越野环境下无人履带平台的道路可通行性分析

针对越野环境下道路特征模糊、地形复杂的问题,基于相机与激光雷达融合感知的方案,提出一种针对无人履带平台道路可通行性分析方法。基于图像语义分割获取语义点云,进行可通行区域的粗提取;利用三维点云描述地面几何特征,同时考虑履带平台的通过性约束,对道路的可通行性进行分析;生成包含道路表面属性和地面几何信息的三维可通行性栅格地图。所提方法对于平台可通行性的定义反映了平台-环境的强耦合关系。试验结果表明,算法能够在线稳定地建立可通行性地图,对平台规划控制具有良好的引导作用,有利于无人履带平台在复杂越野环境下的稳定通行。     

越野环境下基于势能场模型的智能车概率图路径规划方法

复杂越野环境下的路径规划是实现智能车无人驾驶的一项关键技术。越野环境中存在多种影响车辆运动的障碍物、环境威胁和越野道路,传统路径规划方法以路径长度或时间最短为优化目标,难以在复杂越野环境中正确规划安全可行的车辆行驶路径。针对该问题,提出了基于势能场模型的概率图（AFP-PRM）算法,采用人工势能场算法对越野环境建模,评估车辆通行风险。使用概率图算法以优化节点间多维度通行代价为目标进行路径规划;考虑车辆动力学特性,用动态曲率平滑法对行车轨迹优化;应用AFP-PRM算法在模拟越野环境下进行路径规划仿真实验。仿真结果表明：AFP-PRM算法在路径规划过程中采用人工势能场算法,综合了越野环境中障碍物、环境威胁和道路条件的耦合作用;使用概率图算法,建立采样点之间的多维度通行代价评估矩阵;在复杂的越野道路条件下生成可行、安全、高效的通行路径,为智能车提供了一种多目标优化路径规划算法。     

履带平台无人驾驶系统基于语义信息的模块串联方法

为提高无人履带平台在复杂越野环境下的通行能力,提出一种通过语义信息串联无人驾驶系统中环境感知、运动规划、运动控制模块的方法。环境感知模块通过相机与激光雷达的融合感知方法,利用图像语义信息与激光雷达点云特征,结合平台通过性几何参数,对环境中可通行区域进行粗提取,之后在可通行区域利用高斯聚类模型对环境进行精细的可通行度分析,最终生成具有不同通行度语义信息的三维栅格地图;运动规划模块在考虑平台运动学模型、动力学约束以及平滑过渡约束的基础上,结合地形与道路表面属性生成行为运动基元,通过对基元的分层式在线选择生成具有行为语义的轨迹;运动控制模块基于模型预测控制算法充分考虑平台驱动电机的执行能力、跟踪偏差以及控制稳定性,借助运动规划给出的行为运动基元语义属性,对控制目标函数权重系数进行实时更新,减小轨迹跟踪的横向误差,航向误差以及速度误差。最终利用中型混合动力无人履带平台进行了实车验证,结果表明：所提运动规划方法结果相较于基于平面二值栅格地图规划的轨迹在平均俯仰角、平均侧倾角、平均曲率分别降低46.1%、46.5%、14.2%;所提出基于行为语义轨迹变参数运动控制方法相较于定参数的运动控制方法分别在横向偏差、航向偏差、速度偏差降低17.1%、2.7%、6.1%。     

基于越野工况预测的混合动力履带车辆能量管理策略

针对越野环境下混合动力履带车辆能量管理问题,设计了一种基于越野工况预测的能量管理策略。使用车载传感器测量车速、车辆姿态角,基于支持向量机进行路况分类,建立越野路况识别模型;针对不同的越野路况,基于马尔可夫链利用历史行驶车速和加速度建立速度预测模型;以某混合动力履带装甲车辆为对象,设计模型预测控制策略进行能量管理控制。研究结果表明,所提出的能量管理策略能够完成越野环境下履带车辆能量管理控制目标,有利于改善混合动力履带车辆性能。     

