白曉平 王 卓 胡靜濤 高 雷 熊 鋒

(中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)110016)

基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制方法

白曉平 王 卓 胡靜濤 高 雷 熊 鋒

(中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)110016)

面向聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航作業(yè)需求，提出一種基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制方法。該方法在建立收獲機(jī)群運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合反饋線性化及滑?？刂评碚撛O(shè)計(jì)了漸進(jìn)穩(wěn)定的路徑跟蹤控制律和隊(duì)形保持控制律。為驗(yàn)證所提模型及方法的有效性，以4臺(tái)收獲機(jī)組成的收獲機(jī)群為試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制試驗(yàn)。當(dāng)速度為1.0m/s時(shí)，領(lǐng)航者的平均跟蹤誤差為5.81 cm，跟隨者的平均跟蹤誤差為5.93 cm，與單臺(tái)收獲機(jī)的導(dǎo)航控制精度相近，驗(yàn)證了所提方法的可行性和有效性。

收獲機(jī)群;跟隨-領(lǐng)航結(jié)構(gòu);協(xié)同控制;路徑跟蹤;隊(duì)形保持

引言

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)呈現(xiàn)出集約化、規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)了多臺(tái)農(nóng)機(jī)在田間聯(lián)合作業(yè)的集群作業(yè)模式。農(nóng)機(jī)集群作業(yè)模式對(duì)農(nóng)機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，研究多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)是下一代農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一［1－2］。

多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航控制作為多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)的重要內(nèi)容，受到了國(guó)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［3－5］。MOOREHEAD等［6］采用一臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端管理果園中多臺(tái)自主導(dǎo)航拖拉機(jī)、噴藥機(jī)，協(xié)調(diào)多臺(tái)農(nóng)機(jī)協(xié)同完成作業(yè)任務(wù)。JOHNSON等［7］針對(duì)泥苔蘚收獲過(guò)程中，多臺(tái)收獲機(jī)的協(xié)同導(dǎo)航控制問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。HAO等［8］提出了一種收獲機(jī)、運(yùn)糧車(chē)主從協(xié)同方案，收獲機(jī)作為領(lǐng)航者，可以決定運(yùn)糧車(chē)的行為;運(yùn)糧車(chē)作為跟隨者，可根據(jù)領(lǐng)航者的指令調(diào)整自己的位置及航向。ZHU等［9］針對(duì)由兩臺(tái)拖拉機(jī)組成的拖拉機(jī)隊(duì)列，設(shè)計(jì)了一種主從協(xié)同控制方案，針對(duì)兩臺(tái)拖拉機(jī)之間的橫向距離保持問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種LQR控制器，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)隊(duì)列對(duì)直線路徑和曲線路徑的精確跟蹤。NOGUCHI等［10］提出了一種FOLLOW算法，使得從機(jī)可與主機(jī)保持設(shè)定距離和角度跟隨主機(jī)完成作業(yè)任務(wù)。國(guó)內(nèi)關(guān)于農(nóng)機(jī)導(dǎo)航控制的研究主要集中在單臺(tái)農(nóng)機(jī)的導(dǎo)航控制方面，包括基于模型的控制方法［11－17］和非基于模型的控制方法［18－24］。多機(jī)協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)在機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用已較為廣泛，但在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域則鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。畢偉平等［25］設(shè)計(jì)了一種基于雙目視覺(jué)的主從式果園作業(yè)車(chē)輛自主跟隨系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)對(duì)引導(dǎo)車(chē)輛的自動(dòng)跟隨。

鑒于上述分析，面向聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航作業(yè)需求，本文提出一種基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制方法。

1 基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機(jī)群運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

1.1 單臺(tái)收獲機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

在不考慮車(chē)輪與地面相互作用，無(wú)側(cè)傾俯仰、側(cè)滑等運(yùn)動(dòng)的情況下，可將聯(lián)合收獲機(jī)簡(jiǎn)化成二輪車(chē)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖1所示。其中，點(diǎn)M是曲線路徑上距控制點(diǎn)O最近的點(diǎn)。

圖1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型示意圖Fig．1 Kinematicmodel

基于以上運(yùn)動(dòng)學(xué)模型示意圖，結(jié)合幾何知識(shí)及物理規(guī)律［26］，可推導(dǎo)出收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型微分方程組為

