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面向分体式飞行汽车自主对接的自动驾驶底盘运动规划方法研究

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机械工程学报 2024年第10期60卷 235-244页

作者：郄天琪王伟达杨超李颖项昌乐北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401122

飞行汽车是引领汽车行业未来技术发展的战略新兴方向,分体式飞行汽车作为飞行汽车的主流构型之一,由自动驾驶底盘、智能操控座舱和垂直起降飞行器三部分组成,为完成各部分的自主对接和组合,自动驾驶底盘需要沿规划的路径精确行驶至起飞... 详细信息

飞行汽车是引领汽车行业未来技术发展的战略新兴方向,分体式飞行汽车作为飞行汽车的主流构型之一,由自动驾驶底盘、智能操控座舱和垂直起降飞行器三部分组成,为完成各部分的自主对接和组合,自动驾驶底盘需要沿规划的路径精确行驶至起飞行器正下方。当前运动规划方法缺乏对来自传感器、控制器和执行器等诸多不确定因素的考虑,导致路径跟踪过程中底盘行驶轨迹偏离规划轨迹,难以精确行驶至预定位置,完成对接。为解决这一问题,提出一种基于长短期记忆网络(Long short-term memory,LSTM)车辆模型的自动驾驶底盘轨迹规划方法。采用LSTM网络表征自动驾驶底盘的运动学特性,在此基础上建立车辆运动学模型。基于该模型,构建模型预测控制架构下的滚动时域优化问题。进而采用基于向量加权平均值的优化方法求解该非线性优化问题,得到符合底盘运动学特性的行驶轨迹。基于团队研制的分体式飞行汽车样机,将提出的规划方法进行试验验证。在转弯场景中,采用提出的方法的底盘平均纵向位置偏差、最大纵向位置偏差与传统模型预测控制(Model predictive control,MPC)方法相比分别下降了78.89%、79.64%和86.67%。

关键词：分体式飞行汽车自主对接运动规划模型预测控制

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分体式飞行汽车全自主对接导引系统设计与验证

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浙江大学学报（工学版） 2023年第12期57卷 2345-2355页

作者：王琛林威胡良鹏张骏铭长安大学工程机械学院陕西西安710064 中国兵器工业试验测试研究院技术中心陕西西安710043

研究针对分体式飞行汽车全自主对接导引系统的流程架构、软硬件系统、核心算法以及验证.根据导引方式的过渡,采用远程、中程、近程多段融合导引.针对YOLOv4-tiny实际使用中的误检、漏检情况,使用点密度聚类和核相关滤波算法提供光顺的... 详细信息

研究针对分体式飞行汽车全自主对接导引系统的流程架构、软硬件系统、核心算法以及验证.根据导引方式的过渡,采用远程、中程、近程多段融合导引.针对YOLOv4-tiny实际使用中的误检、漏检情况,使用点密度聚类和核相关滤波算法提供光顺的融合信息.提出修正因子方法以实现近程导引阶段AprilTag测量数据的融合修正,通过姿态补偿算法解决相机与无人机固连的相机姿态问题.引入暗光图像增强算法,将引入算法与视觉导引算法结合,以满足低照度环境下的对接导引需求.搭建仿真平台和工程应用平台,逐步对发展的流程、系统架构以及算法进行验证.试验结果表明,工程应用飞行平台可以导引安全、平稳且精准的降落任务,在圆锥形对接机构中的容许误差为6 cm、角度误差为5°.该结果证明提出的全自主对接导引技术精度良好且具有可靠性.

关键词：分体式飞行汽车全自主对接导引单目视觉 RTK-GPS 多传感器数据融合

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分体式飞行汽车对接系统设计及疲劳分析

分体式飞行汽车对接系统设计及疲劳分析

作者：王忠昊长安大学

学位级别：硕士

针对当前愈演愈烈的城市交通拥堵问题,分体式飞行汽车作为一种全新的交通方式被提出,其能够通过模块间的不同组合对接,形成适用于路面与空中的两种交通模态,相较于传统的一体式飞行汽车,在扩展了城市交通维度的同时具有小体积、低负载... 详细信息

