科研进展|具有输入饱和的自主农业车辆快速固定时间路径跟踪控制

近日，江苏大学电气与信息工程学院、河南省农业科学院农业信息技术研究所等单位联合在《IEEE Transactions on Vehicular Technology》（中科院计算机科学2区，影响因子7.1）发表题为“Faster Fixed-Time Path Tracking Control for Autonomous Agricultural Vehicles With Input Saturation”的研究论文。

近年来，自主农业车辆（AAVs）的自动导航技术在各类农业生产活动中应用日益广泛，成为实现精准农业的关键技术。作为自动导航技术的核心环节，路径跟踪控制对提高自主农业车辆的作业精度和系统稳健性具有重要意义。为提高自主农业车辆（AAVs）的路径跟踪精度和可靠性，众多控制算法已被研究并应用于其系统中。在早期研究中，线性控制器，尤其是PID控制器，被广泛应用于自主农业车辆的路径跟踪系统。该研究针对具有输入饱和的自主农业车辆（AAVs）路径跟踪控制问题，提出一种基于广义比例积分观测器（GPIO）的快速固定时间控制方案。本文的核心创新点如下：

1) 与现有未考虑扰动影响的路径跟踪控制方法不同，我们构建了广义比例积分观测器（GPIO）来估计自主农业车辆（AAVs）路径跟踪控制系统中的时变扰动，从而有效减轻未知工况带来的不利影响。

2) 与文献中提出的快速固定时间路径跟踪控制方案相比，我们的方案实现了更快的收敛速度，具备更优异的响应性能，能够满足自主农业车辆（AAVs）在动态环境中的高要求作业需求。

3) 为解决自主农业车辆（AAVs）的输入饱和问题，本研究开发了一种新型辅助系统。其核心在于，该辅助系统能够在存在输入饱和的情况下保障快速固定时间路径跟踪控制性能，且比传统抗饱和方法更具效果。

图1：参考路径与自主农业车辆（AAV）实验平台

图2：所提控制方案的框图

图3：硬化路面上的路径跟踪对比实验结果

图4：草地地形上的路径跟踪对比实验结果

图5：路径跟踪对比仿真结果

图6：与模型预测控制（MPC）方案的对比实验结果

江苏大学电气与信息工程学院李秋实为第一作者，江苏大学电气与信息工程学院孙金林为通讯作者。河南省农业科学院农业信息技术研究所李国强研究员参与了部分研究工作。本研究得到国家自然科学基金（项目编号：62203189、62373170）、江苏省自然科学基金（项目编号：BK20220518）以及江苏省研究生科研与实践创新计划（项目编号：KYCX24 3980）的部分资助。

全文地址：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11122614