基于領航-跟隨結構的聯合收獲機群協同導航控制方法

白曉平 王 卓 胡靜濤 高 雷 熊 鋒

(中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽110016)

基于領航-跟隨結構的聯合收獲機群協同導航控制方法

白曉平 王 卓 胡靜濤 高 雷 熊 鋒

(中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽110016)

面向聯合收獲機群協同導航作業需求，提出一種基于領航-跟隨結構的收獲機群協同導航控制方法。該方法在建立收獲機群運動學模型的基礎上，結合反饋線性化及滑?？刂评碚撛O計了漸進穩定的路徑跟蹤控制律和隊形保持控制律。為驗證所提模型及方法的有效性，以4臺收獲機組成的收獲機群為試驗平臺，進行了機群協同導航控制試驗。當速度為1.0m/s時，領航者的平均跟蹤誤差為5.81 cm，跟隨者的平均跟蹤誤差為5.93 cm，與單臺收獲機的導航控制精度相近，驗證了所提方法的可行性和有效性。

收獲機群;跟隨-領航結構;協同控制;路徑跟蹤;隊形保持

引言

隨著我國農業機械化作業水平的不斷提高，農業呈現出集約化、規?；?、產業化的發展趨勢，出現了多臺農機在田間聯合作業的集群作業模式。農機集群作業模式對農機導航系統提出了新的技術挑戰，研究多機協同導航技術是下一代農業機械導航系統要解決的關鍵技術之一［1－2］。

多機協同導航控制作為多機協同導航技術的重要內容，受到了國外學者的廣泛關注［3－5］。MOOREHEAD等［6］采用一臺遠程監控終端管理果園中多臺自主導航拖拉機、噴藥機，協調多臺農機協同完成作業任務。JOHNSON等［7］針對泥苔蘚收獲過程中，多臺收獲機的協同導航控制問題進行了深入研究。HAO等［8］提出了一種收獲機、運糧車主從協同方案，收獲機作為領航者，可以決定運糧車的行為;運糧車作為跟隨者，可根據領航者的指令調整自己的位置及航向。ZHU等［9］針對由兩臺拖拉機組成的拖拉機隊列，設計了一種主從協同控制方案，針對兩臺拖拉機之間的橫向距離保持問題，設計了一種LQR控制器，實現了拖拉機隊列對直線路徑和曲線路徑的精確跟蹤。NOGUCHI等［10］提出了一種FOLLOW算法，使得從機可與主機保持設定距離和角度跟隨主機完成作業任務。國內關于農機導航控制的研究主要集中在單臺農機的導航控制方面，包括基于模型的控制方法［11－17］和非基于模型的控制方法［18－24］。多機協同導航技術在機器人等領域的應用已較為廣泛，但在農業機械領域則鮮有文獻報道。畢偉平等［25］設計了一種基于雙目視覺的主從式果園作業車輛自主跟隨系統，實現了從機對引導車輛的自動跟隨。

