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车辆动力学及其非线性控制理论技术的研究
添加时间: 2020-6-18 12:29:10 来源: 作者: 点击数:389

本文的主要工作和创新点如下:

(1)提出了基于外部视觉的,针对微小型四旋翼无人飞行机器人的鲁棒精确的位姿估计方法,并进行了实验验证。不同于现有大多数仅适用于室内环境的系统,我们的系统可以有效工作于室外环境。我们的一大特色是,以四旋翼飞行机器人的四个旋翼电机为视觉特征进行相关的位姿估计,在室外光照环境下,取得了比包括LED发光标签在内的彩色标签更加稳定和可靠的检测和定位效果。

此外我们还研究了相关的位姿估计问题,提出一种解决共面点问题的快速精确的EMRPP位姿估计算法。该算法首先利用EPnP算法获得初始位姿估计,然后利用结合初步视觉结果的改进RPP算法得到精确的位姿估计结果。更进一步,针对微小型四旋翼的视觉特征的不完全观测情况,现有的方法都没有考虑这一问题,也得不到正确的位姿估计结果。我们结合视觉和机载IMU信息,提出了IMU+3PIMU+2P位姿估计算法,有效解决了视觉特征不完全的问题,并得到准确的位姿估计结果。综合利用以上提出的方法,我们研发的位姿估计系统可用于微小型四旋翼无人飞行机器人的自主起降、机动控制和其它精细控制。

(2)针对微小型四旋翼无人飞行机器人指定位置降落的特殊应用,我们提出一种基于平面地标的EIRPP位姿估计算法。该算法将IMU提供的飞行机器人部分姿态角信息,作为相关参数的初始估计代入EPnP算法中得到更精确的初始估计,并有效降低相关RPP算法迭代估计的未知量数目,实验结果表明,该算法可以获得快速精确的位姿估计结果。

 (3)充分利用微小型四旋翼无人飞行机器人的飞行特性,结合机载视觉和机载IMU,我们提出了一种基于自然环境特征的BRISK匹配的快速运动估计算法。针对目前微小型四旋翼的悬停实现多是基于光流方法实现,只能得到速度信息,且存在悬停点漂移等问题。我们引入基于特征匹配的快速运动估计算法,成功实现了微小型四旋翼无人飞行机器人的快速悬停功能。我们还针对实际应用中的一般情况,提出一种利用自然环境特征,结合机载视觉和机载IMU信息的机载情况下IMU+3P位姿估计算法。该算法可有效工作于非平面及平面场景情况,解决了单目视觉的初始化问题和绝对尺度估计问题,利用IMU提供的部分姿态角信息,有效降低了位姿估计问题的维度,获得了快速可靠的位姿估计结果。

 (4)在有限负载、动力及计算资源的条件下,探讨了微小型四旋翼无人飞行机器人平台的构建问题,提出了基于机载单目视觉、IMU和声纳的多传感器融合的单目视觉定位导航方案。该系统主要应用于GPS不可用的环境,以及无标识及无先验知识的环境。不同于其它大多数基于关键帧的系统,我们的系统同时利用了关键帧和关键点。为了保证精度和计算速度,使用基于GPU加速的SURF算法选择关键点。为了及时准确更新关键帧和关键点,提出基于快速运动估计和多级运动判决的更新方案,其在系统的较长时间执行过程中可以有效地减少误差累积。通常的单目视觉系统缺少绝对度量尺度,利用声纳传感器的距离信息完成初始化步骤,并较好地解决了绝对尺度估计问题。最后,通过综合利用特征点选择排序、RANSAC、局部光束平差法(Local Bundle Adjustmnet)等技术有效减少了系统误差及累积观测误差,实现了单目视觉主导的微小型四旋翼无人飞行机器人定位与导航功能。

