本发明涉及一种松软路面智能农机自动驾驶方法，属于农用车控制技术领域。
背景技术：
智能农机装备代表着农业先进生产力，是提高生产效率、转变发展方式、增强农业综合生产能力的物质基础，也是国际农业装备产业技术竞争的焦点。当前，我国农业现代化加速发展，农村土地规模经营、农业劳动力大量转移,对农机装备技术要求更高，产品需求巨大。长期以来，我国农用车辆自动驾驶技术基础研究不足，技术研究局限于乘用车自动驾驶方法，而未充分考虑田间地块作业的实际特殊工作环境，农用车辆精细化水平还处于较低水平，加快发展智能农机自动驾驶技术，支撑现代农业精细化、精准化发展意义重大。
技术实现要素：
本发明提供一种松软路面智能农机自动驾驶方法，着重考虑轮胎-土壤建模，以获取准确完整的智能农机动力学特性，提高智能农机特殊作业环境下的精确性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种松软路面智能农机自动驾驶方法，包括以下步骤：
第一步，根据松软路面与轮胎之间相互作用的特性，建立土壤-轮胎模型；
第二步，在建立的土壤-轮胎模型的基础上，建立表征智能农机纵\横\垂耦合行为特征的动力学模型，获取准确完整的智能农机动力学特性；
第三步，在获取的智能农机动力学特性基础上，建立自动驾驶误差动力学模型，利用matlab-simulink软件进行仿真验证；
作为本发明的进一步优选，前述建立的土壤-轮胎模型先根据reece半经验模型计算出土壤与轮胎接触面的法向应力σn，通过半经验模型计算出轮胎沉陷部分剪应力τx，y；再确定应力计算所需的轮胎有效半径reff；
作为本发明的进一步优选，在确定法向应力及剪应力后，计算前述的十四自由度的动力学模型中所需的轮胎纵向力fx，横向力fy，垂向力fz；
作为本发明的进一步优选，将农机分成五个质量块，根据牛顿-欧拉方程，计算出倾覆力矩mx，滚动力矩my和回正力矩mz；作为本发明的进一步优选，农机分成五个质量块后，将簧上质量作为刚体，建立六自由度模型，同时簧下质量分成四个独立部分，且将农机的四个轮子在垂直方向上作为标准建立自动驾驶误差动力学模型。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的基于松软路面智能农机自动驾驶方法，建立表征纵\横\垂耦合行为特征的动力学模型，获取准确完整的智能农机动力学特性，实现在正常作业情况下的自动驾驶和特殊工况下辅助驾驶；本发明提高了农业机械自动驾驶作业的精确性，开拓了应用领域，具备广阔的前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明松软路面智能农机自动驾驶的系统架构图；
图2是本发明的土壤-轮胎模型图；
图3是本发明的智能农机动力学示意图；
图4是本发明的智能农机自动驾驶路径跟踪误差动力学模型。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，本发明的一种松软路面智能农机自动驾驶方法，包括以下步骤：
第一步，根据松软路面与轮胎之间相互作用的特性，建立土壤-轮胎模型；
第二步，在建立的土壤-轮胎模型的基础上，建立表征智能农机纵\横\垂耦合行为特征的动力学模型，获取准确完整的智能农机动力学特性；
第三步，在获取的智能农机动力学特性基础上，建立自动驾驶误差动力学模型，利用matlab-simulink软件进行仿真验证；
作为本发明的进一步优选，前述建立的土壤-轮胎模型先根据reece半经验模型计算出土壤与轮胎接触面的法向应力σn，通过半经验模型计算出轮胎沉陷部分剪应力τx，y；再确定应力计算所需的轮胎有效半径reff；
具体的：法向应力计算由reece提出的压力下陷模型进行计算，即：
(2)式中σn为垂直于承压板平面的法向应力，z为下陷量，定义n为下陷指数，c为土壤内聚力，γs为土壤单位重量，k′c为与土壤内聚力相关的系数，k'φ为与摩擦相关的系数，b为与承压板几何形状相关的参数，若为矩形，b等于矩形短边大小，若为圆形，b等于圆半径；
轮胎沉陷部分剪应力计算由janosi和hanamoto提出的半经验模型进行计算，即：
(4)式中第一项为mohr–coulomb破坏准则，表示极限剪应力，其中φ为土壤的内摩擦角，kx,y分别x′和y′方向剪切形变模量(达到最大剪切应力所需的位移量)，jx,y为x′和y′方向剪切位移，可以由如下公式计算得到：
(7)和(8)中的reff为轮胎有效半径，sd表示为滑移率，αc为轮胎侧偏角，定义为如下公式：
(11)和(12)中的v为轮胎车轴沿自身坐标系x′方向的速度，ω为轮胎角速度，rl为轮动半径，vx和vy分别为轮胎自身坐标系下x′和y′方向的速度。
作为本发明的进一步优选，在确定法向应力及剪应力后，计算前述的十四自由度的动力学模型中所需的轮胎纵向力fx，横向力fy，垂向力fz；