式中 c(s)——跟蹤曲線路徑在M點(diǎn)的曲率

當(dāng)收獲機(jī)追蹤的路徑為直線時(shí)，農(nóng)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可表述為

對(duì)式(2)進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算可得到收獲機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型微分方程組為

1.2 收獲機(jī)群運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的收獲機(jī)群以1臺(tái)收獲機(jī)作為領(lǐng)航者，其余收獲機(jī)均作為跟隨者，與領(lǐng)航者保持設(shè)定的橫向距離和縱向距離完成收獲作業(yè)任務(wù)，如圖2所示。

圖2 收獲機(jī)群編隊(duì)作業(yè)示意圖Fig．2 Schematic diagram of harvester group

定義領(lǐng)航者為V0，跟隨者為Vj，可用如圖3所示的領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)模型來(lái)描述收獲機(jī)的編隊(duì)結(jié)構(gòu)。

圖中 LAjLBj——跟隨者的設(shè)定路徑

A0B0——領(lǐng)航者的設(shè)定路徑

圖3 領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)Fig．3 Leader-follower structure

由圖3所示，跟隨者與領(lǐng)航者間的橫向偏差和縱向偏差計(jì)算式為

由式(4)知，領(lǐng)航者與跟隨者僅需追蹤各自的設(shè)定路徑作業(yè)，使得y0→0，yj→0，即可使得跟隨者與領(lǐng)航者的橫向偏差ey→0。

至此，領(lǐng)航者與跟隨者間的橫向距離保持控制問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為領(lǐng)航者、跟隨者的路徑跟蹤問(wèn)題進(jìn)行解決。因此，可依據(jù)式(3)所示的收獲機(jī)橫向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行領(lǐng)航者、跟隨者的路徑跟蹤控制器設(shè)計(jì)。

式(4)中，es對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)

由于在收獲作業(yè)過(guò)程中，領(lǐng)航者和跟隨者均追蹤直線路徑作業(yè)，結(jié)合式(2)和式(5)，可得跟隨者相對(duì)領(lǐng)航者的縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型微分方程為

縱向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為隊(duì)形保持控制器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

2 基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的協(xié)同導(dǎo)航控制方法

根據(jù)第1節(jié)所建立的聯(lián)合收獲機(jī)群運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的協(xié)同導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)分成路徑跟蹤控制器設(shè)計(jì)和隊(duì)形保持控制器設(shè)計(jì)兩部分，控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于跟隨-領(lǐng)航結(jié)構(gòu)的協(xié)同導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)總體框圖Fig．4 Overall block diagram of collaborative navigation controller design based on leader-follower structure

隊(duì)形保持控制的作用就是使各跟隨者與領(lǐng)航者保持設(shè)定縱向距離，即，使收獲機(jī)無(wú)碰撞完成作業(yè)任務(wù)。隊(duì)形保持控制器以各跟隨者與領(lǐng)航者的縱向距離與設(shè)定縱向距離的偏差為輸入，設(shè)計(jì)漸進(jìn)穩(wěn)定的控制器，輸出期望的跟隨者前進(jìn)速度，使各跟隨者與領(lǐng)航者間的縱向距離追蹤設(shè)定值。在該層控制中，采用集中式的控制計(jì)算，領(lǐng)航者根據(jù)各跟隨者的位置及自身的位置計(jì)算縱向距離偏差值及控制量，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將控制量傳遞給需要調(diào)整的跟隨者。

路徑跟蹤控制的作用是使各跟隨者追蹤各自的設(shè)定路徑作業(yè)，從而保持與領(lǐng)航者間橫向距離追蹤設(shè)定值，即。路徑跟蹤控制器以實(shí)際收獲機(jī)位置與設(shè)定路徑的橫向偏差和航向偏差作為輸入，設(shè)計(jì)漸進(jìn)穩(wěn)定的控制器，輸出期望的車(chē)輪轉(zhuǎn)角，使各跟隨者與領(lǐng)航者間的橫向距離追蹤設(shè)定值。在該層控制中采用集中式路徑規(guī)劃和分布式控制量計(jì)算，即集中規(guī)劃?rùn)C(jī)群中各臺(tái)收獲機(jī)的路徑，然后將規(guī)劃好的路徑通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞給各跟隨者，各跟隨者根據(jù)自身的位姿情況，獨(dú)立進(jìn)行各自的路徑跟蹤控制量計(jì)算。