鑒于上述分析，面向聯合收獲機群協同導航作業需求，本文提出一種基于領航-跟隨結構的聯合收獲機群協同導航控制方法。

1 基于領航-跟隨結構的聯合收獲機群運動學模型

1.1 單臺收獲機的運動學模型

在不考慮車輪與地面相互作用，無側傾俯仰、側滑等運動的情況下，可將聯合收獲機簡化成二輪車模型進行運動學分析，如圖1所示。其中，點M是曲線路徑上距控制點O最近的點。

圖1 運動學模型示意圖Fig．1 Kinematicmodel

基于以上運動學模型示意圖，結合幾何知識及物理規律［26］，可推導出收獲機運動學模型微分方程組為

式中 c(s)——跟蹤曲線路徑在M點的曲率

當收獲機追蹤的路徑為直線時，農機運動學模型可表述為

對式(2)進行簡單運算可得到收獲機橫向運動學模型微分方程組為

1.2 收獲機群運動學模型

基于領航-跟隨結構的收獲機群以1臺收獲機作為領航者，其余收獲機均作為跟隨者，與領航者保持設定的橫向距離和縱向距離完成收獲作業任務，如圖2所示。

圖2 收獲機群編隊作業示意圖Fig．2 Schematic diagram of harvester group

定義領航者為V0，跟隨者為Vj，可用如圖3所示的領航-跟隨結構模型來描述收獲機的編隊結構。

圖中 LAjLBj——跟隨者的設定路徑

A0B0——領航者的設定路徑

圖3 領航-跟隨結構Fig．3 Leader-follower structure

由圖3所示，跟隨者與領航者間的橫向偏差和縱向偏差計算式為

由式(4)知，領航者與跟隨者僅需追蹤各自的設定路徑作業，使得y0→0，yj→0，即可使得跟隨者與領航者的橫向偏差ey→0。

至此，領航者與跟隨者間的橫向距離保持控制問題可轉化為領航者、跟隨者的路徑跟蹤問題進行解決。因此，可依據式(3)所示的收獲機橫向運動學模型，進行領航者、跟隨者的路徑跟蹤控制器設計。

式(4)中，es對時間t求導

由于在收獲作業過程中，領航者和跟隨者均追蹤直線路徑作業，結合式(2)和式(5)，可得跟隨者相對領航者的縱向運動學模型微分方程為

縱向運動學模型為隊形保持控制器的設計提供了依據。

2 基于領航-跟隨結構的協同導航控制方法

根據第1節所建立的聯合收獲機群運動學模型，基于領航-跟隨結構的協同導航控制器設計分成路徑跟蹤控制器設計和隊形保持控制器設計兩部分，控制器設計結構如圖4所示。

圖4 基于跟隨-領航結構的協同導航控制器設計總體框圖Fig．4 Overall block diagram of collaborative navigation controller design based on leader-follower structure

隊形保持控制的作用就是使各跟隨者與領航者保持設定縱向距離，即，使收獲機無碰撞完成作業任務。隊形保持控制器以各跟隨者與領航者的縱向距離與設定縱向距離的偏差為輸入，設計漸進穩定的控制器，輸出期望的跟隨者前進速度，使各跟隨者與領航者間的縱向距離追蹤設定值。在該層控制中，采用集中式的控制計算，領航者根據各跟隨者的位置及自身的位置計算縱向距離偏差值及控制量，然后通過網絡將控制量傳遞給需要調整的跟隨者。

路徑跟蹤控制的作用是使各跟隨者追蹤各自的設定路徑作業，從而保持與領航者間橫向距離追蹤設定值，即。路徑跟蹤控制器以實際收獲機位置與設定路徑的橫向偏差和航向偏差作為輸入，設計漸進穩定的控制器，輸出期望的車輪轉角，使各跟隨者與領航者間的橫向距離追蹤設定值。在該層控制中采用集中式路徑規劃和分布式控制量計算，即集中規劃機群中各臺收獲機的路徑，然后將規劃好的路徑通過通信網絡傳遞給各跟隨者，各跟隨者根據自身的位姿情況，獨立進行各自的路徑跟蹤控制量計算。

為節省駕駛室內的空間、提高裝置的集成度，將除田間計算機外的其余電路集成在導航控制箱內，如圖5所示。其中，智能節點負責解析航向傳感器和電子尺等外部傳感器的數據;位姿解析電路負責解析高精度定位裝置的定位數據;導航控制器是路徑跟蹤控制和隊形保持控制的代碼執行載體(硬件電路與智能節點基本相同);網關電路負責領航者與跟隨者間的通信。

