设施园艺移动平台分布式驱动自适应防滑控制

针对设施园艺特殊作业场景对电驱移动平台灵活作业与高操纵稳定性需求,该研究设计了一种四轮轮毂电机独立驱动的分布式设施园艺电驱移动平台,并提出了一种可提高转向灵活性与稳定性的自适应防滑控制策略。在该控制策略中,首先构建电驱移动平台动力学模型与Ackermann差速转向模型,结合速度瞬心原理及轮胎侧偏角确定各车轮转向目标转速;其次,为提高电驱移动平台对时变附着系数的适应能力,采用改进的强跟踪自适应无迹卡尔曼滤波算法设计复杂路面识别器,实现对路面附着系数准确估计;最后,设计基于自适应滑模算法的防滑控制器,根据路面附着系数估计值确定车轮相对最佳滑转率并实时控制滑转率。为验证所提控制策略的有效性,开展了Carsim-MATLAB/Simulink联合仿真与分布式设施园艺电驱移动平台实车试验。试验结果表明,所提控制策略可准确估计复杂道路下路面附着系数,降低车轮滑转率误差;在不变路面、对接路面与对开路面3种工况下,左侧车轮滑转率误差分别为0.031、0.015和0.038,右侧车轮滑转率误差分别为0.026、0.005和0.028;在不变路面与随机路面实测路况下,电驱移动平台路面附着系分别数约为0.44和0.47,最大滑转率分别约为0.69和0.68,有效抑制了轮胎转向时的过度滑转,提高了电驱移动平台的行驶稳定性。研究可为设施园艺车辆驱动防滑控制提供具体理论依据和实施方案。

四轮滑移转向移动机器人运动分析及轨迹跟踪控制

四轮滑移转向移动机器人因其结构简单可靠性高而被广泛使用,针对四轮滑移转向移动机器人转向运动,引入了3个运动学参数用于描述机器人转向运动,建立了移动机器人的动力学模型,并进行数值求解,得到3个运动学参数与机器人轮速之间速度变化关系,进一步得出滑移转向移动机器人在低速工况下可等效为轮式差速机器人,为滑移转向机器人运动控制和路径规划提供了理论参考。根据所建立的运动学模型轨迹跟踪问题,利用Lyapunov直接法设计了基于反步控制(Backstepping Control)的非线性反馈控制率。仿真结果表明:所提出的控制方法具有有效性。

滑移转向车辆的电机转向力矩控制研究

针对滑移转向车辆横向控制困难的问题,通过构建电机控制力矩分配双层结构模型,设计了一种针对滑移转向车辆的横向控制算法。基于车辆运动学和动力学,推导出电机转向力矩与横摆角速度平衡方程,以此改进并提出一种自抑滑移的电机转向力矩前馈控制算法。使用Trucksim和Simulink对车辆在双移线实验工况下联合仿真,结果表明在设计算法控制下,车辆可以快速稳定跟随横摆角速度指令,且上述算法具有一定自动抑制滑移率突变的自适应性,有效提高了滑移转向车辆的横向稳定性。

轮毂电动机驱动滑移转向车辆驱动力控制

为提高滑移转向车辆机动性和稳定性,以轮毂电动机驱动滑移转向车辆为研究对象,充分利用转矩矢量控制在车辆动力学中的优势,针对传统滑模控制存在抖振问题,提出了一种基于自适应模糊滑模控制(adaptive fuzzy sliding mode control,AFSMC)的直接横摆力矩控制方法.设计自适应模糊滑模控制器,计算跟随控制目标所需的附加横摆力矩,构建模糊系统实时逼近变增益符号函数,模糊自适应律通过Lyapunov方法导出,提高控制策略的鲁棒性并抑制输出控制量的抖振问题.对下层控制器,提出了一种基于优化分配的驱动力分配方案,根据轮胎负荷率和加权因子建立目标函数.所提出的策略充分考虑了车辆的非线性动力学特性.实车试验结果表明:所提出的控制策略能够在车辆操纵性和稳定性方面获得良好的性能,控制系统具有较强的鲁棒性.

基于分层控制策略的六轮滑移机器人横向稳定性控制

六轮野外机器人通常体积庞大,难以建立其动力学模型.采用传统的速度控制方法很难保证机器人的横向稳定性.为解决这一问题,开展基于分层控制策略的六轮滑移机器人横向稳定性控制研究.首先分析整车受力情况,建立六轮滑移机器人的动力学模型.其次,设计基于分层控制策略的动力学控制器,其中上层为基于改进趋近律的滑模控制器,实现对期望横摆角速度的跟踪;下层为基于附着率最优的转矩分配控制器,该控制器可以保证机器人行驶的横向稳定性.最后,在不同工况下进行仿真实验,并搭建实验平台进行实物测试.结果表明设计的控制器可以有效提高机器人的横向稳定性.

