基于UWB的无人车编队控制研究与实现

作     者：段宇鑫 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：柏艳红

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0838[工学-公安技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：UWB定位技术 编队控制 避障策略 实验系统 

摘      要：无人车编队是指由多辆无人车组成的集合,它们通过相互通信和协调,以一定的队形行驶并完成多种任务。相较于单个无人车构成的系统,无人车编队可以极大的提升工作效率、节约成本和降低安全隐患,因此在自动驾驶、物流运输和消防救援等领域具有广泛的应用前景。编队控制算法和避障策略作为无人车编队的重要研究内容,对实现更精确和快速的无人车协同具有重要意义。本文针对室内复杂环境下巡检无人车队的协同问题,重点研究编队控制算法和避障策略,同时开展无人车编队实验系统设计以及无人车位置信息获取交互实现的研究,并在基于UWB的无人车编队实验系统上进行测试,本文的主要工作如下: 根据编队过程功能需求,设计基于UWB的无人车编队实验系统。首先提出编队实验系统的总体方案,其次根据方案对系统硬件平台进行选型开发,最后设计软件部分完成无人车轨迹追踪和数据收发监视,为后续提出的无人车编队控制算法和避障策略验证提供物理实验平台。 针对无人车的相对位置信息获取和交互问题,首先设计UWB定位系统基站布局,通过对UWB数据流进行处理,完成无人车位置信息的获取;其次对UWB定位系统的精度进行测试,测试结果表明定位系统的准确度较高,可以满足编队任务需求;最后提出基于Zigbee的信息交互框架,设计通信协议,实现无人车之间的位置信息交互。 针对传统基于相对位置的编队控制算法易导致编队内部碰撞风险及计算量繁重的问题,采用分阶段处理策略,从编队过程中编队形成和编队行进两个阶段进行解决。在编队形成过程中,提出动态交互控制准则进行改进,通过控制无人车之间的最小安全距离和最大位置信息交互距离,提高算法对不同环境的适应性;在编队行进过程,提出基于动态交互的领航跟随编队算法,采用动态调整方领航者与跟随者相对距离的方式,以解决无人车编队在行进过程中的队形保持困难和信息交互冗余问题。针对不同障碍物环境下避障方式的选择问题,提出基于队形变换的编队整体避障策略。设计收缩避障和切换队形避障两种避障模式,建立编队队形信息库,根据队形变换率确定目标切换队形,使无人车能够在面对不同障碍物环境时做出最优的队形选择。 通过搭建的编队实验系统进行编队形成、编队行进和编队避障实验,验证所提出编队控制算法和避障策略的有效性。