非结构化道路下无人平台路径规划与运动控制研究

作     者：华信成 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王建华

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：非结构化道路 无人平台 路径规划 运动控制 通行能力 

摘      要：近年来,地面无人平台凭借其在复杂结构环境下具有良好的动力性与通过性的优势,被广泛应用于物资运输、地形勘测和户外救援等任务。为进一步提高无人平台执行任务效率、减少人力成本投入,对无人平台提出了在非结构化道路下实现完全自主化的更高要求。但是,与城市平坦道路等结构化场景不同,非结构化环境地面起伏不平,地形错综复杂,且没有明确的道路边界,这给无人平台自主行驶造成极大困难,尤其是在路径规划和运动控制环节。而目前的无人驾驶技术多面向铺装路面的行驶环境,不可直接应用到非结构化道路下。因此,本文结合某工程研发项目,以六轮无人平台作为研究对象,对非结构化道路下的路径规划方法和运动控制方法进行研究,主要研究内容包括以下几个方面:第一,对非结构化道路下无人平台的通行能力大小量化开展研究。首先,从地形几何特征的角度研究非结构化道路下评价无人平台通行能力强弱的关键指标;随后研究无人平台在典型非结构地形下的越障能力,计算得到无人平台极限越障性能参数;在通行能力评价指标和极限越障性能参数的基础上,构建了IOP(Index of Passibility)通行能力模型来综合量化无人平台在非结构化环境中的通行能力大小;最后,结合IOP通行能力模型和高程模型信息建立IOP栅格地图。第二,对无人平台在非结构道路下路径规划问题进行研究。设计了基于IOP通行能力模型的自适应启发函数,提出改进的A*路径规划算法进行全局路径规划。结合无人平台动力学模型约束和栅格边界约束,通过求解最优化问题进行局部轨迹规划。最后,在实验构建的IOP栅格地图上进行全局路径规划仿真和局部轨迹规划仿真。第三,对非结构化道路下的无人平台运动控制问题进行研究。建立了六轮无人平台轮胎模型、车轮动力学模型和复合坡道下的车体动力学模型;采用扩展卡尔曼滤波对无人平台所在坡面的横纵坡度角进行实时估计。随后建立无人平台误差跟踪模型,以横向误差、航向角误差以及二者的变化率作为状态量,车身期望横摆作为控制量,设计了模型预测控制横向控制器;以期望总驱动力作为控制量,纵向速度误差为基础设计控制率,使用滑模控制方法进行路径跟踪纵向控制,并进行滑模控制器稳定性分析。第四,进行无人平台运动控制算法仿真验证。首先,基于轮胎负荷率之和最小的原则和考虑无人平台驱动防滑控制进行转矩分配控制策略设计。利用MATLAB/Simulink搭建六轮无人平台运动控制综合仿真平台,包括环境地图模块、路径规划模块、运动控制计算模块和整车动力学模块。同时选取近似双移线工况和近似直线进行路径跟踪控制仿真,通过对仿真结果中误差指标进行量化对比分析,验证运动控制算法以及转矩分配控制策略的合理性和有效性。通过上述无人平台的通行能力大小量化、非结构道路下无人平台路径规划、非结构道路下无人平台运动控制和无人平台运动控制算法仿真验证四个方面研究,探索了无人平台在非结构化道路下的路径规划与运动控制关键技术,为无人平台自主化研究奠定理论基础。