丘陵果园轮腿式移动平台动态分层控制策略及其稳定性研究

为解决丘陵果园轮腿式移动平台因轮腿摆动导致的驱动稳定性问题，研究人员提出基于分层控制的动态控制策略，上层采用PID速度控制、EKF状态观测器和期望横摆力矩控制器，下层通过改进轴荷比例分配算法实现扭矩再分配。仿真与田间试验表明，该策略将侧偏角控制在±0.2°内，横摆角速度跟踪误差<0.0075 rad s?1，轨迹最大相对误差3%，验证了其在复杂地形中的有效性。

　　

丘陵果园因其独特的光照和通风条件成为优质水果种植区，但起伏地形给机械化作业带来挑战。传统轮式或履带设备难以适应坡地环境，而多足机器人虽稳定性强，却因高成本和复杂控制难以普及。近年来，兼具轮式移动效率和腿式地形适应性的轮腿式平台成为研究热点，但轮腿摆动会改变驱动力分布，导致轨迹偏移和速度失稳。针对这一问题，江西林业局油茶研究项目组设计了一种单关节轮腿式四足移动平台，提出基于分层控制的动态稳定性策略。

研究采用PID控制实现速度跟踪，通过扩展卡尔曼滤波(EKF)估计系统状态，结合滑模控制理论计算期望横摆力矩，并开发考虑轮腿摆角的扭矩分配控制器。仿真显示，该策略在转向工况下将侧偏角控制在±0.2°内，横摆角速度跟踪误差仅0.0075 rad s^?1，稳定行驶时速度相对误差1.2%。田间试验进一步验证其有效性：与模拟值相比，转向时轨迹和速度最大相对偏差分别为1.5%和10.2%。

结构设计
平台采用四轮独立驱动架构，各轮腿由步进电机控制单关节摆动，质心处姿态传感器实时监测侧倾/俯仰角。

控制策略
上层控制器整合PID速度模块、EKF状态观测器和横摆力矩计算模块；下层通过改进轴荷比例算法动态分配驱动力矩，抵消轮腿摆动引发的扰动。

仿真验证
转向工况测试表明，PID控制器能有效跟踪速度指令（最大误差0.06%），横摆力矩计算值与实际需求吻合，侧偏角始终低于±0.2°阈值。

田间试验
在真实果园环境中，平台转向时轨迹偏差<1.5%，验证了控制策略对地形扰动的鲁棒性。

该研究首次将动态扭矩分配与轮腿摆动补偿结合，解决了传统控制中忽视侧偏角的问题。相比六足机器人，该方案成本更低且控制复杂度适中，为丘陵农业机械提供了实用化技术路径。未来可进一步优化EKF参数以适应更复杂地形，或融合机器学习提升自适应能力。论文发表于《Biosystems Engineering》，为农业机器人领域贡献了创新性方法学参考。