兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (10): 3654-3673.doi: 10.12382/bgxb.2023.0879
收稿日期:
2023-09-06
上线日期:
2024-10-28
通讯作者:
JIA Yifei1, JIANG Chaoyang2,*()
Received:
2023-09-06
Online:
2024-10-28
摘要:
为研究无人车编队系统的编队保持、队形重构及队形变换功能,提出一种混合式领航跟随策略,以降低对领航车的依赖并确保编队完整性。开发基于车间(Vehicle to Vehicle,V2V)通信的跟随车独立避障功能,并设计了实时管理编队成员属性并支持人机交互的编队节点管理系统。提出一种三维空间下的三次样条曲线动态扩展轨迹规划方法,结合V2V通信获取前车位姿信息生成跟随轨迹并实现避障。利用Frenet坐标系解耦车距保持与轨迹跟踪问题,采用PID控制器和线性二次调节(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制器分别进行纵向控制和横向轨迹跟踪。研究结果表明:所搭建的仿真环境可快速验证方法性能,显示该方法具有良好的性能;通过实车验证了车辆编队系统的3种功能,通过车距稳定保持,证实所提方法具备良好实时性,能够实现多车编队的有效跟随,通过多种队形的变换以及成员入队离队场景,显示出高度的智能拓展性和适应性。
中图分类号:
贾一飞, 蒋朝阳. 动态可重构自适应无人车辆编队系统[J]. 兵工学报, 2024, 45(10): 3654-3673.
JIA Yifei, JIANG Chaoyang. Dynamic Reconfigurable Adaptive UGV Formation System[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(10): 3654-3673.
控制架构 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|
集中式 | 结构简单便于设计;协调能力强;全局最优 | 容错性差,过于依赖中央处理单元;计算量大,实时性差 |
分布式 | 环境适应性强,行为灵活;计算量小,实时性强 | 局部最优;性能严重依赖通信质量;整体协调能力弱 |
混合式 | 协调能力强;全局最优;环境适应性强 | 实现难度大,设计复杂 |
表1 多车编队控制架构优缺点
Table 1 Advantages and disadvantages of multi-vehicle formation control architecture
控制架构 | 优点 | 缺点 |
---|---|---|
集中式 | 结构简单便于设计;协调能力强;全局最优 | 容错性差,过于依赖中央处理单元;计算量大,实时性差 |
分布式 | 环境适应性强,行为灵活;计算量小,实时性强 | 局部最优;性能严重依赖通信质量;整体协调能力弱 |
混合式 | 协调能力强;全局最优;环境适应性强 | 实现难度大,设计复杂 |
方法 | 保持 | 避障 | 重构 | 抗通信 | 实时性 |
---|---|---|---|---|---|
虚拟结构法 | 优 | 差 | 差 | 差 | 差 |
基于行为法 | 差 | 优 | 良 | 良 | 优 |
领航跟随法 | 优 | 差 | 良 | 差 | 优 |
图论法 | 优 | 良 | 优 | 差 | 差 |
人工势场法 | 良 | 优 | 差 | 优 | 优 |
表2 不同编队策略应对主要编队问题的能力
Table 2 Ability of different formation strategies to deal with major formation problems
方法 | 保持 | 避障 | 重构 | 抗通信 | 实时性 |
---|---|---|---|---|---|
虚拟结构法 | 优 | 差 | 差 | 差 | 差 |
基于行为法 | 差 | 优 | 良 | 良 | 优 |
领航跟随法 | 优 | 差 | 良 | 差 | 优 |
图论法 | 优 | 良 | 优 | 差 | 差 |
人工势场法 | 良 | 优 | 差 | 优 | 优 |
参数 | 数值 |
---|---|
起始间隔/m | 1.0 |
期望车间距/m | 1.5 |
最大车速/(m·s-1) | 0.8 |
表3 编队保持仿真参数表
Table 3 Parameter table of formation keeping simulation
参数 | 数值 |
---|---|
起始间隔/m | 1.0 |
期望车间距/m | 1.5 |
最大车速/(m·s-1) | 0.8 |
参数 | 数值 |
---|---|
起始间隔/m | 1.0 |
期望车间距/m | 1.5 |
巡航车速/(m·s-1) | 0.3 |
表4 队形重构仿真参数
Table 4 Parameter table of formation reconfiguration simulation
参数 | 数值 |
---|---|
起始间隔/m | 1.0 |
期望车间距/m | 1.5 |
巡航车速/(m·s-1) | 0.3 |
参数 | 数值 |
---|---|
期望车间距/m | 1.5 |
人工平均巡航车速/(m·s-1) | 0.3 |
出入队阶段临时间距/m | 4. |
汇入横向误差判断阈值/m | 0.2 |
汇入横摆角判断阈值/(°) | 15 |
表5 队形重构实验参数
Table 5 Parameter table of experimental formation reconfiguration
参数 | 数值 |
---|---|
期望车间距/m | 1.5 |
人工平均巡航车速/(m·s-1) | 0.3 |
出入队阶段临时间距/m | 4. |
汇入横向误差判断阈值/m | 0.2 |
汇入横摆角判断阈值/(°) | 15 |
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doi: S0019-0578(17)30466-4 pmid: 28689700 |
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