為節(jié)省駕駛室內(nèi)的空間、提高裝置的集成度，將除田間計(jì)算機(jī)外的其余電路集成在導(dǎo)航控制箱內(nèi)，如圖5所示。其中，智能節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)解析航向傳感器和電子尺等外部傳感器的數(shù)據(jù);位姿解析電路負(fù)責(zé)解析高精度定位裝置的定位數(shù)據(jù);導(dǎo)航控制器是路徑跟蹤控制和隊(duì)形保持控制的代碼執(zhí)行載體(硬件電路與智能節(jié)點(diǎn)基本相同);網(wǎng)關(guān)電路負(fù)責(zé)領(lǐng)航者與跟隨者間的通信。

圖5 集成式導(dǎo)航控制箱Fig．5 Integrated navigation control box

2.1 基于積分滑?？刂频年?duì)形保持控制律設(shè)計(jì)

隊(duì)形保持控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)對(duì)跟隨者設(shè)定速度的調(diào)整，使得跟隨者與領(lǐng)航者保持設(shè)定縱向距離前進(jìn)。

隊(duì)形保持控制器采用基于積分滑模面的滑?？刂品椒?，控制器設(shè)計(jì)包括積分滑模面求解和控制律設(shè)計(jì)兩部分。

為消除靜態(tài)偏差，提高滑?？刂凭龋疚倪x取積分滑模面為

式中 es——跟隨者與領(lǐng)航者間實(shí)時(shí)縱向距離偏差

eτ——跟隨者與領(lǐng)航者間歷史縱向距離偏差

kp——比例系數(shù)

kI——積分系數(shù)，為正實(shí)數(shù)

式(12)中，Δvs表示跟隨者速度沿設(shè)定路徑方向分量的增量，將式(12)代入式(11)得

2.2 基于反饋線性化滑?？刂频穆窂礁櫩刂坡稍O(shè)計(jì)

路徑跟蹤控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)對(duì)跟隨者、領(lǐng)航者車(chē)輪轉(zhuǎn)角的控制，使跟隨者、領(lǐng)航者追蹤各自設(shè)定路徑前進(jìn)，從而保持橫向距離，即使y0→0，yj→0。

路徑跟蹤控制器采用基于反饋線性化滑?？刂品椒?，控制器設(shè)計(jì)包括反饋線性化模型求取、線性滑模面求解和控制律設(shè)計(jì)3部分。

為求取等價(jià)線性化模型，首先選取合適的狀態(tài)變量和輸入變量，將式(3)所示的模型轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的仿射非線性模型。

選擇系統(tǒng)輸入變量u=tanσ，系統(tǒng)狀態(tài)變量X=［x1x2］T=［ymθ］T，將式(3)所示的非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)仿射非線性模型

應(yīng)用可反饋線性化定理，得該二維非線性系統(tǒng)是可反饋線性化的。即該二維非線性單輸入系統(tǒng)局部反饋等價(jià)于具有控制器標(biāo)準(zhǔn)型的線性系統(tǒng)。即通過(guò)坐標(biāo)變換

可將原非線性系統(tǒng)變換成線性系統(tǒng)布魯諾夫斯基標(biāo)準(zhǔn)型

經(jīng)過(guò)反饋線性化，得到了系統(tǒng)的反饋線性化模型，可采用線性系統(tǒng)的控制方法設(shè)計(jì)漸進(jìn)穩(wěn)定的控制律。原非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)在原點(diǎn)的鎮(zhèn)定問(wèn)題。

由于系統(tǒng)追蹤參考值 Z*=［z1refz2ref］=［0 0］，可得到以誤差變量E=［e1e2］為狀態(tài)變量的系統(tǒng)狀態(tài)方程為

為解決以上原點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題，選取線性切換函數(shù)為

整理得，系統(tǒng)的滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)方程為

式中 c1——調(diào)節(jié)參數(shù)，為正實(shí)數(shù)

因此，只要保證c1＞0，即可保證滑動(dòng)模態(tài)在原點(diǎn)(0，0)上漸進(jìn)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)c1值，即可調(diào)節(jié)滑動(dòng)模態(tài)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換，可得到原系統(tǒng)的滑模面s(X)