圖5 集成式導航控制箱Fig．5 Integrated navigation control box

2.1 基于積分滑模控制的隊形保持控制律設計

隊形保持控制器的設計目標是通過對跟隨者設定速度的調整，使得跟隨者與領航者保持設定縱向距離前進。

隊形保持控制器采用基于積分滑模面的滑?？刂品椒?，控制器設計包括積分滑模面求解和控制律設計兩部分。

為消除靜態偏差，提高滑模控制精度，本文選取積分滑模面為

式中 es——跟隨者與領航者間實時縱向距離偏差

eτ——跟隨者與領航者間歷史縱向距離偏差

kp——比例系數

kI——積分系數，為正實數

式(12)中，Δvs表示跟隨者速度沿設定路徑方向分量的增量，將式(12)代入式(11)得

2.2 基于反饋線性化滑?？刂频穆窂礁櫩刂坡稍O計

路徑跟蹤控制器的設計目標是通過對跟隨者、領航者車輪轉角的控制，使跟隨者、領航者追蹤各自設定路徑前進，從而保持橫向距離，即使y0→0，yj→0。

路徑跟蹤控制器采用基于反饋線性化滑?？刂品椒?，控制器設計包括反饋線性化模型求取、線性滑模面求解和控制律設計3部分。

為求取等價線性化模型，首先選取合適的狀態變量和輸入變量，將式(3)所示的模型轉換為標準的仿射非線性模型。

選擇系統輸入變量u=tanσ，系統狀態變量X=［x1x2］T=［ymθ］T，將式(3)所示的非線性運動學模型轉換成標準仿射非線性模型

應用可反饋線性化定理，得該二維非線性系統是可反饋線性化的。即該二維非線性單輸入系統局部反饋等價于具有控制器標準型的線性系統。即通過坐標變換

可將原非線性系統變換成線性系統布魯諾夫斯基標準型

經過反饋線性化，得到了系統的反饋線性化模型，可采用線性系統的控制方法設計漸進穩定的控制律。原非線性系統的控制問題轉換為系統在原點的鎮定問題。

由于系統追蹤參考值 Z*=［z1refz2ref］=［0 0］，可得到以誤差變量E=［e1e2］為狀態變量的系統狀態方程為

為解決以上原點鎮定問題，選取線性切換函數為

整理得，系統的滑動模態運動方程為

式中 c1——調節參數，為正實數

因此，只要保證c1＞0，即可保證滑動模態在原點(0，0)上漸進穩定，調節c1值，即可調節滑動模態的動態品質。

經過坐標反變換，可得到原系統的滑模面s(X)

結合式(23)和式(26)，可得控制律u'為

經過坐標反變換，原系統的控制律為

3 試驗與結果分析

為驗證本文所提模型及方法，將集成研發的聯合收獲機群協同導航系統安裝在試驗收獲機上，搭建收獲機群編隊控制試驗平臺，進行1臺領航者與3臺跟隨者的協同導航控制試驗，如圖6所示。

圖6 協同導航控制試驗現場Fig．6 Collaborative navigation control experiment scene

3.1 試驗系統

作業過程中，領航者與跟隨者的行駛速度均為1.0m/s。領航者導航子系統和跟隨者導航子系統均由路徑跟蹤控制器、田間計算機、位姿檢測單元、轉向控制器和執行裝置構成。2個子系統內部各機載裝置間由CAN總線實現通信，2個子系統間由短距無線網絡實現互通互聯。其中位姿檢測單元包括位置檢測單元、航向檢測單元和轉角檢測單元。位置檢測單元由高精度定位裝置和智能節點組成，高精度定位裝置實時采集收獲機的位置信息，采樣頻率為5 Hz，定位精度為1 cm。航向檢測單元由MTI和智能節點組成，MTI實時采集收獲機的航向信息，采樣頻率為100 Hz，測量精度為1°。轉向角檢測單元由電子尺和智能節點組成，檢測精度為1°。試驗系統實物如圖7所示。

3.2 路徑規劃

選擇長為200 m左右的田塊MNPQ，如圖8中虛線所示。AB表示領航者設定路徑，A1B1表示第1臺跟隨者設定路徑，A2B2表示第2臺跟隨者設定路徑，A3B3表示第3臺跟隨者設定路徑。

圖7 試驗系統Fig．7 Experimental system

圖8 路徑規劃示意圖Fig．8 Schematic diagram of path planning

以領航者路徑為基準，采用AB線偏移的方法依次規劃出跟隨者路徑，并將跟隨者路徑通過無線節點發送給跟隨者。

3.3 試驗過程

(1)打開試驗相關的高精度定位裝置基準站系統、試驗數據檢測記錄系統，并進行航向傳感器的磁場校正和磁偏角補償。

(2)將領航者與跟隨者停靠在各自導航路徑AB線的A端內側，并使車輛盡量?？吭贏B線上。

(3)開動領航者，并啟動導航控制系統，進行領航者路徑追蹤。跟隨者計算沿導航路徑AB線方向與領航者的距離，到達設定距離后啟動跟隨者導航系統，進行跟隨者路徑跟蹤。同時，使用高精度定位裝置記錄領航者與跟隨者的作業軌跡。

