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摘要 为提高拖拉机在自主导航行驶中转向跟踪控制的响应特性和稳定性，设计了以拖拉机前轮转角偏差和偏差变化率为输入，以电机控制电压和PID 3个控制参数为输出的模糊控制器，结合PID控制器实现前轮转角偏差大于10°时采用模糊控制和转角偏差小于等于10°时采用自适应模糊PID控制。仿真结果表明，采用复合模糊PID控制器在前轮转角偏差较大变化范围内均能实现快速和准确的转向跟踪。
关键词 拖拉机；复合模糊PID；转向跟踪
中图分类号 S219 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）25-08843-03
Abstract In order to improve the response characteristic and stability of tractor steering tracking control in autonomous navigation， design of the fuzzy controller， on the error and error change rate of the tractor front wheel as input， using three control parameters of PID and the motor control voltage as output， combined with PID controller to realize the front wheel angle deviation is greater than 10 ° using fuzzy control and angle deviation is less than or equal to 10 ° using adaptive fuzzy PID control. The simulation results show that， in a large range front wheel angle deviation within the compound fuzzy PID controller can achieve fast and precise steering track.
Key words Tractor； Compound fuzzy PID； Track steering
农用车辆自主导航技术极大地促使农业生产迈向自动化和智能化发展，已成为各国研究的热点之一。转向跟踪控制技术是农用车辆实现自主转向进而实现自主导航控制的重要基础[1]。将我国在农业生产中普遍使用的拖拉机作为研究对象，实现拖拉机优良转向跟踪控制具有现实意义。Garcda L改造设计了自动液压转向系统，利用模糊控制和遗传算法对农用车辆进行自主导航控制[2]。连世江分别设计了PID控制器和模糊控制器对拖拉机自主转向控制进行了研究，提高了转向控制性能[3]。该文利用模糊控制理论、自适应PID控制理论设计复合模糊PID控制器，对拖拉机转向跟踪的响应特性和稳态特性进行研究，通过仿真寻找快速和精确的转向跟踪控制方法。
1 拖拉机转向跟踪控制系统的结构原理
在拖拉机自主导航行驶过程中，拖拉机实际位置与目标位置之间的横向偏差越小，越能保证拖拉机沿目标路径行驶。根据车辆运动方程，横向偏差是由车辆航向角偏差引起的，而航向角偏差的产生又和前轮转角的变化直接相关[4]。可见，建立在控制前轮转角变化基础之上的拖拉机优良转向跟踪特性是实现准确自主导航的关键。
为达到节能环保的效果，拖拉机自主转向执行机构的动力由直流电动机提供。车载计算机获取拖拉机航向角偏差和横向偏差，在进行路径规划后输出目标前轮转角。转角传感器根据拖拉机状态实时采集前轮实际转角值。复合模糊PID控制器根据输入的前轮目标转角与实际转角偏差和偏差变化率按照一定的算法输出电压信号，控制电机的转向和转速，进而驱动自主转向执行机构动作，实现前轮实际转角快速、精确跟踪目标转角。拖拉机转向跟踪控制系统的结构原理如图1所示。
2 复合模糊PID控制器设计
控制器是拖拉机实现优良转向跟踪特性的关键，设计控制器时要考虑被控对象的机械结构特点和所处工作环境。在控制方法中，PID控制和模糊控制因其自身的特点得到广泛的应用。将这两种控制方法的优点相结合，设计出了复合模糊PID控制器。
2.1 控制策略原理分析
