复杂地形六轮独立驱动与转向机器人轨迹跟踪与避障控制

为研究六轮移动机器人在复杂地形的运动控制方法,针对六轮独立驱动与转向机器人复杂地形轨迹跟踪问题,提出一种预测控制和动态补偿的控制方法。基于非完整约束的线性六轮移动机器人运动学模型,以模型预测控制算法为基础,引入比例-积分-微分补偿控制器,抑制动态滞后引起的跟踪误差,设计速度与转向角动态反馈补偿,以应对地形扰动对轨迹跟踪的影响。分析机器人运动过程中障碍物的避碰问题,设计可求解避障轨迹的避障规划器,通过轨迹跟踪系统对局部避障轨迹进行跟踪控制,实现机器人的轨迹跟踪和自动避碰。对轨迹跟踪算法和避障算法进行仿真实验。实验结果表明:在典型工况下,机器人可完成凹形斜坡、凸形斜坡和凹凸地形正弦型轨迹跟踪控制和静态与动态障碍物避碰,验证了新方法的有效性。

四轮独立驱动与转向电动车辆运动控制系统及控制策略研究

介绍了一种四轮独立驱动与转向(Four-Wheel Independent Driving and Steering,4WIS-4WID)电动车辆的结构和原理,对其电子操纵系统进行了设计,在此基础上构建了一种基于CAN总线的车辆运动网络控制系统。该电动车辆具有全轮转向、前(后)轮转向、平行移动、原地转向等多种转向模式,分别对这些运动转向模式进行运动学建模。在控制策略上提出了一种分布式"位置—速度"双环反馈控制策略,各车轮转向角同时调节,车轮运动动态跟踪性能良好,车辆满足实时运动学要求。最后通过实车试验验证了网络控制系统结构和控制策略的有效性。

四轮独立转向-独立驱动电动车主动避障路径规划与跟踪控制

四轮独立转向-独立驱动电动车(4WIS-4WID EV)具有低速机动性强、高速稳定性好的特点,是一种理想的智能车构型。本文中针对4WIS-4WID EV进行了主动避障系统的设计,主要包括避障路径规划和跟踪控制。首先基于车辆运动学模型,提出了采用七次多项式的避障路径规划算法;然后基于简化2自由度车辆动力学模型,设计了模型预测路径跟踪控制器;为提高车辆主动避障过程中的操纵稳定性,路径跟踪控制算法采用四轮转向与直接横摆力矩控制技术。通过不同附着系数路面工况与侧风扰动工况仿真,验证了所设计的主动避障系统具有良好的避障能力和鲁棒性。

四轮独立转向/独立电驱动汽车四轮转向与横摆力矩集成控制研究

四轮独立转向/独立电驱动汽车具有四轮转角、四轮驱动力矩独立可控的优势,易于实现整车集成控制,针对其驱动转向集成控制问题,论文研究了四轮转向与横摆力矩的集成控制方法。采用比例四轮转向控制方法,建立二自由度参考模型,应用最优控制理论设计了四轮转向与横摆力矩集成控制器,通过对后轮附加转角控制和驱动力矩合理分配提高汽车操纵稳定性。应用CarSim与Matlab/Simulink搭建了整车模型、编写了控制程序,选取紧急避障双移线工况进行了仿真试验验证。试验结果表明研究的四轮独立转向/独立电驱动汽车集成控制方法能够保证汽车在紧急转向工况下具有良好的操纵稳定性。

基于四轮独立驱动独立转向操纵杆式汽车综述

四轮独立驱动独立转向电动汽车必定是未来发展的方向,针对四轮独立驱动独立转向电动汽车的发展和国内外研究现状,论文进行了综述。首先介绍四轮独立驱动独立转向电动汽车的结构和控制特点,对四轮独立驱动独立转向电动汽车国内外研究现状概括并进行说明。并对四轮独立驱动独立转向操纵杆式电动汽车提出一些存在的问题,并展望未来操纵杆转向系统的发展趋势。