针对当前愈演愈烈的城市交通拥堵问题,分体式飞行汽车作为一种全新的交通方式被提出,其能够通过模块间的不同组合对接,形成适用于路面与空中的两种交通模态,相较于传统的一体式飞行汽车,在扩展了城市交通维度的同时具有小体积、低负载等特点。分体式飞行汽车的组成模块分别为飞行模块、乘客舱模块以及地面行驶模块,要实现三个模块间灵活且稳定的对接,对作为其关键技术之一的自主对接系统展开研究尤为重要。鉴于目前相关研究较少,故针对国内外各领域对接系统研究现状进行评估,提出一种新型分体式飞行汽车对接系统,并进行整体结构与机电系统设计,根据对接系统相关性能指标进行仿真验证,之后借助有限元的分析手段对其结构进行疲劳寿命预测,同时搭建了原理样机试验平台对分体式飞行汽车对接系统进行原理性验证。首先,针对分体式飞行汽车模态转换与行驶状态下的工作条件进行分析,结合总体项目要求,对对接系统工作方式与结构进行方案设计,确定上、下对接系统的导引及锁定方案,通过三维建模软件进行结构设计。同时结合分析条件对自主机电控制系统进行方案设计,确定了机电控制流程与通讯系统方案。其次,需要验证对接系统设计满足各项性能指标,对导引捕获域进行代数容差分析,验证了指定位姿偏差下的捕获范围满足要求,并通过ADAMS对分体式飞行汽车进行了各工况下对接系统的动力学仿真分析,同时对行驶状态下的载荷历程进行提取分析。之后通过对对接系统关键部件进行有限元仿真,校验了其强度满足极限工况下指标要求。然后,针对多种工况对对接系统进行疲劳寿命预测。借助ANSYS n Code Design Life结合之前得出的载荷历程,通过有限元分析结果进行载荷映射,结合材料的S-N曲线并基于名义应力法得到关键部件的损伤寿命云图,并通过计算得出各区域寿命较少节点的寿命时长,符合设计要求。最后,针对分体式飞行汽车对接系统搭建了50kg缩比样机试验平台,包括各模块样机框架以及对接结构缩比样机,同时基于嵌入式开发组建自主控制系统开发板,以及通讯系统相关的地面站显控界面,并进行了对接系统锁紧试验与全流程对接试验,验证了对接系统能够实现总体导引对接与锁定要求。

关键词：分体式飞行汽车对接系统有限元计算疲劳寿命分析

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分体式飞行汽车自主导引降落技术研究

分体式飞行汽车自主导引降落技术研究

作者：林威长安大学

学位级别：硕士

分体式飞行汽车作为一种能够大量减少出行时间、缓解城市交通运输压力的城市未来交通工具,其由飞行模块、乘客舱和地面行驶模块组成。其中,模块间的自主导引降落对接使分体式飞行汽车能够实现在飞行模态与地面行驶模态之间进行转换。目... 详细信息

