多轮独立驱动差动转向无人车辆高速运动控制

Skid steering unmanned vehicles with multiple independent drive wheels are widely applied in various occasions including military operations thanks to their extraordinary reliability and maneuverability. The evolution of modern warfare rises the urgent demand for high speed and high mobility of unmanned ground vehicles. At high speed, the dynamics of skid steering vehicles becomes highly nonlinear, not affine in input with unstable internal dynamics, which makes fully actuated vehicle models based on non-holonomic constraints no longer applicable. The motion control of such vehicles at high speed, as a critical technical problem, remains unsolved. In this research we aim to design nonlinear control allocation algorithms based on the effect of optimization objectives on the stability of vehicle systems; adopt multi-layer control strategy and split the control system into two lower dimensional inter-connected subsystems, namely the motion control system and the dynamics control systems; innovate a path following control strategy with guaranteed stability of internal dynamics; synthesize a control algorithm that is capable of robustly stabilizing the pertaining vehicles at high speed in spite of uncertain parameters and environment and ultimately achieve excellent mobility and stability for vehicles at high speed. This research is expected to advance the technology of high-speed unmanned ground vehicles by laying new theoretical foundation for the dynamics and control of skid steering vehicles at high speed.

多轮独立驱动差动转向无人车辆具有可靠性高、机动性强等诸多优势，有广泛的应用前景，已成为地面战争的重要装备。现代战争对此类车辆高速机动的能力提出了更高的需求，高速下该类型车辆的动力学具有强非线性、欠驱动、内动态不稳定的特征，基于非完整全驱动模型的运动控制不再适用，多轮独立驱动差动转向无人车辆高速运动控制这一关键技术问题仍未得到有效解决。 本项目通过分析控制分配优化目标与系统平衡点稳定性的关系，设计差动转向车辆非线性控制分配算法；采用分层控制方法，将控制系统分解为运动控制系统与动力学控制系统两个低维子系统的互联，探索保证其内动态稳定的高速路径跟踪控制方法；设计能够在车辆参数以及环境不确定的条件下鲁棒镇定高速运动车辆的控制算法，最终实现车辆在高速下的良好机动性与稳定性。 本项目将丰富差动转向车辆非线性动力学与运动控制理论，推动高速无人车辆技术应用与发展。

随着车辆智能化的快速发展，差动转向无人车辆也越来越广泛被用于灾区救援和军事行动等场合。目前的研究一般都使用非完整约束来建立车辆动力学或者运动学模型，并且随后建立的综合控制律强烈依赖于车辆的非完整性。然而，非完整约束不满足车辆在高速下的情况。因此，本研究不采取非完整约束的假设，对车辆系统平衡点分布情况和平衡点周围系统的耦合特性进行了研究，从而得到汽车在以车速和横摆角速度作为输出时，其内动态是局部渐进稳定的。然后基于鲁棒和抗饱和控制策略设计了动力学控制器，实现了车辆对于航向角信号的跟踪同时并保持内动态的稳定。为了实现车辆对于一般工况下目标轨迹的跟踪，本文将运动学系统线性化后设计了运动学控制器。考虑到差动转向车辆的动力学特性，针对直线行驶、转向工况设计了以能耗优化为目标的控制分配策略，保证车辆状态能够跟随上层指令的同时，提高车辆的整体效率，减小能耗。.除了理论分析之外，还对运动学与动力学控制器的特性进行了仿真分析。仿真结果表明，所设计的动力学控制器对于一阶导数恒定或者时变的航向角信号都具有良好的跟踪能力，且对于模型参数误差有良好鲁棒性。所设计的运动学及动力学控制器具有互联稳定性，并对于一般工况下的目标轨迹都具有良好的跟踪性能。而对于控制分配算法的仿真结果表明，所提出的分配策略可以有效减少差动转向车辆在行驶过程中的能耗。.最后，基于某型号差动转向车辆，分别于高附路面和低附路面条件下进行了实车试验，试验结果表明，所设计的控制器可以很好的跟踪上层指令，实现预期效果。