Time-varying Guidance Vector Field-based Path Following Control for Hydraulic Excavators with Independent Metering

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.08.001

Abstract

Abstract:

It is difficult for hydraulic excavators to achieve high-precision path tracking in complex dynamic environments， a hierarchical control architecture was proposed based on time-varying GVF. Firstly， the normalized time-varying guidance vector field was constructed as the upper planner， and the convergence term was designed based on the Euclidean distance function to drive the system to converge to the parameterized target path globally. Then a dynamic feedforward compensation term was introduced， and the null space projection mechanism was used to eliminate the influences of time-varying path geometric deformation on the tracking performance of the manipulator， so as to ensure the dynamic tracking ability to the target path. In addition， the ultimate boundedness of the system under model uncertainty and external disturbance was proved by Lyapunov stability theory， and the quantitative relationship between disturbance intensity and tip trajectory deviation was derived. Furthermore， a singularity avoidance mechanism was proposed to ensure the uniqueness and continuity of the global workspace solution of the vector field corresponding to the tip trajectory of the excavators. For the independent hydraulic system of the valve port， the lower controller designed a coordinated control strategy of oil inlet flow and oil return pressure to achieve high-precision tracking of the output commands of the planner and improve the energy efficiency of the systems. Finally， the effectiveness of the algorithm was verified by simulation.

Key words: guide vector field（GVF）, time-varying path tracking, independent metering, flow/pressure control

摘要：

针对液压挖掘机在复杂动态环境中自主作业难以实现高精度路径跟踪的问题，提出一种基于时变引导向量场（GVF）的层级控制架构。构造归一化时变引导向量场作为上层规划器，基于欧氏距离函数设计收敛项以驱动系统全局渐近收敛至参数化目标路径，在此基础上引入动态前馈补偿项，结合零空间投影机制消除时变路径几何形变对机械臂跟踪性能的影响，确保其对目标路径的动态跟踪能力。此外，通过Lyapunov稳定性理论证明系统在模型不确定性与外部扰动下的最终有界性，并推导扰动强度与齿尖轨迹偏差间的定量关系，进一步地，提出奇异点规避机制以确保挖掘机齿尖运动轨迹对应的向量场在全局工作空间解的唯一性和连续性。针对阀口独立液压系统，下层控制器设计进油流量-回油压力协同控制策略，对上层规划器输出指令实现高精度跟踪的同时，提高了系统能效。最后通过仿真验证了所提算法的有效性。

关键词: 引导向量场, 时变路径跟踪, 阀口独立, 流量/压力控制

CLC Number:

TP601

JIANG Hongda, CHEN Junxiang, AI Chao, KONG Xiangdong. Time-varying Guidance Vector Field-based Path Following Control for Hydraulic Excavators with Independent Metering[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(8): 1811-1823.

姜宏达, 陈俊翔, 艾超, 孔祥东. 基于时变引导向量场的阀口独立液压挖掘机路径跟踪控制[J]. 中国机械工程, 2026, 37(8): 1811-1823.

Figures/Tables 23

Fig.1 Excavator kinematics model

Fig.2 Independent metering hydraulic system

Fig.3 Basic structure of time-varying vector field

Fig.4 Time-varying steering vector field control signal composition

Fig.5 Positive invariant set of bucket tip trajectory convergence

Fig.6 Synergistic regulation control block diagram of oil inlet flow and oil return pressure

Tab.1 Parameter initial value settings

动臂关节/（°）	10	齿尖速度/（m·s $- 1$ ）	0.3
斗杆关节角/（°）	-40	收敛增益 $k f$	20.5
铲斗关节角/（°）	-30	离散采样点数	1000
固定铰接点	（0，0）	$G D$	定义5
轨迹中心	（2.8，-0.7）	$H D$	定义6
正方形边长/m	0.8	流量控制器	（180，15，0）
倒角半径/m	0.8/7	压力控制器	（120，10，0）

Tab.1 Parameter initial value settings

动臂关节/（°）	10	齿尖速度/（m·s $- 1$ ）	0.3
斗杆关节角/（°）	-40	收敛增益 $k f$	20.5
铲斗关节角/（°）	-30	离散采样点数	1000
固定铰接点	（0，0）	$G D$	定义5
轨迹中心	（2.8，-0.7）	$H D$	定义6
正方形边长/m	0.8	流量控制器	（180，15，0）
倒角半径/m	0.8/7	压力控制器	（120，10，0）

Fig.7 Square target path tracking mining under the guidance of vector field

Fig.8 Bucket tip interference signal simulation in normal digging process

Fig.9 Boom and arm angular velocity command tracking（square target path）

Fig.10 Tracking error of boom and arm angular velocity command（square target path）

Fig.11 Joint angle of boom and arm（square target path）

Fig.12 Change value of distance function（square target path）

Fig.13 Pressure command tracking of boom and arm hydraulic cylinder return-oil chamber

Fig.14 Joint angle of boom and arm under strong impact

Fig.15 Change value of distance function under strong impact

Fig.16 Time-varying circular target path tracking mining guided by vector field

Tab.2 Parameter initial value settings

动臂关节角/（°）	20	齿尖速度/（m·s $- 1$ ）	0.3
斗杆关节角/（°）	-45	收敛增益 $k f$	18
铲斗关节角/（°）	-30	离散采样点数	2000
固定铰接点	（0，0）	$G D$	定义5
轨迹中心	（2.8，-0.7）	$H D$	定义6
圆形半径/m	0.3	流量控制器	（150，21，0）
路径时变速度/（m·s $- 1$ ）	0.025	压力控制器	（115，18，0）

Tab.2 Parameter initial value settings

动臂关节角/（°）	20	齿尖速度/（m·s $- 1$ ）	0.3
斗杆关节角/（°）	-45	收敛增益 $k f$	18
铲斗关节角/（°）	-30	离散采样点数	2000
固定铰接点	（0，0）	$G D$	定义5
轨迹中心	（2.8，-0.7）	$H D$	定义6
圆形半径/m	0.3	流量控制器	（150，21，0）
路径时变速度/（m·s $- 1$ ）	0.025	压力控制器	（115，18，0）

Fig.17 Boom and arm angular velocity commandtracking（circular target path）

Fig.18 Tracking error of boom and arm angular velocity command（circular target path）

Fig.19 Joint angle of boom and arm（circular target path）

Fig. 20 Change value of distance function（circular target path）

Fig.21 Time feedforward compensation term value

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