具体的：法向应力可以用如下分段函数进行计算，从轮胎进入角θe到最大应力位置θm段应力大小计算如下：
从最大应力位置θm到轮胎后沿推出角θb段应力大小计算如下：
其中θm可以表示为滑移率和进入角θe的线性函数，即
θm＝(c0+c1|sd|)θe(15)
其中c0和c1为常数。
为下陷指数n可表示如下：
n＝n0+n1|sd|(16)
其中n0和n1为常数。
有效半径表示为
其中ζ、β和δ是与轮胎刚度、阻尼、尺寸、气压、角速度以及轮胎结构有关的参数；
于是，只要知道法向应力和剪切应力，就可以计算垂向力，纵向力，其计算如下：
在计算轮胎横向力时，考虑车轮底部的剪应力fycp与轮胎侧壁的推土力fybd，其计算方法如下：
其中
σp＝(γsz2nγ+cznc+qznq)cosδt(21)
其中nγ为土壤比重系数，nc为土壤内聚力系数，nq为土壤附加均布载荷系数，三个系数都与内摩擦角φ有关，z为沉陷量，q为累计推土载荷，δt为侧壁法向与土体运动方向的夹角。
综上所述，四个轮胎的各分力计算如下：
fzi＝fz(θi)(22)
fxi＝fx(θi)(23)
fyi＝fy(θi,σpi,δti)(24)
(25)(26)(27)式中i＝(fl,fr,rl,rr)，表示四个轮胎。
作为本发明的进一步优选，将农机分成五个质量块，根据牛顿-欧拉方程，计算出倾覆力矩mx，滚动力矩my和回正力矩mz；具体的如图3所示，为根据本发明的智能农机动力学示意图，为了限制仿真过程的复杂度，车辆模型作以下简化假设：将车身看成刚体，只考虑转向机构的运动学，不考虑传动系的惯性特性，不考虑外倾角或前角，悬架运动学是线性的。
如图3所示，大地坐标系为(x,y,z)，车身坐标系(x,y,z)遵循右手定则，坐标原点在农用车质心cg位置，为了使示意图美观，车轮坐标系(x′,y′,z′)不在图上作详细列示，其中x′方向为车轮径直向前方向，y′方向垂直于车轮平面，z′方向同z方向。
作为本发明的进一步优选，农机分成五个质量块后，将簧上质量作为刚体，建立六自由度模型，同时簧下质量分成四个独立部分，且将农机的四个轮子在垂直方向上作为标准建立自动驾驶误差动力学模型。
将农用车分成5个质量块，簧上质量为ms，集中在质心cg处；假设簧下质量为四个相等的质量块为mu，集中在四个轮胎中心处，由轮辋，轮胎，悬架组件组成；
将簧上质量建模成6自由度的刚体，车轮与车身通过弹簧及阻尼进行连接，假设车身与车轮在x方向与y方向上没有相对运动，且将轮胎的位移限制在z方向上，当然，轮胎还有由角速度表示的自由度；根据牛顿-欧拉方程，车身动力学可以表示如下方程所示：
其中fx,fy,fz分别为外力沿x,y,z方向分力；u,v,w分别为沿x,y,z方向的速度；p,q,r分别为绕x,y,z轴的角速度；mx,my,mz分别为倾覆力矩、滚动力矩、回正力矩；lx,ly,lz分别为角动量。上式左边可写为：
∑fx＝fxflcosδfl+fyflsinδfl+fxfrcosδfr+fyfrcosδfr+fxrl+fxrr
∑fy＝fyflcosδfl+fxflsinδfl+fyfrcosδfr+fxfrsinδfr+fyrl+fyrr
∑fz＝fzfl+fzfr+fzrl+fzrr
my＝lr(fzrr+fzrl)-lf(fzfr+fzfl)
其中δfl和δfr分别为左前轮和右前轮的偏转量。
簧下质量分为四个相等的质量块，如前所述，轮胎位移被约束在z方向上，于是，簧下质量动力学特性如下：
(31)式中下标fl,fr,rl,rr分别表示前左轮，前右轮，后左轮，后右轮，z′fl,z′fr,z′rl,z′rr分别为轮胎z方向的位移，fsfl,fsfr,fsrl,fsrr分别为悬架力，kt为轮胎刚度，z′tfl,z′tfr,z′trl,z′trr分别为被破坏土壤沿z方向的位移。
欧拉角的计算需要对三个角速度进行积分，本专利选取的顺序为横摆—俯仰—侧倾依次旋转，其微分方程为：
图4为根据本发明的智能农机自动驾驶路径跟踪误差动力学模型，如图4所示，τ表示cg到期望的路径最近点m的距离，即在期望路径上cg的正交投影点，将其定义为横向偏差，ψ′表示实际航向角ψ′r和期望路径的切线方向ψ′d之间的航向误差，可以得到：
其中s为从初始位置到点m的曲线坐标，并且
其中vx和vy分别代表车辆的纵向和横向速度。
基于serret-frenet方程的路径跟踪误差动力学模型，如下所示：
本发明的一种松软路面智能农机自动驾驶方法，考虑松软路面的自动驾驶系统建模方法，建立表征纵\横\垂耦合行为特征的动力学模型，获取准确完整的智能农机动力学特性，利用路径跟踪误差动力学模型，选取合适的极小值控制方法，使得横向偏差和航向角偏差最终收敛于0值，从而实现在正常作业情况下的自动驾驶和特殊工况下辅助驾驶。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。