4WID/S电动汽车独立转向的多电机协调控制

针对电动汽车四轮独立驱动/转向(4WID/S)中4个转向电机协调控制,设计以转速为控制量的多电机协调控制策略,实现各电机转速合理分配。在Matlab/Simulink中构建汽车动力学与两相混合式步进电机转速控制相结合的仿真模型,以TMS320F28335为控制核心构建实验台架,4个转向电机协调运行表明控制策略的可行性。

床椅一体化机器人设计与实现

针对床椅机器人在室内狭小空间灵活行走的问题,研制一款四轮独立驱动转向的床椅一体化机器人。根据室内狭小空间的转向需求,确定了底盘总体布局方案和主要技术参数。对重要部件进行了理论计算、有限元分析,对驱动轮支架进行了应力及形变分析;在ADAMS软件中建立了床椅机器人的动力学仿真模型,进行了稳定性分析。仿真结果表明,驱动轮支架的强度和刚度均满足设计要求,床椅机器人的各项指标符合国家相关标准的规定。样机试验进一步验证了仿真分析的结果,确认了床椅一体化机器人的稳定性、越障性能和在室内狭小空间的转向性能。

4WID-4WIS智能车阿克曼转向轨迹规划及位置估算

针对四轮独立驱动与四轮独立转向(four-wheel independent drive and four-wheel independent steering, 4WID-4WIS)智能车的转向行驶工况,基于阿克曼转向原理,提出一种利用三阶贝塞尔曲线进行轨迹规划的新方法。首先,采用最优函数获取一条满足智能车初始状态约束、目标状态约束和曲率连续约束且曲率差值最小的最优轨迹。然后,提出一种位置估算算法,即基于惯性导航系统测量的航向角和编码器的脉冲数对智能车的位置增量进行计算,从而估算其行驶时的位置,并推算运行轨迹的长度。最后,在MATLAB软件中对所规划的智能车轨迹进行仿真计算,并在实车试验平台上验证轨迹规划方法和位置估算算法的合理性和可行性。结果表明,4WID-4WIS智能车能够按规划的轨迹行驶到给定终点,其横向位置估算误差为0.19%,纵向位置估算误差为0.20%,运行轨迹长度推算误差为0.22%;相比于其他里程计算法、测距法等单一算法,所提出的位置估算算法的精度高,可为其他移动机器人的轨迹规划和位置估算提供参考。

分布式驱动电动汽车个性化智能控制关键技术综述

分布式驱动电动汽车四轮驱动力矩独立可控,各轮转矩和转速容易获得,相对于传统汽车具有明显控制优势,是进行车辆动力学最优控制的理想载体。论文主要针对考虑驾驶员特性的分布式驱动电动汽车个性化智能控制进行总结与分析,对基于个性化智能控制的车辆状态与参数估计、四轮独立驱动与独立转向电动汽车控制、驾驶员特性及行为意图辨识三方面研究进行了总结及分析。指出基于分布式驱动电动汽车载体,通过对车辆状态与参数的估计和对驾驶员驾驶特性的研究,可进一步提高新一代电动汽车动力学控制性能,加快其产业化并进行更深入的智能化研究。

作物表型信息获取机器人底盘设计与试验

为进一步提升农业机器人底盘田间适应性和行驶稳定性,面向我国山东地区小麦表型信息获取作业场景,设计了一种四轮独立驱动转向的农业机器人底盘。根据小麦种植农艺需求和行驶地形环境,确定了底盘总体布局方案和主要技术参数。分别开展了底盘驱动部件、转向部件以及摆臂平衡部件设计,并进行了参数校核和元件选型。建立了关键部件ANSYS有限元模型,分别进行了摆臂平衡机构的应力形变分析和车架振动模态模拟,仿真结果表明,摆臂平衡机构的强度和刚度均能满足设计要求,车架能够有效避免因地形激励产生的共振。建立底盘ADAMS动力学仿真模型,分别进行纵向、横向稳定性分析和单侧凸起、凹坑越障性分析,仿真结果表明,底盘横纵向稳定性能够满足设计要求,摆臂平衡机构能够有效补偿单侧障碍造成的质心高度变化,提高了底盘的行驶稳定性。田间试验表明,机器人底盘具有良好的行驶性能,硬质地面直线行驶平均偏驶率为0.51%,田间地面平均偏驶率为1.13%。原地转向中心点偏移量为3.1 mm,阿克曼转向最小转向半径为1125 mm。纵向翻倾角为34°,横向翻倾角为28°。单侧越障最大高度为160 mm,单侧跨坑最大深度为160 mm。