重型车辆多挡并联混合动力系统的联合优化控制策略

重型车辆机电多挡并联混合动力系统中电机功率在变速器内部与机械功率耦合,发动机和电机都具有多个独立挡位,机电能量、功率分配与挡位关系复杂,功率分配和挡位确定及优化难度大。为统筹多挡并联混合动力系统的功率分配和挡位选择,提出功率与挡位联合优化的能量管理优化策略。建立系统在不同模式下的综合效率模型,定义经济性能量管理目标,定义成本函数对混合动力系统的换挡成本进行评价。以系统综合效率和换挡成本最优设计联合优化控制策略,用自适应模拟退火算法进行求解,同时优化变速机构挡位与转矩分配比例。结果表明：联合优化控制策略解决了系统转矩和挡位的耦合分配难题;该方法与经济性换挡规律规则相比可减少约4.84%的油耗,与初始单参数换挡规律相比可减少约14.74%的油耗;运用该方法可使混动系统的经济性有较大提升。     

基于可通行度估计的无人履带车辆路径规划

针对现有路径规划方法对地形特征考虑不足的问题，以无人履带车辆为研究对象，提出一种基于可通行度估计的路径规划方法。基于卷积长短期记忆(Conv LSTM)网络，从连续轨迹上提取激光雷达点云的空间特征和时间关联特征，融合车辆运动特征，估计地形可通行度。基于地形可通行度，改进A^*算法的节点扩展方式和代价函数，输出满足无碰撞约束和低可通行代价的离散路点；使用无梯度迭代平滑算法减小路径松弛度和可通行度代价；再使用三次B样条曲线对离散路径进行拟合，输出平滑参考路径。以参考路径建立Frenet坐标系，构建基于可通行度代价的安全走廊，在满足无碰撞约束、低可通行度代价的前提下，在走廊内生成满足车辆运动学约束的平滑路径。试验结果表明，所提出的方法能够充分考虑地形特征，提升路径规划结果的稳定性和可通行性。     

无人履带平台发动机控制技术

随着机器人技术和智能技术的快速发展,作战装备无人化逐渐成为发展趋势,智能装备成为各国研究重点。无人履带平台具有良好的通过性和环境适应性,是陆军装备重要组成部分,其行驶环境复杂多变,不同工况对柴油机调速特性需求不同。通过分析无人履带平台行驶过程中不同工况下柴油机最佳调速特性,以某型装甲运输车搭载的机械调速柴油机为基础,设计电子控制单元(ECU)硬件以及软件系统,并对柴油机进行电控化改造。ECU控制系统具有智能自动启停、运行状态切换和故障自诊断处理等功能,同时可以切换调速特性以适应无人履带平台不同工况：平路直驶时使用与原机械调速柴油机相同的调速特性,以适应变速箱换挡特性;转向模式下减小柴油机调速率,以提高车辆路径跟踪精度。将改进后的电子调速柴油机安装在台架上测试其调速特性并在整车上进行行驶验证,结果可以满足无人履带平台需求。     

莱茵金属公司展出多用途无人车

<正>在2017英国防务展上,莱茵金属公司展出了一款多用途无人车(MM UGV)的概念车。该无人车采用模块化设计,主要由三个部分组成:经过试验测试的多用途无人平台;集成到该车辆平台中的子系统;进行任务规划、控制、分析、评估的控制站。该无人车重约750kg,执行地面任务时的有效载荷为600kg,两栖作业有效载荷300kg。最大地面行驶速度为40km/h,水上最大行驶速度为5km/h。仅电池供电模式下,车辆可连续行驶8h,扩展行程连续行驶时间可超过24h。为提高越野能力,可在轮胎上安装链条。     

