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        履帶車自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究*

        2021-03-11 13:26:10王曉麗孫曉莉王谞衡
        科學與信息化 2021年6期
        關(guān)鍵詞:模型設(shè)計

        王曉麗 孫曉莉 王谞衡

        甘肅機電職業(yè)技術(shù)學院 甘肅 天水 741001

        1 緒論

        1.1 課題背景及意義

        二十世紀六十年控制論提出以后,其在軍工以及航空等領(lǐng)域均具有很大的幫助[1],所以各個國家均對這一理論的研究十分看重,在此之前,自適應(yīng)方面主要還是以對線性的討論為主,接著人們對于這種可以近似化簡的線性系統(tǒng)的控制進行了優(yōu)化,一直到現(xiàn)在,針對那些更加繁雜的系統(tǒng),提出了更加復雜的控制辦法,Backstepping算法就是其中之一。

        1.2 研究現(xiàn)狀

        在最近幾年,backstepping自適應(yīng)控制成為自適應(yīng)控制理論和應(yīng)用方面的前沿課題之一,尤其是在對線性以及某些非線性系統(tǒng)的問題的處理上,backstepping算法在改善過度品質(zhì)方面擁有著較大的潛力,backstepping算法自適應(yīng)控制的應(yīng)用不僅在航天領(lǐng)域中,更是在電機控制、船舶控制、機器人控制、液壓控制等許多工業(yè)控制領(lǐng)域均在國內(nèi)外有著大量報道。

        在國內(nèi),劉勇、卜仁祥等人針對船舶航跡控制模型的非線性特性,研究無外界干擾是船舶的運動數(shù)學模型,對航向偏差進行設(shè)計,利用backstepping方法和李雅普諾夫直接法設(shè)計出直線航跡控制器,可以使船舶航向偏差和航跡偏差很快的穩(wěn)定在平衡點航跡偏差幾乎沒有抖震,說明利用backstepping算法設(shè)計的船舶航向自適應(yīng)控制器航跡跟蹤控制效果理想[2]。

        趙越南、劉志遠則在分析車輛縱向動力學模型和輪胎的動力學模型的基礎(chǔ)上,建立了車輛非線性模型,將跟蹤問題轉(zhuǎn)換為鎮(zhèn)定問題,引入跟蹤誤差和誤差積分項,應(yīng)用backstepping(反向遞推)算法,將其與被控對象的動力學模型共同建立新的被控對象模型,最終得到系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制率[3]。

        2 履帶車自適應(yīng)控制系統(tǒng)

        2.1 自適應(yīng)控制流程設(shè)計

        設(shè)計系統(tǒng)的輸入變量為履帶車預期行走路徑(xr,yr,θr)以及速度(vr,ωr),輸出變量為兩側(cè)履帶的轉(zhuǎn)速vl,vr,并指出路徑轉(zhuǎn)換模塊主要是基于Backstepping方法設(shè)計出合適的控制律,對當前位姿和期望位姿的偏差進行分析,及時修正其左右履帶的轉(zhuǎn)速,促使履帶車快速行駛?cè)胍?guī)定的路徑中。

        2.2 履帶車自適應(yīng)控制律研究

        創(chuàng)建一個大的坐標系{x,o,y},用以代表履帶車的行駛路面,再以履帶車車體中心C作為坐標原點建立跟隨履帶車移動的坐標系{L,C,D},履帶車的正面,也就是前進的方向是該坐標系的X軸CL,OD與履帶車行進方向成九十度,作為其坐標系中的Y軸,履帶車兩邊履帶的行進速度為vL和vR,這兩個量的指向與行進指向相同,θ是履帶車的坐標系與路面坐標系形成的夾角,設(shè)定車體的寬度是D,履帶寬度是d。

        通過對履帶車的運動學分析可知:

        履帶車運動t時刻時的狀態(tài),運動狀態(tài)為:

        履帶車局部坐標系中的線速度和角速度。

        逆變換后可得:

        履帶車的轉(zhuǎn)向半徑R為:

        由式(2.4)可知:①當vl=vr時,左右履帶轉(zhuǎn)速相同,則履帶車保持直線行駛;②當vl=-vr時,左右履帶轉(zhuǎn)速相等但是一個正轉(zhuǎn)一個反轉(zhuǎn),這時履帶車在原地以車身幾何中心為原點進行旋轉(zhuǎn);③當vl≠vr時,R≠0,即履帶車轉(zhuǎn)彎。

        履帶車運動時利用左右履帶的轉(zhuǎn)速差進行轉(zhuǎn)向,履帶車位姿示意如圖1所示。

        履帶車誤差與期望位姿、當前位姿的坐標誤差的關(guān)系如下:

        根據(jù)backstepping算法推導出控制律s為:

        圖1 履帶車位姿示意圖

        由履帶車的幾何學關(guān)系可以推出履帶車線速度和角速度轉(zhuǎn)換成左右履帶速度以及履帶車左右履帶行駛速度轉(zhuǎn)換為履帶車路徑(xc,yc,θc)的轉(zhuǎn)換率為:

        為了減少由于人工計算所帶來的誤差,經(jīng)過多次試驗,考慮到期望路徑(xr,yr,θr)和期望角速度vr、期望線速度ωr均需要輸入,且它們之間的關(guān)系需要手動通過式(2.33)推導計算:

        將履帶車控制仿真模型中的所有輸入模型用式(2.9)統(tǒng)一為vr、ωr作為輸入,路徑輸入(xr,yr,θr)利用上式進行轉(zhuǎn)換。

        通過對履帶車自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計,及履帶車模型仿真,可知履帶行走平穩(wěn),達到設(shè)計要求。

        3 結(jié)束語

        通過對backstepping算法的進一步優(yōu)化,設(shè)計的履帶車控制系統(tǒng),經(jīng)過對系統(tǒng)仿真可知,此系統(tǒng)可以保證履帶行走控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時此自適應(yīng)控制系統(tǒng)在前方車輛加、減速及勻速運動的情況下均有良好的控制效果。

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