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工程科学学报 2024年第8期46卷 1469-1478页

作者：张俊娜白国星山西机电职业技术学院长治046011 北京科技大学机械工程学院北京100083 唐山冀东装备工程股份有限公司唐山063200

针对类车机器人路径跟踪控制的研究工作尚未考虑主动调速与路径跟踪之间的关联,现有控制系统为了保证较高的路径跟踪控制精度只能将纵向速度设置为较低值.同时,在其他移动装备的主动调速路径跟踪控制策略中,以模型预测控制(Model predic... 详细信息

针对类车机器人路径跟踪控制的研究工作尚未考虑主动调速与路径跟踪之间的关联,现有控制系统为了保证较高的路径跟踪控制精度只能将纵向速度设置为较低值.同时,在其他移动装备的主动调速路径跟踪控制策略中,以模型预测控制(Model predictive control,MPC)为基础的多层模型预测控制(Multilayer MPC,MMPC)具有对于误差来源兼容性较强的优势,但是现有系统采用速度较高时精度不佳的线性模型预测控制(Linear MPC,LMPC)作为底层路径跟踪控制算法,因此纵向行驶速度仍然较低.针对这些问题,结合基于MMPC的主动调速路径跟踪控制框架、精确性和实时性均较好的前馈模型预测控制(Feedforward MPC,FMPC)底层路径跟踪控制算法与长时域预测精度较高的非线性模型预测控制(Nonlinear MPC,NMPC)顶层速度决策算法,构建了新的基于MMPC框架的主动调速路径跟踪控制系统.通过MATLAB和CarSim联合仿真对提出的MMPC系统进行了测试.提出的MMPC系统可以在平均行驶速度较高时实现较高精度的路径跟踪,在平均行驶速度为4.2859 m·s^(-1)时,位移误差的最大幅值为0.1838 m,航向误差的最大幅值为0.1350 rad.在纵向速度较高时,提出的MMPC相比恒速的FMPC、NMPC系统和已有的MMPC系统精度更高,在相同工况下,FMPC系统误差发散,提出的MMPC系统可以相对已有的NMPC和MMPC系统将位移误差最大幅值减小46.29%和62.22%.在能够保障较高精度时,提出的MMPC系统的平均行驶速度较高,相比已有的FMPC和MMPC系统,可以将平均行驶速度提高43.06%和317.48%,与NMPC系统指标接近.

关键词：类车机器人路径跟踪主动调速预测控制多层控制

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基于前馈模型预测控制的类车机器人路径跟踪

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工程科学学报 2024年第6期46卷 1130-1139页

作者：白国星伊力夏提·伊力哈木江付薛洁孟宇刘立顾青北京科技大学机械工程学院北京100083 北京科技大学顺德研究生院顺德528399 烟台南山学院智能科学与工程学院烟台265713

在类车机器人路径跟踪控制方法中,模型预测控制(Model predictive control,MPC)在处理系统约束方面具有较大优势,但是现有的非线性模型预测控制(Nonlinear MPC,NMPC)实时性较差,线性模型预测控制(Linear MPC,LMPC)精确性较差,因此亟需... 详细信息

在类车机器人路径跟踪控制方法中,模型预测控制(Model predictive control,MPC)在处理系统约束方面具有较大优势,但是现有的非线性模型预测控制(Nonlinear MPC,NMPC)实时性较差,线性模型预测控制(Linear MPC,LMPC)精确性较差,因此亟需提出一种同时具有较高精确性与实时性的类车机器人路径跟踪控制方法.为此,以无预瞄点的LMPC为基础,引入基于逆运动学模型的前馈转向角信息,提出了一种前馈模型预测控制(Feedforward MPC,FMPC)方法,并通过MATLAB和Carsim进行了联合仿真测试.FMPC具有较高的精确性,在所有仿真结果中,位移误差绝对值不超过0.1110 m,航向误差绝对值不超过0.1177 rad.在相同工况下,FMPC与NMPC精确性相当,LMPC、前馈控制和Stanley控制误差发散.FMPC也具有较高的实时性,在每个控制周期内的解算时间不超过4.31 ms.在相同工况下,FMPC与LMPC实时性相当,相比NMPC能将每个控制周期内解算时间的最大值减小80.68%,平均值减小65.14%.此外,FMPC能够保证控制变量在系统约束范围内,且受定位误差的影响较小.