分体式飞行汽车作为一种能够大量减少出行时间、缓解城市交通运输压力的城市未来交通工具,其由飞行模块、乘客舱和地面行驶模块组成。其中,模块间的自主导引降落对接使分体式飞行汽车能够实现在飞行模态与地面行驶模态之间进行转换。目前无人机自主导引降落技术存在相对定位数据获取源单一,定位数据易受环境影响,最终降落精度低等问题,且大多数研究集中在近距离的导引降落上,难以应用于全流程的分体式飞行汽车高精度自主导引降落上。为了解决上述问题,本文提出了一种基于多传感器数据融合的自主导引降落技术,结合RTK-GPS在大范围与视觉传感器在小范围高精度定位的特点,来获得更加精准、稳定的分体式飞行汽车模块间的相对位姿测量,以指导飞行模块在飞行过程中不断修正位姿偏差,最终完成全流程自主导引降落任务。对于自主导引降落过程中待对接模块的检测识别定位问题,在中程导引阶段使用Yolov4-tiny算法得到目标在像素坐标系下的定位信息,针对目标识别定位过程中出现的误检、漏检情况,使用基于滑动窗口的目标检测点密度聚类方法以及KCF核相关滤波算法分别对错误检测帧进行查找、修正。在近程导引阶段使用视觉基准库Apriltag算法以提供厘米级的近距离定位精度,并进行姿态补偿以提高算法在风扰条件下的适应性。对于自主导引降落过程中精准稳定的模块间相对定位测算问题,使用了基于卡尔曼滤波多传感器数据融合的模块间相对位姿定位算法,融合RTK-GPS与视觉定位数据以获得更加精准、稳定的模块间相对位姿检测信息流。并在近程导引阶段使用基于修正因子的数据融合方法,试验表明基于修正因子的近程数据融合算法的位置估计误差比原算法降低约28%。对于自主导引降落过程中便捷式状态数据显示、控制集成问题,首先分析了参与自主导引降落过程的各类传感器数据通讯方式、传递流向问题,然后针对系统的需求对显控集成模块所应具备的功能进行分析梳理,并基于Qt-ROS的环境中完成显控集成模块相应的设计开发工作,使自主导引降落过程可控化、信息化、便捷化。为对所提算法的可行性以及所设计开发软件的实用性进行验证,搭建了无人机自主导引降落仿真平台以及实际工程应用平台,分别在两种平台下验证了待对接模块识别定位算法、多传感器数据融合定位算法的可行性以及显控集成模块的实用性,最终还在分体式飞行汽车原理样机上完成了自主导引降落试验。

关键词：分体式飞行汽车无人机自主降落单目视觉 RTK-GPS 多传感器融合

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分体式飞行汽车新型对接机构设计和拓扑优化

分体式飞行汽车新型对接机构设计和拓扑优化

作者：王方方长安大学

学位级别：硕士

分体式飞行汽车是由飞行模块、乘客舱模块和地面行驶模块组成,能够进行不同模态切换,改善现有飞行汽车体积大、能耗大、航程小等缺点,可以很好的融入现在城市交通系统中。其中各模块之间的对接系统使飞行汽车能够实现地面模态和飞行模... 详细信息

分体式飞行汽车是由飞行模块、乘客舱模块和地面行驶模块组成,能够进行不同模态切换,改善现有飞行汽车体积大、能耗大、航程小等缺点,可以很好的融入现在城市交通系统中。其中各模块之间的对接系统使飞行汽车能够实现地面模态和飞行模态之间进行快速转换。目前较为成熟的对接技术主要用航天器对接、水下机器人对接和其他工业机器人对接任务上,相较分体式飞行汽车对接系统其存在空间占比较大、质量大、结构复杂等问题,难以适应分体式飞行汽车轻量化设计的要求。为此设计一种安全性高、可靠性强、低空间占比和质量轻的能够实现大载重、适应各种复杂天气条件下的自主导引对接锁定系统是十分必要的。根据分体式飞行汽车对接系统的要求,本文进行了以下工作:针对分体式飞行汽车对接过程中相关结构定位、导引对接和锁定问题,根据分体式飞行汽车项目的总体要求和实际工况,进行了总体方案设计,并根据项目的设计指标确定总体工作流程。针对对接过程中安装位置出现应力集中、无法完成对接等问题确定了对接系统的安装位置、导引方式和锁定方式,并根据对接流程对机构进行详细的机械结构设计。根据对接系统的工作环境及其任务要求,对零部件进行相关分析。利用机器人运动学等相关知识,对结构的捕获域进行分析,确保设计的对接机构捕获域具有一定的冗余度。通过对实际工况分析获得相关零部件有限元分析和动力学分析条件,基于上述条件开展零部件的运动学仿真、静力学分析,验证对接机构的指标性、功能性要求。采用拓扑优化理论对机构进行轻量化设计,考虑到分体式飞行汽车的实际运行状态和对续航能力的需求,对相关机构进行轻量化设计。对比优化前后的结构,发现结构力学等性能参数均有一定程度的增加,特别是低阶频率明显提高,避免对接机构在外部激励的情况下发生共振,优化后结构总体减重21.11kg,对接机构质量明显降低。根据本文设计的对接系统搭建原理试验平台,通过原理样机对对接机构的捕获域和锁紧性能进行相关的试验验证。通对试验数据的分析,所设计的对接机构能够很好的适应各种复杂天气情况和相对较为复杂的工况环境,满足分体式飞行汽车的总体性能指标和设计要求。

