基于非线性模型预测控制的农业履带车辆轨迹跟踪控制 曾慧军， 刘世磊， 高鹏， 程尚尚， 高松茂， 陈家宏， 李子杰， 魏子恒， 李振

《Agriculture》：Trajectory Tracking Control of an Agricultural Tracked Vehicle Based on Nonlinear Model Predictive Control Huijun Zeng, Shilei Lyu, Peng Gao, Shangshang Cheng, Songmao Gao, Jiahong Chen, Zijie Li, Ziheng Wei and Zhen Li

　　

摘要

对于在果园中行驶的跟踪农业车辆来说，精确的轨迹跟踪是一个挑战。不平的地形、车轮打滑以及车辆姿态的变化是主要原因，这些因素常常导致模型不匹配和控制性能下降。为了解决这些问题，本文提出了一种改进的非线性模型预测控制（NMPC）策略，并结合了曲率前馈补偿机制，用于在不平坦地形条件下对跟踪农业车辆的轨迹进行控制。通过引入车辆的侧倾角和俯仰角，开发了一个基于瞬时旋转中心的增强运动学模型；同时，利用Levenberg–Marquardt优化方法在线估计车轮打滑参数，以提高预测精度。此外，从参考轨迹中获得的曲率前馈信息被嵌入到NMPC目标函数中，以提供预测性控制输入并减少计算负担。仿真结果表明，与传统的NMPC相比，所提出的方法将跟踪误差的均值和标准差分别降低了30.28%和32.46%，同时将航向误差的均值和标准差降低了37.27%和35.05%。此外，优化解决方案的最大时间也显著缩短，有效解决了由于系统解决方案超时导致的跟踪精度下降问题。在不同负载条件下进行的现场实验进一步验证了所提出的控制策略在减少横向、纵向和航向跟踪误差方面的有效性，证实了其在复杂果园环境中对跟踪农业车辆轨迹控制的可靠性和有效性。