关键词：机器人类车机器人路径跟踪预测控制实时性

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类车机器人单目视觉路径跟踪与障碍物检测系统研究

类车机器人单目视觉路径跟踪与障碍物检测系统研究

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作者：肖雪吉林大学

学位级别：硕士

轮式类车机器人是移动机器人的重要分支，其导航问题一直是科学研究中的焦点。视觉是人类获取周围信息的主要来源，同样也是机器人获取环境信息的主要手段。本文基于单目视觉的图像处理，研究机器人导航中路径跟踪和障碍物检测这两个基... 详细信息

轮式类车机器人是移动机器人的重要分支，其导航问题一直是科学研究中的焦点。视觉是人类获取周围信息的主要来源，同样也是机器人获取环境信息的主要手段。本文基于单目视觉的图像处理，研究机器人导航中路径跟踪和障碍物检测这两个基本问题。将机器人在运动过程中通过摄像头拍摄的连续图像序列作为输入，综合利用机器人与待跟踪路径的距离、角度和路径弯曲程度实现路径跟踪;根据光流场的分布特征和所包含的三维信息实现障碍物检测。整个系统分为视觉传感器端，图像理解决策端和运动执行端三个主要部分。其中视觉传感器端用于实时获得机器人前方环境图像;图像理解决策端主要负责图像预处理，采用特定图像处理和识别算法获取有用的场景信息和输出智能决策命令三个任务;运动执行端的作用是解析命令，控制机器人的转向和速度。论文的主要工作包括： (1)介绍基本图像预处理方法，包括图像灰度化、滤波、直方图均衡化。这些操作使算法在光照、黑暗两种特殊环境下依然具有良好的鲁棒性，为后续道路识别和光流计算提供优质图像。 (2)路径检测与跟踪是本文的研究重点之一。从仿人驾驶的角度出发，在原来的角度控制器基础上添加速度模糊控制器，在待跟踪路径曲率较大或机器人当前航向与路径方向有较大偏差时减速。不但可以实现快速正确的跟踪连续直线，对于弯曲程度较大的曲线也同样适用。针对这一设计，提出使用起始点和预瞄点表征路径的方法。其中起始点的图像坐标范围用结合阈值和边界的分割方法求得。预瞄点使用基于链码原理的边界跟踪法确定。 (3)提出了基于稀疏光流的障碍物区域判定方法。应用在机器人上的光流算法必须在保证精确度的基础上具有较快的计算速度，稀疏光流比稠密光流更适合。障碍物与周围背景具有不同的深度，两处会有不同的光流场，障碍物所在处光流平均值会大于背景。使用金字塔Lucas-Kanade方法求取角点处的光流信息，并通过改进的平衡策略估计障碍物可能存在位置，在静态场景中检测不完全遮挡摄像头视角的障碍物。 (4)由光流信息求解延伸焦点、碰撞时间等三维信息，进而粗略的估计相对深度，可以用于辅助障碍物检测。 (5)搭建仿真和真实两种实验平台，既可以整体直观的显示机器人控制及运动的效果，又可以验证本文算法在真实情况下的可行性。

关键词：路径跟踪模糊控制光流法障碍物检测类车机器人

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类车机器人集成感知与规划系统设计研究

类车机器人集成感知与规划系统设计研究

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作者：黄志鹏重庆大学

学位级别：硕士

随着人口老龄化、人工成本抬升等问题日益突显,搭载不同传感设备的智能移动机器人,在物流、安防等领域需求激增。此类机器人主要在未知的室内外道路中跨区域移动作业,但目前导航系统与跨区域道路应用场景的适配度不高,包括跨区域全局环... 详细信息

随着人口老龄化、人工成本抬升等问题日益突显,搭载不同传感设备的智能移动机器人,在物流、安防等领域需求激增。此类机器人主要在未知的室内外道路中跨区域移动作业,但目前导航系统与跨区域道路应用场景的适配度不高,包括跨区域全局环境地图构建、维护困难;运动规划极依赖于全局路径,尤其难以应用于灵活性差的类车机器人,且系统架构复杂,维护成本高。为此,本文提出一种适用于道路场景的类车机器人集成感知与规划系统方案,包括轻量化环境感知模型设计、适应性强的运动规划模型设计,以及集成系统实验研究,实现类车机器人在道路场景自主稳定运动。论文具体研究工作如下:（1）类车机器人环境感知模型设计研究。综合分析机器人运动场景中道路及障碍物特征,设计了激光-视觉相结合的感知方案,采用了特征识别、分割拟合等方法,建立了障碍物、室内外道路模型,以及机器人位姿解算的理论模型;考虑紧凑、简洁等因素,选择了复合构型作为机器人等效几何模型,并优化了模型参数。最后,根据障碍物-道路-机器人三者位姿关系,得到了完整的轻量级运动规划地图模型。（2）类车机器人运动规划及优化模型设计研究。综合分析规划地图模型与运动控制指令序列的内在关系,建立了运动规划模型。设计了混合势场模型,可基于规划地图自适应生成安全初始路径;将路径约束转化为无约束惩罚函数,使用了最小二乘法和拟牛顿法联合求解,基于初始路径优化得到了最佳路径;将速度约束转化为惩罚函数,求得了最佳速度解析解,生成了与最佳路径耦合的最佳速度曲线;基于阿克曼几何模型,将最佳速度曲线转化为运动控制序列。并采用理论与实例相结合的手段分析了参数对规划结果的影响,验证了模型原理正确性。（3）类车机器人感知与规划系统集成及实验研究。根据场景需求,设计搭建了类车机器人平台,并通过“误差放大”实验完成了关键参数校准。通过机载RPLIDAR雷达和ZED相机采集了室内外场景信息,依据感知模型设计了其软件系统,验证了障碍物及室内外道路建模方法的可行性与可靠性;依据运动规划模型,借助MATLAB设计了直道、弧道场景动态仿真实验,分析验证了规划模型具有良好的综合性能;最后,在平台上集成了感知与规划系统,在室内外直道场景中进行测试,实验现象及数据验证了本文所研究的集成感知与规划系统的可靠性和实用性。