(4)當領航者到達B點時，提示駕駛員停止路徑跟蹤，駕駛員通過人機界面停止路徑追蹤，恢復人工駕駛;同樣，當跟隨者到達設定點B結束一次直線路徑追蹤試驗。

(5)重復步驟(2)～(4)，重復試驗5次。

3.4 數據采集

以架設在聯合收獲機上的高精度定位裝置(定位精度為1 cm)的定位數據作為收獲機的實際行駛軌跡，對路徑追蹤試驗時記錄下的行駛軌跡與目標路徑進行誤差分析，試驗時平均偏差為

式中 (x0，y0)——軌跡點坐標

n——軌跡點數 e——平均偏差di——第i個軌跡點的橫向偏差

di——第i個軌跡點的橫向偏差

3.5 結果分析

領航者跟蹤平均偏差為5.81 cm，如表1所示。跟隨者平均跟蹤偏差為5.93 cm，如表2所示。

表1 領航者橫向跟蹤誤差統計結果Tab．1 Lateral tracking error statistics of leader cm

表2 跟隨者橫向跟蹤誤差統計結果Tab．2 Lateral tracking error statistics of follower cm

以上試驗結果表明，采用本文所提方法進行收獲機群編隊，領航者與跟隨者的平均偏差均小于6 cm，最大偏差均小于15 cm。單機導航的平均偏差一般為5 cm左右［27－28］，從導航精度來看，機群協同導航與單機導航相近。但是，機群導航更易實現機群間多臺農機信息共享、機群間多臺農機間協同作業，可提高多臺農機的大面積作業能力，便于管理，對實現收割、耕整地等大面積作業環節的自動化具有重要的推動作用。

4 結束語

針對聯合收獲機群協同導航控制問題，提出了一種基于領航-跟隨結構的聯合收獲機群協同導航控制方法。該方法將協同導航控制問題解耦成橫向距離保持控制和縱向距離保持控制2個子問題進行解決，并采用滑模控制理論設計了漸進穩定的路徑保持控制律和隊形保持控制律。試驗結果表明:領航者與跟隨者的平均偏差均小于6 cm，導航控制精度與單機導航相近，驗證了本文所提方法的可行性和有效性。但是，本文僅對機群田間作業過程中的協同導航控制問題進行了研究，未涉及地頭轉向過程中機群的協同導航控制問題。因此，下一步工作將重點對地頭轉向過程中機群協同導航控制問題進行研究，以實現機群連續自主收割作業目標。

1 SHEARER SA，PITLA SK，LUCK JD．Trends in the automation of agricultural field machinery［C］∥Proceedings of the 21st Annual Meeting of the Club of Bologna，Italy，2010．

2 胡靜濤，高雷，白曉平，等．農業機械自動導航技術研究進展［J］．農業工程學報，2015，31(10):1－10．HU Jingtao，GAO Lei，BAIXiaoping，et al．Review of research on automatic guidance of agricultural vechicles［J］．Transactions of the CSAE，2015，31(10):1－10．(in Chinese)

3 BOCHTISD D，SRENSEN CG．The vehicle routing problem in field logistics part I［J］．Biosystems Engineering，2009，104(4): 447－457．

4 BOCHTISD D，SRENSEN C G．The vehicle routing problem in field logistics:part II［J］．Biosystems Engineering，2010，105(2): 180－188．

5 BOCHTISDD，SRENSENCG．Conceptualmodel of fleetmanagement in agriculture［J］．Biosystems Engineering，2010，105(1): 41－50．

6 MOOREHEAD S，WELLINGTON C，GILMORE B，et al．Automating orchards:a system of autonomous tractors for orchard maintenance［C］∥ Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，Portugal，2012．

7 JOHNSON D A，NAFFIN D J，PUHALLA JS，et al．Development and implementation of a team of robotic tractors for autonomous peatmoss harvesting［J］．Journal of Field Robotics，2009，26(6－7):549－571．

8 HAO Y，LAXTON B，BENSON E，et al．Differential flatness-based formation following of a simulated autonomous small grain harvesting system［J］．Transactions of the ASABE，2004，47(3):933－941．