結(jié)合式(23)和式(26)，可得控制律u'為

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)反變換，原系統(tǒng)的控制律為

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文所提模型及方法，將集成研發(fā)的聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)收獲機(jī)上，搭建收獲機(jī)群編隊(duì)控制試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行1臺(tái)領(lǐng)航者與3臺(tái)跟隨者的協(xié)同導(dǎo)航控制試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 協(xié)同導(dǎo)航控制試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig．6 Collaborative navigation control experiment scene

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

作業(yè)過(guò)程中，領(lǐng)航者與跟隨者的行駛速度均為1.0m/s。領(lǐng)航者導(dǎo)航子系統(tǒng)和跟隨者導(dǎo)航子系統(tǒng)均由路徑跟蹤控制器、田間計(jì)算機(jī)、位姿檢測(cè)單元、轉(zhuǎn)向控制器和執(zhí)行裝置構(gòu)成。2個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部各機(jī)載裝置間由CAN總線實(shí)現(xiàn)通信，2個(gè)子系統(tǒng)間由短距無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)。其中位姿檢測(cè)單元包括位置檢測(cè)單元、航向檢測(cè)單元和轉(zhuǎn)角檢測(cè)單元。位置檢測(cè)單元由高精度定位裝置和智能節(jié)點(diǎn)組成，高精度定位裝置實(shí)時(shí)采集收獲機(jī)的位置信息，采樣頻率為5 Hz，定位精度為1 cm。航向檢測(cè)單元由MTI和智能節(jié)點(diǎn)組成，MTI實(shí)時(shí)采集收獲機(jī)的航向信息，采樣頻率為100 Hz，測(cè)量精度為1°。轉(zhuǎn)向角檢測(cè)單元由電子尺和智能節(jié)點(diǎn)組成，檢測(cè)精度為1°。試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示。

3.2 路徑規(guī)劃

選擇長(zhǎng)為200 m左右的田塊MNPQ，如圖8中虛線所示。AB表示領(lǐng)航者設(shè)定路徑，A1B1表示第1臺(tái)跟隨者設(shè)定路徑，A2B2表示第2臺(tái)跟隨者設(shè)定路徑，A3B3表示第3臺(tái)跟隨者設(shè)定路徑。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig．7 Experimental system

圖8 路徑規(guī)劃示意圖Fig．8 Schematic diagram of path planning

以領(lǐng)航者路徑為基準(zhǔn)，采用AB線偏移的方法依次規(guī)劃出跟隨者路徑，并將跟隨者路徑通過(guò)無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)送給跟隨者。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1)打開(kāi)試驗(yàn)相關(guān)的高精度定位裝置基準(zhǔn)站系統(tǒng)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)記錄系統(tǒng)，并進(jìn)行航向傳感器的磁場(chǎng)校正和磁偏角補(bǔ)償。

(2)將領(lǐng)航者與跟隨者?？吭诟髯詫?dǎo)航路徑AB線的A端內(nèi)側(cè)，并使車(chē)輛盡量停靠在AB線上。

(3)開(kāi)動(dòng)領(lǐng)航者，并啟動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，進(jìn)行領(lǐng)航者路徑追蹤。跟隨者計(jì)算沿導(dǎo)航路徑AB線方向與領(lǐng)航者的距離，到達(dá)設(shè)定距離后啟動(dòng)跟隨者導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)行跟隨者路徑跟蹤。同時(shí)，使用高精度定位裝置記錄領(lǐng)航者與跟隨者的作業(yè)軌跡。

(4)當(dāng)領(lǐng)航者到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，提示駕駛員停止路徑跟蹤，駕駛員通過(guò)人機(jī)界面停止路徑追蹤，恢復(fù)人工駕駛;同樣，當(dāng)跟隨者到達(dá)設(shè)定點(diǎn)B結(jié)束一次直線路徑追蹤試驗(yàn)。

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)，重復(fù)試驗(yàn)5次。

3.4 數(shù)據(jù)采集

以架設(shè)在聯(lián)合收獲機(jī)上的高精度定位裝置(定位精度為1 cm)的定位數(shù)據(jù)作為收獲機(jī)的實(shí)際行駛軌跡，對(duì)路徑追蹤試驗(yàn)時(shí)記錄下的行駛軌跡與目標(biāo)路徑進(jìn)行誤差分析，試驗(yàn)時(shí)平均偏差為

