融合自主与遥操作的无人车智能控制方法研究

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随着机器人的发展,遥操作技术已经在核废料处理、航空航天、医学和自动驾驶领域取得显著成就,实现机器人自动感知环境、自主规划决策、自行完成任务,是目前研究的最终方向,但目前的人工智能技术还远没有达到这种程度,人类的认知和决策始终更占据优势。故结合人类上层决策智慧和机器人底层控制任务执行的半自主遥操作方式,在危险环境下的应用仍有重大研究意义。半自主遥操作在自动驾驶领域的应用还存在很多研究空间,因此,本文针对半自主遥操作在无人车的控制领域做出以下研究:针对从端无人车的非完整约束特性进行研究。首先按照非完整系统的约束方式,对无人车世界坐标系下x和y方向的运动与航向角进行分析,建立描述车体与车轮运动关系的正逆运动学模型;其次建立从端无人车人工虚拟势场,针对无人车的非完整约束特性设计基于四极势函数的引力势函数;最后根据无人车运动势函数设计控制律,得出期望的前向速度、期望的角速度和定向角,由无人车当前位置信息与运动误差设计出基于无人车线速度和角速度的控制器。针对无人车的遥操作系统控制算法,采用位置—速度的映射方式进行控制设计。首先结合实际主从端设备的特征,建立主从端动力学模型;其次,无人车车轮纵向滑转和横向滑移的特性会造成从端环境的有源性,故采用时域无源控制器(TDPC)来补偿环境端的有源性,并设计无源控制律加入系统算法中进行主动能量的消耗,并与不采用TDPC时的情况作对比;最后,针对采用TDPC后的无人车遥操作系统的算法进行稳定性分析和证明。针对半自主遥操作系统的控制方式,首先提出任务空间加权函数来调整遥操作控制和自主控制之间的优先级;其次将自主控制部分控制器算法与遥操作控制算法结合,用任务空间加权函数进行调节,构成完整的半自主遥操作系统;最后针对半自主遥操作系统的特性进行研究,分析其稳定性,指令跟踪性和透明性。基于上述半自主遥操作系统的设计,进行了一系列实验加以测试验证。首先搭建主从端系统实验模型;其次根据人工势场算法对小车进行控制,测试小车的自主控制性能;然后,针对无人车的遥操作控制算法进行测试,验证TDPC对从端有源性的补偿作用;最后使用力反馈手柄对小车进行半自主遥操作,依据所提出的任务空间加权函数进行自主控制和遥操作的权重调整,并测量其指令跟踪误差。
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