9 ZHU Z，TAKEDA J，XIE B，et al．Tractor platooning system on sloping terrain at low speed［J］．Transactions of the ASABE，2009，52(4):1385－1393．

10 NOGUCHIN，WILL J，REID J，et al．Development of a master-slave robot system for farm operations．［J］．Computers＆Electronics in Agriculture，2004，44(1):1－19．

11 呂安濤，宋正河，毛恩榮．拖拉機自動轉向最優控制方法的研究［J］．農業工程學報，2006，22(8):116－119．LAntao，SONG Zhenghe，MAOEnrong．Optimized controlmethod for tractor automatic steering［J］．Transactions of the CSAE，2006，22(8):116－119．(in Chinese)

12 陳軍，鳥巢諒，朱忠祥，等．拖拉機在牧草地上自動引導行走的控制［J］．農業機械學報，2005，36(7):104－107．CHEN Jun，TORISU R，ZHU Zhongxiang，et al．Study on automatic guidance for tractor on grassland［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2005，36(7):104－107．(in Chinese)

13 陳軍，鳥巢諒．拖拉機行駛路線的自動變更研究［J］．農業工程學報，2005，21(1):83－86．CHEN Jun，TORISU R．Automatic control of lane change for autonomous tractors［J］．Transactions of the CSAE，2005，21(1): 83－86．(in Chinese)

14 陳軍，鳥巢諒，朱忠祥，等．拖拉機沿曲線路徑的跟蹤控制［J］．農業工程學報，2006，22(11):108－111．CHEN Jun，TORISU R，ZHU Zhongxiang，et al．On-tracking control of tractor running along curved paths［J］．Transactions of the CSAE，2006，22(11):108－111．(in Chinese)

15 LENAIN R，THUILOT B，CARIOU C，et al．A new nonlinear control for vehicle in sliding conditions:application to automatic guidance of farm vehicles using RTK GPS［C］∥Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation，2004:4381－4386．

16 CARIOU C，CORDESSESL，MARTINET P．Automatic guidance of a farm tractor along curved paths，using a unique CP-DGPS［C］∥Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，USA，2001:674－679．

17 李逃昌，胡靜濤，高雷，等．一種與行駛速度無關的農機路徑跟蹤方法［J/OL］．農業機械學報，2014，45(2):59－65．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20140211＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．02．011．LITaochang，HU Jingtao，GAO Lei，et al．Agricultural machine path tracking method irrelevant to travel speeds［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(2):59－65．(in Chinese)

18 周建軍，張漫，汪懋華，等．基于模糊控制的農用車輛路線跟蹤［J］．農業機械學報，2009，40(4):151－156．ZHOU Jianjun，ZHANG Man，WANG Maohua，et al．Path tracking for agricultural vehicle based on fuzzy control［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2009，40(4):151－156．(in Chinese)

19 呂安濤，毛恩榮，宋正河，等．一種拖拉機自動駕駛復合模糊控制方法［J］．農業機械學報，2006，37(4):17－20．LAntao，MAO Enrong，SONG Zhenghe，etal．A complex fuzzy control technique of tractor automatic steering［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2006，37(4):17－20．(in Chinese)

20 劉兆祥，劉剛，籍穎，等．基于自適應模糊控制的拖拉機自動導航系統［J］．農業機械學報，2010，41(11):148－152．LIU Zhaoxiang，LIU Gang，JI Ying，et al．Autonomous navigation system for agricultural tractor based on self-adapted fuzzy control［J］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41(11):148～152．(in Chinese)

21 李逃昌，胡靜濤，高雷，等．基于模糊自適應純追蹤模型的農業機械路徑跟蹤方法［J/OL］．農業機械學報，2013，44(1): 205－210．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20130139＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2013．01．039．LITaochang．HU Jingtao，GAO Lei，etal．Agriculturalmachine path trackingmethod based on fuzzy adaptive pure pursuitmodel［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(1):205－210．(in Chinese)

22 白曉平，胡靜濤，高雷，等．農機導航自校正模型控制方法研究［J/OL］．農業機械學報，2015，46(2):1－7．http:∥www．jcsam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20150201＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2015．02．001．BAIXiaoping，HU Jingtao，GAO Lei，et al．Self-tuningmodel controlmethod for farm machine navigation［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(2):1－7．(in Chinese)