PID 控制又称偏差控制，他对输入系统的偏差值，按照比例、微分与积分函数关系进行运算，并将计算结果的加权和作为系统的控制量对受控对象施加控制。模糊控制是以模糊集合理论和模糊逻辑推理为基础，把自然语言表述的知识和控制经验，通过模糊理论转换成数学模型进行控制。PID 控制方法在建立被控对象的准确数学模型和对控制参数合理设定后具有稳态特性好和控制精度高等优点。模糊控制方法不需要建立精确的数学模型且具有响应速度快、自适应和抗干扰能力强等优点。
拖拉机转向系统结构复杂很难建立精确的数学模型，加上农业生产过程中干扰因素较多，要想获得优良转向特性，需采用复合控制方法。拖拉机转向跟踪控制策略原理如图3所示。当前轮转角偏差大于10°时，发挥模糊控制器响应速度快的优点对偏差快速调节；当前轮转角偏差被调节到小于等于10°时，发挥模糊控制的自适应性和PID控制的精确性，利用自适应模糊PID控制器对前轮转角精准调节。这同时也解决了使用模糊控制时，当偏差控制范围过大，由于有限的模糊论域量化等级，使系统产生静态偏差的问题。
4 结论
将模糊控制方法响应迅速和自适应性强的优点与PID控制方法稳态特性好和控制精度高的优点结合起来，用于拖拉机前轮不同转角偏差下的转向跟踪控制。通过仿真与传统PID控制方法比较，在前轮目标转角为5°和15°时，调节时间均小于1s，超调量分别降低0.28°和2.7°。表明所设计的复合模糊PID控制器具有良好的跟踪转向性能，可以应用到拖拉机转向控制系统中。
参考文献
[1] KEICHER R，SEUFERT H.Automatic guidance for agricultural vehicles in Europe[J].Computers and Electronics in Agriculture ，2000，25：169-194.
[2] GARCIA L，GARCIA M.An agent of behaviour architecture for unmanned control of a farming vehicle[J].Computers and Electronics in Agriculture，2008，60（1）：39-48.
[3] 连世江，陈军，贾海政，等.基于模糊控制的拖拉机转向跟踪控制研究[J].西北农林科技大学学报，2009，37（9）：224-227.
[4] 王友权，周俊，姬长英，等.基于自主导航和全方位转向的农用机器人设计[J].农业工程学报，2008，24（7）：110-113.
[5] 任文涛，迟德霞，刘金波，等.遥控插秧机自动转向系统设计与试验[J].农业机械学报，2012，43（1）：175-178.
[6] 范长胜，郭艳玲.沙滩车EPS系统助力电机控制算法研究[J].湖北汽车工业学院学报，2013，27（3）：34-37.
关键词 拖拉机；复合模糊PID；转向跟踪
中图分类号 S219 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）25-08843-03
Abstract In order to improve the response characteristic and stability of tractor steering tracking control in autonomous navigation， design of the fuzzy controller， on the error and error change rate of the tractor front wheel as input， using three control parameters of PID and the motor control voltage as output， combined with PID controller to realize the front wheel angle deviation is greater than 10 ° using fuzzy control and angle deviation is less than or equal to 10 ° using adaptive fuzzy PID control. The simulation results show that， in a large range front wheel angle deviation within the compound fuzzy PID controller can achieve fast and precise steering track.
