农业机械导航路径跟踪控制方法分析

在现代农业发展过程中，智能型农业机械设备应用越来越多，为了实现精准生产作业，农机设备还需采用自动导航路径跟踪控制先进技术，结合各种算法和模型分析农机航向与横向偏差值，再基于逻辑设计进一步实现精准控制，确保农机行驶质量达到要求，提高生产水平。大力研发和应用先进农业生产技术，符合当前农业发展的现实需求，因此，本文主要基于农机设备运动学相关特性，分析了农业机械导航路径跟踪控制的技术手段。

1研究背景

中国近些年提出了“智慧农业”理念，农业精准控制技术也开始快速发展并得到普及运用，其中农机自动导航技术成为智能控制农机生产的一项重要技术，其结合信息技术、微处理器技术及传感器技术等完成控制任务，确保农业生产精度水平进一步提高，同时也利于保障农机在各种复杂场景中的稳定运行。许多学者在研究农机自动导航控制技术时，会结合农机运动学与动力学模型，不再局限于过往简单的输出控制，而是更加重视实时跟踪监测控制。传统“二轮车模型”的农机运动控制相关模型中，主要将控制对象简化为两轮汽车设备，再结合考虑其转向规则来搭建控制分析模型，但在跟踪农机生产的曲线路径时，往往会出现平稳性不足情况，因此，其控制原理只适合一些低速运转或误差要求较低的农业机械设备，但对于外部不确定性干扰因素较多及地形较复杂的情况则无法满足需求，而现代社会农业发展过程中，作业环境也出现巨变，因此，有必要研究更多方向角高精度导航跟踪控制的方法，确保农机运动的反馈信息更为客观、准确，方便进行控制[1]。

2农业机械导航控制技术发展的重要意义

截止2023年，中国大型农机设备数量已经超过500万台，在自动驾驶研发方面取得了进步，整体发展十分快速。农机使用可以降低农业生产人员的工作强度，农业机械设备的未来发展必然趋势为智能化、自动化，因此，其导航控制技术的发展也成为近些年的关注热点。农机行驶路径的自动导航控制是指让农机具有自主找准作业方向的能力，提高生产效率，也能避免给周围环境带来破坏，相关导航跟踪控制时会结合无线信号、GNSS及GIS等技术，促进农业生产管理的精细化。例如，农机导航控制技术的应用范围已越来越广泛，在农业播种、耕地、收割及病虫害防治等环节都能发挥出作业效果，可以科学控制植株间距，还能减少交错覆盖播种面积，规避重播问题，提高土地利用率和种植效率，其实际作业误差已经减小到厘米级别，农机精准控制作业方向、面积及前进距离，还能避免在田间过度施加化肥或农药，既能够保障农业生产品质，还能保护周围土壤环境。此外，农机路径导航跟踪控制还能结合种植田地形条件规划最优路径，再针对性控制以保证农机运行的稳定性[2]。

3农业机械导航路径跟踪控制方法

3.1基于几何学的跟踪控制方法

以几何学农机运动理论为基础的跟踪控制方法，对于导航控制农机生产作业具有重要作用。这种跟踪控制方法在应用时直接受到农机驾驶人员操作的影响，人员要找到预瞄点，通常会参考机械设备后轴位置的中心点位，再设计导航控制时的前视距离，在规划的生产路径上确认目标，随后结合监测到的实时横向位置数据、航向数据来计算差值，其表示的是农机前轮在路径中的转向角，控制该角即可控制农机方向，确保其行走过程中的弧度达到预瞄点位置。在一些行走路径趋向于直线或曲率不复杂的农机导航工作中，十分适合采用基于几何学的跟踪控制方法，只要尽量减小运动方向误差并控制好垂直距离参数，都能满足农机运行的现实需求，但其实际导航路径控制的精度偏低，若是在较为陡峭且弯曲较多的田地上便不适用于农机操控。在实际开展农机导航路径的追踪和控制时，为了避免前视距离出现较大偏差，通常会设定最小距离和最大距离值来进行约束，当前视距离相对较小时，实时跟踪的精度也会更佳，但农机整体控制时会出现振荡情况，相比较而言，前视距离较大时，就会确保控制的平滑性与稳定性，因此，该方法的跟踪控制计算也主要针对前视距离参数，需确保稳态误差尽量减小。例如，可以采用SVR逆向模型算法来修正农机导航路径追踪控制中的前视距离数据，再进一步计算跟踪时的速度，以保证跟踪到位，通过计算发现，其速度最宜控制在1.2 m/s左右，能够保证横向偏差在厘米级别，经测验的最大偏差值为0.0614 m，与普通的追踪控制方法相比，精度水平有所提高，且速度也比较好控制。还可以结合有限元模糊自适应原理来设计导航控制时的追踪速度，若农机处于较平稳的路径上，则只要保障速度不超过1.2 m/s，就可将偏差控制到0.09 m左右，农机运行也会较稳定[3]。