关键词：移动机器人类车机器人环境感知运动规划集成感知与规划系统

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自主类车机器人躲避算法研究

自主类车机器人躲避算法研究

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作者：史飞吉林大学

学位级别：硕士

近年来由于人工智能等学科的迅速发展，使得针对智能机器人的研究得到了更广泛的重视。类车机器人作为智能机器人中的一种，有望通过自动驾驶的方式解决交通拥堵和能源消耗等问题，在智能交通系统(Intelligent Transportation Systems, ... 详细信息

近年来由于人工智能等学科的迅速发展，使得针对智能机器人的研究得到了更广泛的重视。类车机器人作为智能机器人中的一种，有望通过自动驾驶的方式解决交通拥堵和能源消耗等问题，在智能交通系统(Intelligent Transportation Systems, ITS)中拥有巨大潜力。车载自组网(Vehicular Ad hoc Network, VANET)作为智能交通系统(ITS)的核心部分，是建立在移动车辆之间以及车辆与路边基础设施之间的自组织网络。VANET可以提供车辆间通信(V2V)和车辆和路边节点之间的通信(V2I)。通过V2V通信中的协作感知消息(Cooperative Awareness Message, CAM)，车辆可以彼此共享自己的状态信息，如速度，位置，偏航角等等。相比于仅使用传统传感器的障碍物检测方式，基于车间通讯的感知可以让车辆拥有较大的感知范围和感知视距外障碍物的能力。本文设计并验证了多个自主类车机器人的碰撞躲避算法(Multiple Vehicle Collision Avoid, MVCA)，并且研究了在VANET环境下的延迟和丢包对轨迹规划算法的影响程度。本文的主要工作如下： (i)结合A*算法和类车机器人的运动学特点设计了一个全局导航算法，该算法用于指导自主类车机器人寻路;(ii)提出一种能够使多个自主类车机器人互相躲避的分布式实时轨迹规划算法MVCA。该算法基于应用于完整型机器人的Reciprocal n-body Collision Avoidance算法改进得到。该算法的优势在于允许每个类车机器人都可以独立自主地决定它们的目的地和控制量输入，而不需要彼此协商。这大大节省了VANET的有限带宽。相比于中心式的规划算法，MVCA在降低了躲避轨迹的计算开销的同时大大增加了系统的鲁棒性，并且每个类车机器人的目的地可以视为隐私得到隐藏;(iii)使用C++和MATLAB在典型的十字路口场景下多次验证了MVCA算法，该算法只需要给出每个类车机器人的目的地即可在安全躲避的前提下到达终点，仿真结果证明该算法是安全可靠的。 (iv)尽管VANET的应用前景广阔，但关于网络延迟和丢包对轨迹规划性能影响的研究还很少。本文还研究了基于车间通讯的自主类车机器人轨迹规划，通过对VANET环境下的CAM消息广播延迟和丢包建模，通过大量实验将MVCA算法在VANET环境下仿真，揭示了车间通讯环境下延迟和丢包对于轨迹规划性能的影响。

关键词：类车机器人躲避算法轨迹规划车间通讯

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非时间参考的类车机器人定点跟踪控制

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中国机械工程 2015年第13期26卷 1705-1711页

作者：李红郭孔辉宋晓琳黄江湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084 吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室长春130022

针对移动机器人控制研究中的小车速度与加速度饱和限制现象,提出了非时间参考的定点跟踪控制方法。选择随时间单调递增的非时间变量为转向控制律变量,摆脱了移动机器人速度与加速度对控制律的时域限制。在Simulink中建立控制逻辑并进行... 详细信息

针对移动机器人控制研究中的小车速度与加速度饱和限制现象,提出了非时间参考的定点跟踪控制方法。选择随时间单调递增的非时间变量为转向控制律变量,摆脱了移动机器人速度与加速度对控制律的时域限制。在Simulink中建立控制逻辑并进行了单目标点与多目标点连续跟踪仿真。单目标点跟踪仿真结果表明,对于任意初始状态机器人,提出的定点跟踪控制方法均能使小车到达目标状态。多目标点连续跟踪结果表明,可将定点跟踪控制策略应用于类车机器人的路径跟踪控制。

关键词：定点跟踪非完整约束非时间参考非线性反馈类车机器人

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