摘要
无人驾驶拖拉机在农业生产中运用越来越广泛，是农业生产中的关键组成部分。农田中障碍物类型复杂，如机井、泵房、电线杆、树木等，无人驾驶拖拉机在田间作业时，不能排除在前方遇到障碍物的情况，当前方有障碍物时，如果拖拉机没有实时自主避开障碍物的功能，则障碍物会阻碍无人驾驶拖拉机的正常工作，因此研究无人驾驶拖拉机避障路径规划与跟踪控制技术具有重要意义。 本文针对无人驾驶拖拉机的实时避障方法进行研究，通过对避障环境、避障覆盖率、避障能耗、避障路径曲率、避障安全性进行分析，得出相应的约束条件，设计一种能规划一条安全且合理的避障路径的算法，并设计一种避障路径跟踪控制器，在联合仿真平台上进行仿真，验证其有效性，对实际中无人驾驶拖拉机的实时避障控制方法的应用提供参考。 首先，本文主要对避障环境、避障覆盖率、避障能耗、避障路径曲率、避障安全性进行分析，得出避障路径需要尽可能的贴近障碍物，避障路径长度需要尽可能的短，避障路径曲率要连续且不能超过最大曲率约束，拖拉机需要与障碍物保持最小安全距离，原作业路径是直线和曲线且直线与曲线平滑连接，同时本文不考虑活动障碍物，只考虑固定障碍物。 其次，先对避障场景进行分析，把避障场景分为直线作业实时避障场景、曲线作业实时避障场景、直线与曲线交替作业实时避障场景，在避障场景下对障碍物进行简化处理，避免路径冗余；然后在不同的避障场景下采用改进最短切线法求路径上的相关坐标点，保证避障路径的安全且长度短，并基于求得的坐标点用两段五次多项式函数求解路径，使路径光滑且曲率连续；再接着对避障路径的曲率和安全性进行分析验证，并对避障路径的曲率和安全性进行了优化；最后在MATLAB软件中对实时避障路径规划算法进行仿真分析，仿真结果表明该实时避障路径规划算法安全有效。 然后，考虑到路径跟踪控制的实时性，选用拖拉机的运动学模型作为预测模型，并基于模型预测控制理论设计一种能够控制拖拉机沿期望路径行驶的路径跟踪控制器，在MATLAB/Simulink软件中搭建路径跟踪控制器模型并对跟踪控制器进行仿真，仿真结果表明：该路径跟踪控制器跟踪控制精度高，跟踪稳定性强。 最后，搭建Simulink/CarSim联合仿真平台，并建立基于实时避障路径规划算法和路径跟踪控制器的避障方法仿真模型。在使用相同的路径跟踪控制器的情况下，分别对最短切线法和本文路径规划算法与路径跟踪控制器进行联合仿真，验证了本文实时避障路径规划算法的有效性。在不同工况下对基于实时避障路径规划算法和路径跟踪控制器的避障方法进行联合仿真，仿真结果表明：基于实时避障路径规划算法和路径跟踪控制器的避障方法实时性好、避障精度高、安全稳定，适用于无人驾驶拖拉机作业时的实时避障。
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