3.2模型预测分析的控制方法

农机导航路径的有效控制也可采用模型预测分析的手段，主要依赖非线性模型，在模型中导入农业机械的状态信息作为约束控制条件，再结合历史数据信息对农机未来某段时间的输入、输出等路径偏差值实施预测，再针对性调整使误差尽量达到最小标准。相关模型中会定位某一时刻开始出现偏差，可记为k，而预测的时域则可表示为[k，k+t]，结合模型计算来获取测量值，再设定目标函数，以控制时域为基础得到有关变量的序列数据，要注意控制时域要短于预测时域，在相关序列数据中，首个参数即为路径的实际控制量，后续也会滚动变化时刻中持续实施控制。在一些较为复杂的农田农机前进路径导航控制中，经常会采用模型预测分析方法，其也能考虑到后续生产的目标点变动情况，结合动力学原理约束行走曲率和半径参数，提高控制成效，在控制时，模型分析平台会收到当下时刻运动信息，从中提取有用的状态量参数，确保控制的合理执行。例如，有学者结合农机历史误差数据搭建了非线性分析预测模型，模型中也利于滚动时变原理进行了优化，能够将农机前进的路径导航控制误差进一步缩小，其实际误差的最大值可以降低46.64%左右。还可以促进横向与纵向路径控制结合，再输入到预测分析控制模型中，计算其纵向加速度标准和前轮转角角度，再发送指令到控制器，实际控制的横向路径误差不会超过0.04 m。此外，也有学者设计了一种基于农机状态扩展信息收集并多维度反馈的模型预测分析控制技术，其主要扩展收集了转角补偿信息，再将农机行驶的轨迹近似线性化处理，缩短控制过程中的求解时间，促进控制效率的提高，同时，在仿真试验后也验证了该方法可以缩短平均求解控制的时间约14%左右，农机行驶后的横向位移偏差降低了23%，而航向偏差则降低了17%，对于路径的导航跟踪控制十分有效，同时其稳定性也较佳，能够增强复杂路径场景的农机生产适应力。

3.3线性二次型控制方法

针对农机生产行驶中的导航路径跟踪控制，借助线性二次型控制方法可以有效提高控制精度水平，在一些生产要求较高及曲率颇大的农田农机使用场景中十分适用。这种方法就是获知路径控制的基本规律，再明确跟踪准许范围，动态化调整农机前进方向、速度，使其从初始状态变为预期达到的理想状态，顺利进行生产，其中理想状态的评估会基于一些控制指标。采用该方法时先是搭建线性分析系统，农机设备的各种状态信息则为输入变量，之后编写二次方程来计算，求得农机设备行驶的极值最优解，比如说针对农机的状态会赋予一个权重，其记为（Q，R），通过线性系统来分析其导航路径跟踪获得的输出量，再反馈给控制端，实现有效控制。例如，结合预瞄的路径目标点来进行线性二次型控制，相关反馈结果可以反映出导航路径的实际跟踪误差，之后通过前馈处理方式调整在道路中行驶的曲率，还可以引入遗传算法，设定期望的路径控制曲率值，之后计算其偏差并以此来设计前馈控制装置的参数，既能够保证跟踪控制过程更为简单，也能确保精度达到要求，促进农机设备的稳定运行。总之，线性二次型控制方法对于农业机械导航路径的实时跟踪控制很有成效，其可以大幅度缩小控制误差，但目前该方法还是存在不足之处，比方说其十分依赖控制分析相关模型，若有外部因素给模型造成干扰，则其鲁棒性无法切实保障，控制的稳健性也会变弱[4]。

3.4滑模变结构控制方法

在被控对象的“结构”为多变形式时，即农机行驶状态经常变化，可以选用基于动力学原理的滑模变结构控制方法，这种方法是在常规非线性系统上作出特殊处理，其可以依据农业机械导航路径的动态变化，结合不同的目标来实施控制，比如说调整导数以缩小误差，在控制时具有着抗干扰、响应速度快、鲁棒性佳等优点。该方法会根据被控农机的路径状态和预期值之间的偏差变化来实施控制，因此其十分适合一些地形较为崎岖、平整度极低的农田场景，可以确保农机设备在较高速度行驶状态中也能准确控制，且滑模变结构的控制不受到外部环境因素的干扰影响，能够使农机车身保持平稳，避免出现严重振荡，也无需通过在线识别来不断调整控制转角、距离等。此方法还可结合指数趋近律进行农机导航路径的动态控制，其可以在缩小路径误差的情况下进一步化解抖振问题，使得农机位姿维持在预定状态，收敛后的偏离度趋近于0。另外，农机导航路径的跟踪控制也可采用完全不关联模型的先进控制技术方法，比方说基于PID的控制技术、模糊控制技术等。

综上所述，在农业发展过程中，农机设备应用已经成为常态，农机自动导航路径控制的技术也正飞速发展，实现了结合运动学原理的跟踪控制，确保农机精准施播种植，发挥出应有的优势性功能。由本文分析可知，农机设备导航路径跟踪控制的有效方法包括：基于几何学的跟踪控制方法、模型预测分析的控制方法、线性二次型控制方法、滑模变结构控制方法。

参考文献

[1]崔鑫宇，崔冰波，马振，等.几何路径跟踪组合算法及其农业机械自动导航应用[J].智能化农业装备学报（中英文），2023，4（3）：24-31.

[2]史扬杰，程馨慧，奚小波，等.农业机械导航路径跟踪控制方法研究进展[J].农业工程学报，2023，39（15）：1-14.

[3]崔冰波，孙宇，吉峰，等.基于模糊Stanley模型的农机全田块路径跟踪算法研究[J].农业机械学报，2022，53（12）：43-48，88.

[4]何永强，周俊，袁立存，等.基于履带式联合收获机转向特性的局部跟踪路径规划[J].农业机械学报， 2022， 53 （11）： 13-21.

（山东省菏泽市-城县古泉街道办事处吴云霞）