草莓采摘机器人控制系统设计与实现

本文针对田垄式草莓种植模式,设计并实现了具有四轮独立驱动四轮独立转向行走底盘、成熟草莓精准识别和定位、采摘机械手高效采摘功能的草莓采摘机器人控制系统。提高了传统草莓采摘机器人行走系统的灵活性以及草莓采摘成功率,降低了采摘机械臂的成本和控制复杂度。本文首先进行了总体结构和控制方案的设计,然后进行了控制系统软硬件方面的设计,最后进行样机相关制作与调试。实验表明,该控制系统符合预期目标,对田垄式草莓的采摘成功率达90%以上,可投入生产实际。

4WID-4WIS车辆横摆运动AFS+ARS+DYC模糊控制

对四轮独立驱动-独立转向(4WID-4WIS)车辆横摆稳定性控制进行研究。对侧偏角与横摆角速度之间的耦合性进行分析,提出了控制策略:当质心侧偏角比较小时以理想横摆角速度跟踪控制为主,当质心侧偏角比较大时以抑制质心侧偏角过大为主。基于模糊控制技术提出集成"主动前/后轮转向+直接横摆力矩控制("FRD)的新型车辆横摆稳定性控制系统。仿真结果表明,与直接横摆力矩控制(DYC)的车辆相比,FRD可明显降低车辆的制动力矩和车轮纵向滑移率,确保车辆在低附着路面上高速行驶时具有良好的横摆稳定性。

高速4WID-4WIS自主车路径跟踪控制

高4WID-4WIS自主车采用独立悬挂结构,所有车轮均可独立驱动、制动和转向.对自主车路径跟踪问题进行几何和运动学上的描述,结合Burckhardt非线性轮胎模型建立自主车作路径跟踪运动时的2阶动力学模型.提出自主车进行路径跟踪的协调控制体系结构,利用白抗扰控制方法设计路径跟踪系统纵向速度、侧向位移和横摆角运动3个动力学通道上的解耦控制器,使用非线性规划方法设计基于轮胎模型的控制分配求解器,并讨论了含系统参数误差的控制扰动问题.在大加速度条件下的双移线路径跟踪仿真结果表明,4WID-4WIS自主车能够快速、准确地跟踪路径,证明了本文路径跟踪控制方法的有效性.

无人驾驶高速4WID-4WIS车辆路径跟踪单点预瞄控制

针对无人驾驶高速四轮独立驱动独立转向(4WID-4WIS)车辆的驱动冗余、强非线性和不确定特性,提出一种基于控制分配和自抗扰控制法的路径跟踪单点预瞄控制方法。首先建立车辆单点预瞄路径跟踪系统的动力学模型。然后构建以控制分配器为核心的控制系统,使用自抗扰控制方法设计单点预瞄解耦控制器;提出目标生成器的类惯性环节算法,讨论其合理性;给出4WID-4WIS车辆路径跟踪控制分配问题的求解方法。最后进行仿真,结果表明所提方法能够实现快速、高精度的双移线圆弧路径跟踪控制。

无人驾驶高速AWID-AWIS车辆运动控制研究

无人驾驶AWID-AWIS车辆是一种全部车轮均可独立驱动/制动、独立转向的先进车辆,对其运动控制这一基础问题进行了研究。首先建立一种适于无人驾驶AWID-AWIS车辆的分层式运动控制体系结构,其上层为运动控制器,中层为控制分配器,底层为独立车轮伺服控制器;然后使用扩张状态观测器(ESO)和自抗扰控制(ADRC)方法设计车辆运动学/动力学集成式运动控制器;最后开展多种工况下的运动控制仿真,证明了控制方法的有效性,指出运动控制目标不能被简单地确定。