基于分层控制器的轮式滑移转向机器人轨迹跟踪控制

针对采用滑移转向方式的轮式机器人,分析了其运动学模型与动力学模型,提出了用于轨迹跟踪控制的分层控制器。基于滑移转向机器人的运动学模型,设计了用于上层轨迹跟踪的模型预测控制器,实现轨迹的快速跟随;基于滑移转向机器人的动力学模型,设计了用于底层速度与横摆角速度跟随的滑膜控制器,实现运动速度的快速跟踪;通过跟踪微分器对轮速微分信号进行滤波,避免噪声的影响。最后通过Simulink与Trucksim联合仿真,验证了所提出的分层控制器的有效性。

四轮轮毂电机驱动农用无人车差速转向建模与分析

滑移现象的存在对差速转向车辆运动学模型的建立造成困难。为准确分析无人车的差速转向特性,基于大半径转弯前提,建立无人车的二自由度差速转向运动学模型,分析理想情况下内外侧车轮速度差与转弯半径之间的关系。并使用自主研制的四轮轮毂电机驱动农用无人车进行试验,通过高精度霍尔传感器和惯性导航系统测量实车差速转向时的行进速度和行驶路径等参数,分析出存在的滑移现象导致转弯时内外两侧车轮转速差大于车轮处真实速度差,计算得到二者之间的拟合方程,并引入误差系数对模型进行修正。结果表明:在考虑滑移现象的情况下,将四轮速度与运动学模型相结合,可计算得实时转弯半径大小,平均绝对误差为4.033%,最大误差为6.715%,可有效指导无人车的航路推算。

基于双闭环结构的SSMR自抗扰轨迹跟踪控制器设计

为了实现四轮滑移转向移动机器人(SSMR)在受滑移和外界扰动情况下的高精度轨迹跟踪控制,设计了一种基于双闭环结构的自抗扰轨迹跟踪控制器,并给出了稳定性证明。首先要解决四轮SSMR旋转分运动对控制性能带来的影响,通过提出虚拟轮间距概念,引入无量纲参数,将旋转分运动的不确定影响通过虚拟轮间距来反映,并以此优化了传统机器人的数学模型;然后又考虑到机器人工作环境中的外界扰动影响,设计了双闭环结构的自抗扰轨迹跟踪控制器。该控制器具有结构简单、控制参数少、易于应用的特点;最后在软件仿真的基础上进一步搭建了实物仿真测试,并与传统PID方法进行了对比,结果表明该控制方法的轨迹跟踪精度更高,且抗扰性能提升了一倍以上。

四轮驱动滑动吸盘爬壁机器人的动力学研究

研究了四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人在滑动导向运动方式下的动力学问题.首先分析了机器人在壁面上安全移动的运动状态和约束条件,然后对驱动轮支撑力分布、驱动轮与壁面间的横向摩擦力以及密封圈摩擦力进行分析,进而基于牛顿—欧拉法建立了机器人的动力学方程,并用驱动力矩安全系数来表征驱动力矩的安全程度.通过动力学仿真,分析了吸附压力、驱动轮分布、密封圈刚度等对驱动力矩的影响,为四轮驱动滑动吸盘式爬壁机器人结构优化和安全运动控制提供理论依据.

履带车辆转向分析

分析了履带接地段滑动时履带车辆的转向规律。推导了履带接地压力为均匀分布与集中载荷2种典型条件下转向所需牵引力、制动力、转向阻力矩、转向半径及转向角速度的表达式。采用迭代法求解转向平面运动方程,并与实车试验作了比较。试验结果表明:建立的考虑履带接地段滑动时的转向模型是合理的;接地压力均匀分布条件下考虑履带接地段滑动时,转向半径较传统转向理论计算值增大,转向角速度低于传统转向理论计算值;集中载荷条件下车辆转向更为困难。

轮式移动机器人滑动转向研究综述

轮式移动机器人滑动转向涉及车体、车轮的动力学和路面的属性 ,是一个复杂的运动现象。本文介绍了滑动转向的原理 ,把解决轮式移动机器人控制问题的方法分为两大类 :硬模型方法和软模型方法 ;介绍了滑动转向时的功耗问题和转向结构的研究现状 ,对轮式移动机器人转向方法的发展方向进行了展望。

轮式车辆速差转向过程的转向阻力特性

研究了轮式速差转向车辆的转向阻力特性,运用离散单元方法(DEM)分析速差转向过程中轮胎与地面的相互作用,使用PFC2D软件建立轮胎侧向离散元细观仿真模型,得到转向阻力与相对滑移速度、下陷深度的数值关系。在此基础上,给出了轮胎转向阻力系数的拟合公式。仿真结果表明,轮胎推土阻力远大于轮胎与地面之间的摩擦力。

轮式差动转向无人车运动跟踪控制的研究

在分析车辆传动系统结构特点的基础上,基于差动转向原理,将无人车的运动跟踪控制分为:基于左右轮平均轮速的直线行驶控制和基于左右轮轮速差的行车转向控制。同时,基于抗积分饱和的比例积分控制法,提出了直线行驶下的车速跟踪控制算法;基于状态反馈法,提出了行车转向下的横摆角速度跟踪控制算法。最后,通过实车试验对提出的运动跟踪控制算法进行验证,实现了目标车的遥控行驶。

基于速度控制的轮式滑动转向移动机器人航向跟踪

针对轮式滑动转向移动机器人(WSMR)航向跟踪困难的问题,提出了基于神经网络训练的速度控制航向跟踪算法.介绍滑动转向原理并建立模型,采用虚拟样机仿真软件ADAMS构建WSMR虚拟样机.结合Matlab采用提出的算法对样机航向跟踪进行动态仿真.可视化的三维仿真结果表明,该算法可有效地实现航向跟踪.

