      其中,Kp為比例增益,Ki為積分增益,e(i)i時(shí)間點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的誤差輸入,k為總采樣時(shí)間點(diǎn)數(shù),u(k)為PI控制的輸出,具體的為當(dāng)前的補(bǔ)償前輪轉(zhuǎn)角。

      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法,步驟3中,使用預(yù)瞄和PI控制器組合起來計(jì)算當(dāng)前的前輪轉(zhuǎn)向角具體的為,通過預(yù)瞄控制器計(jì)算得到理論前輪轉(zhuǎn)角,PI控制器計(jì)算得到補(bǔ)償前輪轉(zhuǎn)角,將理論前輪轉(zhuǎn)角和補(bǔ)償前輪轉(zhuǎn)角相加后得到實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角,將實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)輸出給農(nóng)機(jī)模型,控制農(nóng)機(jī)的前輪轉(zhuǎn)角實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動(dòng)避障。

      8.根據(jù)權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)、6或7所述的用于農(nóng)機(jī)無人駕駛的田間掉頭路徑規(guī)劃及其控制方法,其特征在于,所述傳感器包括位置傳感器和角度傳感器,所述角度傳感器檢測(cè)農(nóng)機(jī)的轉(zhuǎn)向角,所述位置傳感器獲得農(nóng)機(jī)的位置信息;農(nóng)機(jī)的前后側(cè)分別設(shè)有視覺機(jī)器相機(jī),所述視覺機(jī)器相機(jī)獲取農(nóng)機(jī)所處環(huán)境的地理信息。

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