电磁直驱无人驾驶机器人动力学特性及协调控制机理研究

The project is for an electromagnetic-driven robot driver, an electromagnetic direct-driven closed chain mechanism with the best spatial structure layout and the best power transmission path is studied. Hybrid swarm intelligence structure optimization model of the electromagnetic-driven robot driver is established, and the system structure characteristic parameters are extracted and reconstructed. Then, the characteristics of the manipulation mechanism and the steering characteristics for the electromagnetic-driven robot driver are analyzed. The mathematics model and dynamic simulation model of the manipulation mechanism for the electromagnetic-driven robot driver and an electromagnetic actuator, and the steering mechanism dynamics model of the robot driver and the vehicle dynamics model with coupling characteristics are established. The coupling dynamics characteristics of the electromagnetic-driven robot driver are analyzed. The nonlinear and uncertainty parameters change coupling features influence laws on the robot system dynamics characteristics are determined. On the basis of the above, the driving behavior collaborative simulation model of the robot driver is established. The different driving style, different driving behavior and different driving habits influences on the robot system overall performances are determined. Combing with the driver’s driving behavior characteristics, the multiple manipulators and multimodal humanoid coordinated control mechanism for the electromagnetic-driven robot driver system is established. It can provide a theoretical basis for its application to green car manufacturing, unmanned vehicles and unmanned weapons platforms, and other fields.

本项目针对电磁直驱无人驾驶机器人，研究具有最佳空间结构布局和动力传动路径的电磁直驱闭链机构，建立电磁直驱无人驾驶机器人结构群智能混合优化模型，提取与重构系统结构特征参数；进而分析电磁直驱无人驾驶机器人操纵机构特性及转向特性，建立无人驾驶机器人操纵机构和电磁执行器的数学模型与动态仿真模型以及无人驾驶机器人转向机构动力学模型和具有耦合特性的车辆动力学模型，分析电磁直驱无人驾驶机器人耦合动力学特性及各种非线性和不确定性参数变化耦合特征对系统动力学特性的影响规律；在此基础上，建立无人驾驶机器人驾驶行为协同仿真模型，阐明不同驾驶风格、不同驾驶行为和不同驾驶习惯对系统整体性能的影响，揭示融合驾驶员驾驶行为特性的电磁直驱无人驾驶机器人多机械手多模态仿人智能协调控制机理。该项目对于丰富电磁直驱无人驾驶机器人研究内涵，推动无人驾驶机器人在环保汽车制造、无人驾驶车辆、无人武器平台等领域的应用有重要意义。

电磁直驱无人驾驶机器人无需对现有车辆进行底盘改装，可无损安装于驾驶室内，替代驾驶人员在危险和恶劣环境及特殊极端环境下进行车辆驾驶操纵。由于具有良好的通用性、无损性、可重复性、安全性、可靠性以及准确性，因此可广泛应用于国防军工和民用领域。本项目针对电磁直驱无人驾驶机器人，研究了具有最佳空间结构布局和动力传动路径的电磁直驱闭链机构，分析了转向机械手、驾驶机械腿、换挡机械手的结构特性以及驱动方式，建立了无人驾驶机器人结构系统集成优化模型，基于带精英选择策略的非支配排序遗传算法对优化模型进行求解，提升了无人驾驶机器人的结构性能。进行了各操纵机构的奇异性分析和任务工作空间分析，建立了无人驾驶机器人各操纵机构的动力学模型，阐明了机构末端速度、加速度以及负载力对主动关节驱动力的影响，定义了无人驾驶机器人各操纵机构的运动学及动力学的局部和全域性能评价指标，分析了各操纵机构在任务工作空间内的机构性能。建立了融合电磁执行器模型、机器人执行机构模型、被操纵试验车辆动力学模型的无人驾驶机器人转向机械手动力学模型、驾驶机械腿动力学模型和无人驾驶机器人车辆非线性耦合动力学模型，构建了转向驾驶工况下加速-转向和减速-转向的协调操纵策略模型。分别建立了考虑自适应预瞄特性、虚拟路径规划策略和期望横摆角速度跟踪的驾驶员转向操纵行为模型，以及考虑油门与制动切换操纵策略、不同道路曲率下操纵调整策略的驾驶员车速控制行为模型，提出了由反馈控制层、补偿控制层、协调控制层组成的无人驾驶机器人车辆分层式纵横向协调控制方法。试验结果表明无人驾驶机器人操纵试验车辆的路径跟踪误差为±0.2m，速度跟踪误差为±2km/h。该项目的研究成果可为无人驾驶机器人在车辆测试试验、抢险救援、靶车移动等军民两用领域的应用提供理论基础。