关键词：分体式飞行汽车对接系统捕获域拓扑优化

面向分体式飞行汽车对接锁定的机电系统设计与验证

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吉林大学学报(工学版) 2023年

作者：王琛雒特惠倩倩王忠昊王方方长安大学工程机械学院

采用“型面滑动导引+多点锁定”的思想设计对接机构的方案，依据捕获域理论和动力学仿真进行对接过程的静态/动态分析，建立缩比试验平台并进行多科目的对接锁定试验，验证了分体式飞行汽车对接的可靠性、稳定性和快速性。通过控制通讯... 详细信息

采用“型面滑动导引+多点锁定”的思想设计对接机构的方案，依据捕获域理论和动力学仿真进行对接过程的静态/动态分析，建立缩比试验平台并进行多科目的对接锁定试验，验证了分体式飞行汽车对接的可靠性、稳定性和快速性。通过控制通讯系统与机械导引，分体式飞行汽车能够完成水平偏差±100mm，航向偏差±5°条件下的位姿校正并实现可靠的多点对接锁紧，实验结果表明该对接系统能够准确、稳定和快速的进行模态切换。

关键词：机械设计及理论分体式飞行汽车机电系统模块化设计捕获域

基于DFMEA与改进AGREE法的分体式飞行汽车对接系统可靠性设计

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机械设计 2022年第12期39卷 17-23页

作者：贺朝霞邢增飞王星哲卢晓煜长安大学工程机械学院陕西西安710064 惠州亿纬锂能股份有限公司广东惠州516000

分体式飞行汽车能够缓解城市交通拥挤、港口运输不便的困境,飞行模块和乘客舱之间设计可靠度高、低空间占比、小质量的对接系统是分体式飞行汽车研究的关键问题之一。结合DFMEA风险评估与改进的AGREE可靠性分配法以期在设计之初保证产... 详细信息

分体式飞行汽车能够缓解城市交通拥挤、港口运输不便的困境,飞行模块和乘客舱之间设计可靠度高、低空间占比、小质量的对接系统是分体式飞行汽车研究的关键问题之一。结合DFMEA风险评估与改进的AGREE可靠性分配法以期在设计之初保证产品质量和系统可靠度。首先完成自主上对接系统的详细结构设计,采用DFMEA的评级准则,根据行业专家评分完成风险评估,确定飞行汽车上对接系统工作中的3类主要潜在失效模式。根据分体式飞行汽车对接系统可靠性要求,基于DFMEA中潜在失效的风险优先数将重要度与复杂度进行修正,建立改进的AGREE分配法,完成飞行汽车上对接系统各部分的可靠性分配。结果表明,该方法能针对第一类潜在失效模式实现有效的可靠性设计。

关键词：分体式飞行汽车对接系统 DFMEA风险评估可靠性设计

基于AprilTag的分体式飞行汽车自主导引对接方法研究

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计算机测量与控制 2021年第6期29卷 176-180页

作者：林威王琛胡良鹏长安大学工程机械学院西安710061

分体式飞行汽车作为一种新概念空中陆地交通工具,可解决当前频繁发生的城市交通拥堵、城市郊区交通不便捷等问题;针对分体式飞行汽车进行模态转换时涉及的模块间精准导引对接问题,提出了一种基于AprilTag的视觉定位导航方案,将AprilTag... 详细信息

分体式飞行汽车作为一种新概念空中陆地交通工具,可解决当前频繁发生的城市交通拥堵、城市郊区交通不便捷等问题;针对分体式飞行汽车进行模态转换时涉及的模块间精准导引对接问题,提出了一种基于AprilTag的视觉定位导航方案,将AprilTag识别算法的解算结果进行坐标变换后,得到模块间的相对位姿,再结合基于无人机PID控制器的导引对接降落流程设计,解决了因GPS定位误差大而无法达到厘米级精度的导引对接任务需求的问题,并提升了导引对接降落过程的平稳性;最后,在ROS平台利用实物实验验证了该方案的可行性。

关键词： AprilTag 视觉定位导航分体式飞行汽车 PID ROS