式中 (x0，y0)——軌跡點(diǎn)坐標(biāo)

n——軌跡點(diǎn)數(shù) e——平均偏差di——第i個(gè)軌跡點(diǎn)的橫向偏差

di——第i個(gè)軌跡點(diǎn)的橫向偏差

3.5 結(jié)果分析

領(lǐng)航者跟蹤平均偏差為5.81 cm，如表1所示。跟隨者平均跟蹤偏差為5.93 cm，如表2所示。

表1 領(lǐng)航者橫向跟蹤誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab．1 Lateral tracking error statistics of leader cm

表2 跟隨者橫向跟蹤誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab．2 Lateral tracking error statistics of follower cm

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文所提方法進(jìn)行收獲機(jī)群編隊(duì)，領(lǐng)航者與跟隨者的平均偏差均小于6 cm，最大偏差均小于15 cm。單機(jī)導(dǎo)航的平均偏差一般為5 cm左右［27－28］，從導(dǎo)航精度來(lái)看，機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航與單機(jī)導(dǎo)航相近。但是，機(jī)群導(dǎo)航更易實(shí)現(xiàn)機(jī)群間多臺(tái)農(nóng)機(jī)信息共享、機(jī)群間多臺(tái)農(nóng)機(jī)間協(xié)同作業(yè)，可提高多臺(tái)農(nóng)機(jī)的大面積作業(yè)能力，便于管理，對(duì)實(shí)現(xiàn)收割、耕整地等大面積作業(yè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化具有重要的推動(dòng)作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制問(wèn)題，提出了一種基于領(lǐng)航-跟隨結(jié)構(gòu)的聯(lián)合收獲機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制方法。該方法將協(xié)同導(dǎo)航控制問(wèn)題解耦成橫向距離保持控制和縱向距離保持控制2個(gè)子問(wèn)題進(jìn)行解決，并采用滑模控制理論設(shè)計(jì)了漸進(jìn)穩(wěn)定的路徑保持控制律和隊(duì)形保持控制律。試驗(yàn)結(jié)果表明:領(lǐng)航者與跟隨者的平均偏差均小于6 cm，導(dǎo)航控制精度與單機(jī)導(dǎo)航相近，驗(yàn)證了本文所提方法的可行性和有效性。但是，本文僅對(duì)機(jī)群田間作業(yè)過(guò)程中的協(xié)同導(dǎo)航控制問(wèn)題進(jìn)行了研究，未涉及地頭轉(zhuǎn)向過(guò)程中機(jī)群的協(xié)同導(dǎo)航控制問(wèn)題。因此，下一步工作將重點(diǎn)對(duì)地頭轉(zhuǎn)向過(guò)程中機(jī)群協(xié)同導(dǎo)航控制問(wèn)題進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)機(jī)群連續(xù)自主收割作業(yè)目標(biāo)。

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Harvester Group Corporative Navigation Method Based on Leader-Follower Structure

BAIXiaoping WANG Zhuo HU Jingtao GAO Lei XIONG Feng
(Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

With the improvement of the farm mechanization level，more‘corporate’style farming emerged．For example，more than one harvester collaborated with each other to complete the task of harvesting operations．The new‘corporate’style farming created several new challenges for the agricultural machinery navigation，and the group navigation was the trend of the development of agricultural machinery navigation technology．Group collaborative navigation control is the critical technical problem to be resolved．In order to solve this problem，a collaborative navigation controlmethod based on the leader-follower structure was proposed．Firstly，the harvester group based on master-slave structure was introduced，and a kinematics model of harvester group was established on the basis of kinematics analysis．Secondly，a formation keeping control law and a path following control law were designed on the basis of feedback linearization and slidingmode control theory．Finally，in order to verify the effectiveness of the proposed model and method，the formation experiments were carried out．When the leader and follower ran at speed of 1.0 m/s，the average error of the leader and follower were respectively 5.81 cm and 5.93 cm．The experimental results showed that the average navigation errors of the harvester group were similar to the average navigation error of a single farm machinery，and the proposed method could meet the harvester navigation demand．

harvester group;leader-follower structure;collaborative control;path following;formation keeping

TP24

A

1000-1298(2017)07-0014-08

2016-11-17

2016-12-20

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701903)和遼寧省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2015104005)

白曉平(1986—)，男，助理研究員，博士，主要從事農(nóng)機(jī)導(dǎo)航研究，E-mail:baixiaopin@sia．cn

胡靜濤(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)作業(yè)控制技術(shù)研究，E-mail:hujingtao@sia．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．002