六轮差速越野车分层控制策略研究与实现

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近年来,自主移动机器人的应用范围逐渐扩大,在传统的国防、工业、农业、服务业等行业发挥着越来越重要的作用。其中轮式车辆不仅具备轮式移动机器人的基本优点,同时具备良好的野外越障能力、爬坡能力、过沟能力,且差速转向底盘能提供优越的转向性能,实现普通车辆模型不能实现的原地转向模式,尤其适合作为野外复杂路面的自主无人车。另一方面,各类传感器飞速发展,精度更高,响应更快;计算机性能更高,计算速度更块,能处理更复杂的图形;控制理论可以面向更多的复杂场景与模型;机器人技术更加完善,更智能、更智慧。考虑到在现实生活中广泛存在着的复杂环境与上述技术的逐渐成熟,自主无人车拥有了更宽广的舞台。在对自主无人车的研究中,面向复杂非结构化环境的运动控制技术一直是一个热点以及难点问题。在移动机器人上应用基于动力学模型可以更好的适应复杂环境,这类控制器目前已经在国内外广泛研究,然而,许多研究目前只能在仿真中实现,没有做出实物。因此,本文基于某六轮差速越野车建立了底盘的运动学和动力学模型,提出了底盘运动控制的分层控制策略。针对底盘控制系统的上层指令跟踪控制层,提出了基于模糊滑模的横摆力矩控制器,实现了驾驶员目标指令的有效跟踪;针对底盘控制系统的下层转矩分配层,提出了基于目标优化的转矩分配算法,实现了附着利用率最优的力矩分配。最后对该六轮差速越野车进行了零部件测试与基本功能测试,解决了测试过程中的通信和控制问题并部分测试了本文所设计的算法。论文的研究内容安排如下:(1)根据六轮差速越野车的特点,针对野外情况下存在的扰动多,摩擦系数小的情况,设计了一种基于分层策略的动力学控制方案,其中上层控制器采用模糊的滑模控制算法,下层基于轮胎利用率最优的转矩分配算法将上层结果分配到六轮。其中滑模控制可以显著地提高系统抗扰动性能,基于模糊的增益调节规则可以使系统在的稳定过程更加平滑,基于附着利用率最优的转矩分配算法可以有效地降低六轮利用率,使车辆行驶更稳定。(2)针对现有的某六轮差速越野车,设计了底层运动控制系统以及数据传输策略。该控制系统可以满足本文所用的越野车的设计要求,使其在有人/无人驾驶之间切换,并且可以超远程操纵车辆在越野场地行驶。最后严格测试了车辆所需要用到的关键零部件,确保其性能满足装车条件。(3)针对现有的某六轮差速越野车底盘,完成了控制算法的测试。
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