六轮独立驱动滑动转向车辆运动控制算法仿真研究

依据六轮独立电驱动滑动转向车辆转向原理及车轮扭矩独立可控的特点,结合驱动力优化分配及操控稳定性问题,提出了一种运动控制算法。该算法由速度控制器,转弯控制器和轮胎力最优分配控制器组成。其中,速度控制器和转弯控制器根据车辆状态产生整车所需总的纵向力和转弯横摆力矩,轮胎力最优化分配控制器根据轮胎垂直载荷优化分配各个车轮所需的扭矩。仿真结果表明:垂直载荷较大的轮胎获得了较大的驱动扭矩,与平均分配算法相比,采用轮胎力最优化分配算法,轮胎负荷率降低了9.79%,提高了车辆的操控稳定性。

基于载荷非均匀分布的轮胎侧偏特性研究

为了研究速差转向过程中的轮胎工作状态,提出了一种基于二维载荷分布规律的轮胎侧偏特性的一般理论模型.根据此模型对速差转向车辆的轮胎工作状态进行分析,推导侧向力及回正力矩表达式,提出了起滑曲线的概念,并给出了相应的简化方法.分析表明,在考虑轮胎横向载荷非均匀分布的情况下,轮胎侧偏特性与以往的横向平均载荷分布模型存在较大差别.

基于单轴模型的轮式速差转向车辆的转向动力学分析

通过对速差转向车辆进行简化,建立了其2自由度动力学单轴模型。在此基础上,考虑转向时轮荷的转移,给出整车的动力学微分方程,继而研究车辆参数对速差转向性能的影响。结果表明,速差转向轮式车辆的速度瞬心位于车辆几何中心之前,其内侧车轮仅在转向半径较小时吸收功率。

基于打滑条件下的履带车辆转向分析

研究履带车辆转向性能时传统履带车辆转向理论不考虑履带接地段的滑转与滑移,计算结果与实际存在一定差别。在分析履带与地面相互作用的基础上,基于滑转滑移条件讨论履带车辆平稳转向的实际过程,导出了履带牵引力、制动力、转向阻力矩、转向半径和转向角速度的表达式,采用迭代法求其数值解,和传统转向理论的相关结果作了定量比较,并进行了实车试验。结果表明,考虑履带接地段打滑后相对转向半径约为不考虑打滑时的转向半径的1．5倍,即约为履带车辆接地长L与履带中心距B之比,转向角速度约为不考虑打滑时的2／3,考虑履带接地段打滑时转向半径与转向角速度同实车试验测定的数据相比误差在3％左右。表明建立的考虑履带打滑时的转向模型更符合履带车辆转向实际。

高速履带车辆转向过程分析与试验验证

为了准确分析高速履带车辆在转向过程中运动学和动力学参数的变化规律,在考虑高速履带车辆转向离心力和履带滑动的条件下,建立计算两侧履带与地面之间的作用力、转向阻力矩、转向半径、转向角速度等参数的运动学、动力学模型。分析研究结果表明,转向时履带与地面之间的滑动使两侧履带的作用力随转向半径的增大而逐渐减小,离心力对车辆转向性能也有一定程度的影响;与传统转向理论的计算结果相比,考虑履带与地面之间滑动时的转向半径是传统理论计算值的1.5倍左右,转向角速度是传统理论计算值的67%左右。实车试验结果表明,文中所建立的转向模型具有较好的准确性,更符合高速履带车辆转向的实际情况。研究结果可为新型高速履带车辆转向机构的设计和转向过程控制提供理论支持。

履带车辆小半径差速转向时滑转的载荷比研究

为分析履带车辆差速转向机构的转向性能,在考虑滑转的履带车辆实际转向情况的基础上,对履带车辆小半径差速转向时其载荷比和转向半径的关系进行理论分析,并获得两者间关系。通过样机试验和数据计算获得小半径差速转向且考虑滑转时的载荷比和转向半径数值,并绘制考虑滑转时载荷比与转向半径的实际关系曲线,发现在考虑滑转条件下实际转向时消耗的功率小于理论转向时消耗功率,且小半径差速转向时内侧履带滑转率大于外侧履带滑转率,同时发现根据土壤剪切作用也可以计算出考虑滑转的载荷比,虽然该方法计算的载荷比在数值上与实测载荷比有一定误差,但因其无需进行扭矩测试,可作为载荷比的定性分析方法,研究可为采用液压机械双功率流的差速转向机构履带车辆的研究提供参考。