Key words Tractor； Compound fuzzy PID； Track steering
农用车辆自主导航技术极大地促使农业生产迈向自动化和智能化发展，已成为各国研究的热点之一。转向跟踪控制技术是农用车辆实现自主转向进而实现自主导航控制的重要基础[1]。将我国在农业生产中普遍使用的拖拉机作为研究对象，实现拖拉机优良转向跟踪控制具有现实意义。Garcda L改造设计了自动液压转向系统，利用模糊控制和遗传算法对农用车辆进行自主导航控制[2]。连世江分别设计了PID控制器和模糊控制器对拖拉机自主转向控制进行了研究，提高了转向控制性能[3]。该文利用模糊控制理论、自适应PID控制理论设计复合模糊PID控制器，对拖拉机转向跟踪的响应特性和稳态特性进行研究，通过仿真寻找快速和精确的转向跟踪控制方法。
1 拖拉机转向跟踪控制系统的结构原理
在拖拉机自主导航行驶过程中，拖拉机实际位置与目标位置之间的横向偏差越小，越能保证拖拉机沿目标路径行驶。根据车辆运动方程，横向偏差是由车辆航向角偏差引起的，而航向角偏差的产生又和前轮转角的变化直接相关[4]。可见，建立在控制前轮转角变化基础之上的拖拉机优良转向跟踪特性是实现准确自主导航的关键。
为达到节能环保的效果，拖拉机自主转向执行机构的动力由直流电动机提供。车载计算机获取拖拉机航向角偏差和横向偏差，在进行路径规划后输出目标前轮转角。转角传感器根据拖拉机状态实时采集前轮实际转角值。复合模糊PID控制器根据输入的前轮目标转角与实际转角偏差和偏差变化率按照一定的算法输出电压信号，控制电机的转向和转速，进而驱动自主转向执行机构动作，实现前轮实际转角快速、精确跟踪目标转角。拖拉机转向跟踪控制系统的结构原理如图1所示。
2 复合模糊PID控制器设计
控制器是拖拉机实现优良转向跟踪特性的关键，设计控制器时要考虑被控对象的机械结构特点和所处工作环境。在控制方法中，PID控制和模糊控制因其自身的特点得到广泛的应用。将这两种控制方法的优点相结合，设计出了复合模糊PID控制器。
2.1 控制策略原理分析
PID 控制又称偏差控制，他对输入系统的偏差值，按照比例、微分与积分函数关系进行运算，并将计算结果的加权和作为系统的控制量对受控对象施加控制。模糊控制是以模糊集合理论和模糊逻辑推理为基础，把自然语言表述的知识和控制经验，通过模糊理论转换成数学模型进行控制。PID 控制方法在建立被控对象的准确数学模型和对控制参数合理设定后具有稳态特性好和控制精度高等优点。模糊控制方法不需要建立精确的数学模型且具有响应速度快、自适应和抗干扰能力强等优点。
拖拉机转向系统结构复杂很难建立精确的数学模型，加上农业生产过程中干扰因素较多，要想获得优良转向特性，需采用复合控制方法。拖拉机转向跟踪控制策略原理如图3所示。当前轮转角偏差大于10°时，发挥模糊控制器响应速度快的优点对偏差快速调节；当前轮转角偏差被调节到小于等于10°时，发挥模糊控制的自适应性和PID控制的精确性，利用自适应模糊PID控制器对前轮转角精准调节。这同时也解决了使用模糊控制时，当偏差控制范围过大，由于有限的模糊论域量化等级，使系统产生静态偏差的问题。
4 结论
将模糊控制方法响应迅速和自适应性强的优点与PID控制方法稳态特性好和控制精度高的优点结合起来，用于拖拉机前轮不同转角偏差下的转向跟踪控制。通过仿真与传统PID控制方法比较，在前轮目标转角为5°和15°时，调节时间均小于1s，超调量分别降低0.28°和2.7°。表明所设计的复合模糊PID控制器具有良好的跟踪转向性能，可以应用到拖拉机转向控制系统中。
参考文献
[1] KEICHER R，SEUFERT H.Automatic guidance for agricultural vehicles in Europe[J].Computers and Electronics in Agriculture ，2000，25：169-194.
[2] GARCIA L，GARCIA M.An agent of behaviour architecture for unmanned control of a farming vehicle[J].Computers and Electronics in Agriculture，2008，60（1）：39-48.
[3] 连世江，陈军，贾海政，等.基于模糊控制的拖拉机转向跟踪控制研究[J].西北农林科技大学学报，2009，37（9）：224-227.
[4] 王友权，周俊，姬长英，等.基于自主导航和全方位转向的农用机器人设计[J].农业工程学报，2008，24（7）：110-113.
[5] 任文涛，迟德霞，刘金波，等.遥控插秧机自动转向系统设计与试验[J].农业机械学报，2012，43（1）：175-178.
[6] 范长胜，郭艳玲.沙滩车EPS系统助力电机控制算法研究[J].湖北汽车工业学院学报，2013，27（3）：34-37.