4WIS-4WID车辆横摆稳定性AFS+ARS+DYC滑模控制

针对四轮独立转向-独立驱动(4WIS-4WID)车辆,应用滑模变结构控制理论,设计前、后轮主动转向(AFS+ARS)控制器、横摆角速度直接横摆力矩控制(DYC)控制器和质心侧偏角DYC控制器。为协调横摆角速度和质心侧偏角间的耦合设计了协调控制器,对附加横摆力矩实施车轮驱动/制动协同分配。引入2自由度4WIS-4WID车辆参考模型,并将其横摆角速度和质心侧偏角的状态反馈给AFS+ARS控制器,完成AFS+ARS和DYC控制系统的集成。加入不确定车辆自身参数和阵风干扰,将控制策略应用于16自由度4WIS-4WID车辆模型上进行仿真验证,并与单纯AFS+ARS、传统PID和差压制动的DYC进行对比。结果表明,所设计的控制策略同时提高了系统的抗干扰性和精确性;拓展了系统的稳定域,进一步提高了车辆的主动安全性。

基于模型设计的4WIS-4WID车辆教学实验平台

提出一种具有线控转向功能的4WIS-4WID电动车实验平台,用于该车辆的研究及教学。首先分析了该车辆的结构及工作原理,设计了控制系统结构,然后设计了实验平台的测控方案。为了提高实验平台控制系统的开发效率及使用便利,实验平台采用基于模型的设计方法,该方法能直接从仿真程序自动生成底层应用代码。在实验数据采集方面,采用Lab VIEW编写数据采集系统。最后利用实验验证了所设计的实验平台的有效性。它为4WIS-4WID车辆的研究与多个实验项目的教学与实践提供了平台,也为基于模型设计的控制系统开发方法在高校课堂教学提供了实践经验。

一种面向4WID-4WIS载人月球车的控制系统

针对四轮独立驱动-四轮独立转向4WID-4WIS载人月球车协调稳定的控制问题,设计了一种载人月球车控制系统,包括电源、电力驱动、通信网络及动力控制模块。对整车纵向及横向的控制算法展开研究,并进行了地面不同速度下的行进试验、爬坡试验及满足阿克曼转向关系的转向试验。结果表明:整车能较好跟随目标速度,力矩分配均匀;月球车具备应对小型障碍及20°坡道工况的能力;转向过程稳定连续,稳态误差小于0.01°,前驱转向及四轮转向模式下,阿克曼转角误差均小于0.06°,验证了控制系统的有效性及稳定性。

分布式电动汽车底盘结构设计与仿真分析

针对当前智能化电动车辆的发展趋势,对四轮独立驱动/转向电动汽车底盘进行了研究,对车辆底盘传动结构进行设计。首先,在结构设计上满足四轮独立驱动/转向电动汽车的底盘要求,如直行、蟹行、原地转向等工况;然后,建立了整车多刚体动力学仿真模型,并对各种典型行驶条件下的车辆进行了动态仿真分析。最终得到整车底盘传动系统各主要承力部件的受力情况。通过仿真分析,可以在设计之初找到底盘受力的薄弱环节,为后续的车辆底盘设计和制造物理模型提供理论依据和技术参考。

基于4WID欗4WIS动力学模型的制动系统模糊控制器设计与仿真

4WID-4WIS电动汽车具有四轮转向角和驱/制动力矩独立可控的特点,在MATLAB/Simulink中建立十一自由度车辆制动动力学模型和包含后轮转向特性的二自由度参考模型。基于所建立的整车模型和参考模型设计制动系统模糊控制器,对不同转向输入和路况进行仿真试验。仿真结果表明,车辆在各制动工况过程中的行驶轨迹、横摆角速度和质心侧偏角都能够跟随各自期望值的变化,验证了基于4WID-4WIS电动汽车所设计的制动控制系统具有良好的制动稳定性。