23 熊中剛，葉振環，賀娟，等．基于免疫模糊PID的小型農業機械路徑智能跟蹤控制［J］．機器人，2015，37(2):212－223．XIONG Zhonggang，YE Zhenhuan，HE Juan，et al．Small agriculturalmachinery path intelligent tracking control based on fuzzy immune PID［J］．Robot，2015，37(2):212－223．(in Chinese)

24 李逃昌，胡靜濤，高雷．基于級聯式控制策略的農業機械魯棒自適應路徑跟蹤控制［J］．機器人，2014，36(2):241－249．LITaochang，HU Jingtao，GAO Lei．Robust adaptive path tracking control of agriculturalmachines based on cascaded control strategy［J］．Robot，2014，36(2):241－249．(in Chinese)

25 畢偉平，張歡，瞿振林，等．基于雙目視覺的主從式果園作業車輛自主跟隨系統設計［J］．湖南農業大學學報，2016，42(2): 344－348．BIWeiping，ZHANG Huan，QU Zhenlin，et al．Design of autonomous following system for master slave vehicles operating in orchard based on binocular serveo vision［J］．Journal of Hunan Agricultural University，2016，42(2):344－348．(in Chinese)

26 BAIXiaoping，HU Jingtao，GAO Lei，etal．A sliding-mode variable-structure controller based on exact feedback linearization for automatic navigation system［J］．International Journal of Agricultural and Biological Engineering，2016，9(5):158－165．

27 張美娜，呂曉蘭，陶建平，等．農用車輛自主導航控制系統設計與試驗［J/OL］．農業機械學報，2016，47(7):42－47．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=20160707＆journal_id=jcsam．DOI:10．6041/j．issn．1000-1298．2016．07．007．ZHANGMeina，LXiaolan，TAO Jianping，et al．Design and experiment of automatic guidance control system in agricultural vehicle［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(7):42－47．(in Chinese)

28 劉進一，杜岳峰，張碩，等．基于GNSS/MIMU/DR的農業機械組合導航定位方法［J/OL］．農業機械學報，2016，47(增刊): 1－7．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．aspx?flag=1＆file_no=2016s001＆journal_id=jcsam．DOI: 10．6041/j．issn．1000-1298．2016．S0．001．LIU Jinyi，DU Yuefeng，ZHANG Shuo，etal．Automatic navigationmethod for agriculturalmachinery based on GNSS/MIMU/DR information fusion［J/OL］．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(Supp．):1－7．(in Chinese)

Harvester Group Corporative Navigation Method Based on Leader-Follower Structure

BAIXiaoping WANG Zhuo HU Jingtao GAO Lei XIONG Feng
(Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China)

With the improvement of the farm mechanization level，more‘corporate’style farming emerged．For example，more than one harvester collaborated with each other to complete the task of harvesting operations．The new‘corporate’style farming created several new challenges for the agricultural machinery navigation，and the group navigation was the trend of the development of agricultural machinery navigation technology．Group collaborative navigation control is the critical technical problem to be resolved．In order to solve this problem，a collaborative navigation controlmethod based on the leader-follower structure was proposed．Firstly，the harvester group based on master-slave structure was introduced，and a kinematics model of harvester group was established on the basis of kinematics analysis．Secondly，a formation keeping control law and a path following control law were designed on the basis of feedback linearization and slidingmode control theory．Finally，in order to verify the effectiveness of the proposed model and method，the formation experiments were carried out．When the leader and follower ran at speed of 1.0 m/s，the average error of the leader and follower were respectively 5.81 cm and 5.93 cm．The experimental results showed that the average navigation errors of the harvester group were similar to the average navigation error of a single farm machinery，and the proposed method could meet the harvester navigation demand．

harvester group;leader-follower structure;collaborative control;path following;formation keeping

TP24

A

1000-1298(2017)07-0014-08

2016-11-17

2016-12-20

國家重點研發計劃項目(2016YFD0701903)和遼寧省科技攻關計劃項目(2015104005)

白曉平(1986—)，男，助理研究員，博士，主要從事農機導航研究，E-mail:baixiaopin@sia．cn

胡靜濤(1963—)，男，教授，博士生導師，主要從事農機精準作業控制技術研究，E-mail:hujingtao@sia．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．002