车辆动力学及其非线性控制理论技术的研究

赵治国

【摘要】: 随着汽车行驶速度的显著提高和道路行车密度的急剧增大,交通事故的发生率逐年呈上升趋势,所以全方位、可靠地提高汽车的主动安全性能就成为摆在汽车设计、开发及科研人员面前一项紧迫而艰巨的任务。而基于汽车轮胎与路面之间的附着性能随车轮滑动率改变而变化的机理所开发的、旨在改善车辆在不同工况下操纵性稳定性的一些高技术系统包括防抱制动(ABS)、防滑驱动(ASR)及车辆动力学稳定性控制(VDSC)系统,更是受到汽车制造商的青睐和厚爱,都在积极地加紧试制,以期更快更早地占领市场。ABS侧重于在制动过程中防止车轮抱死,缩短制动距离。ASR着眼于在驱动过程中通过牵引力控制来防止驱动车轮发生滑转,获得良好的加速性能和行驶方向稳定性。而VDSC系统主要在车辆大侧向加速度、大侧偏角的极限工况下工作,通常利用左、右两侧车轮附着力之差产生的横摆力矩来达到稳定性控制目的。本文在充分地分析了ABS、ASR及VDSC这三个主动安全技术的研究现状和发展趋势的基础上,主要针对ABS、ASR及VDSC系统的车辆动力学建模、控制系统结构及非线性控制策略选择与应用等理论问题展开研究,围绕ABS控制器开发,探讨了ABS的ECU开发中所涉及到的几个关键技术问题,基于PC机与80C196KC单片机串口通信和硬件在环仿真技术,对所研制控制器的部分硬件和模糊控制逻辑进行了模拟验证。主要研究工作分为七个部分:ABS、ASR及VDSC技术的发展历程、研究现状、实用化过程中所涉及到的关键技术及发展趋势;车辆动力学数学模拟方法、轮胎模型、整车动力学建模及仿真;滑模变结构控制理论在基于滑移率ABS控制中的应用;模糊控制算法在基于滑移率ABS控制中的应用;ASR系统控制途径,目标、逻辑门限值控制,模糊、变结构控制研究;VDSC系统控制结构、实现及最终滑动模态变结构控制研究;ABS控制器的开发及模拟实验。主要研究内容及创新成果包括:1.通过实例研究了车辆动力学数学模拟的三种常用方法,归纳并对比了常用三种轮胎模型,分析了整车动力学的建模过程,开发了整车动力学性能计算机仿真程序VDPCSP,并进行了试算。利用BOLTMANN-HAMEL方法所推导的双轴车辆动力学方程,可开环或闭环模拟转弯制动车辆的操纵稳定性,特别在分析ABS对车辆转弯制动性能的影响或VDSC系统研究中有重要作用。2.提出了带有削颤措施的不确定二阶系统参数自适应滑模变结构控制算法,并设计了相应的ABS控制器。建立了四自由度四分之一车辆模型,并基于此模型,设计了滑模优化器,以实时在线确定轮胎路面间的最佳滑移率;并在对系统可观测性进行论证的基础上,提出了滑模状态观测器,来估计车辆瞬时运行速度,为抑制车辆参数的波动,设计了带颤振削减的滑模变结构控制器,对整个闭环控制系统的性能进行了仿真。3.提出了模糊模型参考学习控制算法,该算法可在线、实时调整模糊控制器的知识基,使整个闭环控制系统的输出能跟踪参考模型的理想输出。并将其应用于所建立的直线制动双轮车辆模型,分别设计了相应的前后轮控制器,同时考察了前后轮在跳变附着系数路面下的制动性能。针对单轮车辆模型,设计了带有多个修正因子的参数化ABS模糊控制器,为进一步改善其性能,用遗传算法优化并确定了模糊变量隶属函数参数。将TS模糊模型应用于路面辨识中,提出了具有四个输入一个输出的模糊路面探测器。为消除由于模糊量化误差与调节死区所引起系统的稳态误差和稳态颤振现象,采用矩形域上的曲面磨光插值算法修正具有多个加权因子的ABS模糊控制器,并用四自由度四分之一车辆模型进行模拟。4.针对双轮和四轮车辆模型,对采用油门开度逻辑门限值控制的ASR性能进行了模拟。初步探讨了简单模糊控制、变结构控制在基于滑移率的ASR系统中的应用。5.建立了VDSC系统完整嵌套控制结构和初步控制算法,提出了车辆侧滑速度估计的三种方法(包括积分法、代数法及Luenbefger观察器法人基于非线性两自由度车辆横向运动方程,将最终滑动模态变结构控制算法应用于VDSC中,设计了相应车辆动力学控制器。6.围绕ECU的开发,对ABS所涉及的一些关键技术问题展开研究,主要包括轮速传感技术、轮速信号软、硬件抗干扰处理技术、轮速计算技术、保证可靠性的故障诊断技术及实时硬件在环仿真技术。基于PC机与80C96KC单片机串行口通信方案和所研制的ABS硬件控制器,组建了纯模拟试验台,并采用双轮车辆模型,对三种模糊控制策略进行了对比研究。总之,基于车辆动力学建模,提出并探索了几种实用且具有高鲁棒性的变结构、模糊控制策略在ABS、ASR及VDSC系统中的应用,而后开发了ABS的ECU原形,采用实时硬件在环仿真技术,对三种模糊控制策略进行了性能模拟。但这些工作还仅仅是初步探索,距离产品化,还有诸多工作尚需进行。

设计ABS控制器。

设计前后轮控制器,同时考察前后轮在跳变附着系数路面下的制动性能。

探讨简单模糊控制、变结构控制在基于滑移率的ASR系统中的应用。

设计相应车辆动力学控制器。

围绕ECU的开发,对ABS所涉及的关键技术问题展开研究,主要包括轮速传感技术、轮速信号软、硬件抗干扰处理技术、轮速计算技术、保证可靠性的故障诊断技术及实时硬件在环仿真技术。

主要包括设计ABS控制器设计前后轮控制器,设计相应车辆动力学控制器。围绕ECU的开发,对ABS所涉及的关键技术问题展开研究等内容。

主要包括轮速传感技术、轮速信号软、硬件抗干扰处理技术、轮速计算技术、保证可靠性的故障诊断技术及实时硬件在环仿真技术。

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