分布式电驱动无人高速履带车辆越野环境轨迹预测方法研究

越野环境下,无人车辆轨迹预测是车辆轨迹跟踪和精确导航的核心模块,预测误差将直接影响无人车辆行驶任务完成的准确程度。为实现速差转向式履带车辆在复杂越野环境下无人行驶轨迹准确预测的目的,搭建了分布式电驱动无人履带车辆系统,实现了车辆动态过程中的无人系统数据和车辆底层状态数据的同步采集。建立了速差转向车辆运动学模型,分析了履带车辆滑动转向特性。分别采用扩展卡尔曼滤波(EKF)方法和Levenberg-Marquardt方法对转向过程中的滑动参数进行估计,并完成了车辆轨迹预测。基于真实越野环境下的实车数据进行了验证。试验结果表明：相比于履带车辆理想预测模型,所采用的两种轨迹预测方法都大幅降低了车辆轨迹预测误差;对误差均值而言,EKF方法预测轨迹优于Levenberg-Marquardt方法;对误差标准差而言,后者优于前者,且随着转向程度的增加而增大。     

履带车辆纵向与垂向耦合动力学模型及功率特性

越野工况履带车辆动力学是车辆越野行驶能力预测的理论基础.考虑高机动履带车辆越野行驶纵向运动和垂向运动耦合效应,提出履带车辆纵向与垂向耦合动力学建模方法.建立车辆耦合动力学模型,对车辆在典型路面上的行驶性能进行仿真,并进行实车测试验证,进而量化分析履带车辆系统的功率特性.仿真结果表明:该模型可以表征车辆在不同类型路面上行...     

基于高斯混合-隐半马尔可夫模型的双侧独立电驱动无人履带机动平台纵向决策方法

基于运动学和动力学模型的电驱动无人履带机动平台纵向决策研究存在自适应能力差、难以获得精确的模型参数等问题。针对无人履带机动平台直驶遇到障碍物并接近障碍物的行驶工况,根据驾驶数据提出一种驾驶员纵向决策机理,使用高斯混合-隐半马尔可夫模型对熟练驾驶员纵向决策过程进行建模。使用高斯混合模型对驾驶员在直驶接近障碍物过程中的意图进行辨识,并对驾驶行为进行聚类和量化;通过隐半马尔可夫模型描述驾驶员决策转移过程与相同决策的持续时间;进行不同地面条件下的实车验证。试验结果表明：所提出的驾驶员模型可以很好地模仿驾驶员纵向决策机理,使得最大加速度小于3.5 m/s²,最大减速度大于-4.5 m/s²,决策边界平均加速度绝对值趋近于0.8 m/s²;通过对不同地面条件下的决策持续时间分布进行再训练,该方法可以不依赖地面参数从而适应不同环境条件。     

电驱动无人履带车辆线控机电联合制动技术研究

电驱动履带车辆具有良好的运动可控性,同时可借助电气制动缓解传统履带车辆制动系统负荷重、寿命短的问题,是履带车辆实现无人驾驶的理想驱动方式。通过对某电驱动履带车辆制动系统的无人化设计研究,提出了一种机电联合制动系统线控化的完整技术方案。该方案采用一种改进的三段式机械-电气制动结合方式,并在保证既定制动性能前提下按照最大化制动能量回收的原则,给出了相应的机械-电气制动力分配策略。按照该方案进行平台搭建后,进行了制动性能实车试验,验证了该系统具有良好的制动性能和工作稳定性,可在充分满足国家军用标准对军用履带车辆制动性能要求的同时,保证整体效率在25%左右的动能转化效率。     

履带式混合动力车辆能量管理策略与实时仿真

履带式混合动力车辆的动力性和燃油经济性的优劣在很大程度上取决于能量管理方法。根据车载能源输出特性和车辆行驶功率的需求,提出了一种发动机负载功率跟随和电池组功率补偿的能量管理策略,并给出了发动机、电池组和驱动电机等被控制对象功率平衡的实现方法。同时在dSPACE中搭建了“驾驶员-综合控制器”在环的履带式混合动力车辆能量管理实时仿真平台,进行了基于驾驶员真实输入的实时仿真研究。仿真结果表明,发动机沿最佳燃油消耗曲线工作,动力电池及时功率补偿,并能较好满足车辆最高车速、B/2转向等机动性所需功率变化,实现了车辆机动性和燃油经济性的良好匹配。