Fortschritte im Automobilbau
Offener Zugang

Abstrakt

Hierarchisch koordinierte Steuerungsverteilung und experimentelle Verifizierung für sechsrädrige unbemannte Bodenfahrzeuge

Rajan Prasad1, Yue Ma, Yu Wang, Huimin Zhang

In den letzten Jahren war der Allrad-Einzelradantrieb die vielversprechendste Form der Antriebskonfiguration für unbemannte Bodenfahrzeuge. Angesichts der Schwierigkeiten bei der Steuerungszuweisung für diese Art von Fahrzeugen wird in diesem Dokument eine hierarchische Steuerungskoordinationsstrategie mit drei Schichten vorgestellt, um die Steuerung in Echtzeit effektiv und genau zu verteilen. In der oberen Schicht wird eine hybride Methode zur Befehlsanalyse vorgeschlagen, die Befehle des Bedienfelds in Antriebskraftbedarf bzw. Ziel-Lenkgierrate umwandelt, um Lenkbefehle zur Beibehaltung der Flugbahn basierend auf den Motoreigenschaften zu priorisieren. Anschließend wird ein Gleitmodusregler eingesetzt, um die Ziel-Gierrate in das erforderliche Giermoment umzuwandeln. Die Zustandsschätzungsschicht empfängt Daten von den Sensoren und schätzt verschiedene Eigenschaften/Parameter, die in anderen Schichten erforderlich sind. Die untergeordnete Steuerungsschicht empfängt Befehle von der oberen Schicht und weist den Rädern die jeweilige Steuerung zu. Das Steuerungszuweisungsproblem wurde als Optimierungsproblem formuliert und später in ein quadratisches Programmierproblem umgewandelt, bei dem eine neuartige modifizierte Barrieremethode mit der Kombination einer reduzierten Gleichungsdimension übernommen wurde, um den Rechenaufwand und die Komplexität für die Implementierung auf der eingebetteten Plattform zu minimieren. Es wurden Computersimulationen und Feldversuche durchgeführt, die die Leistung der vorgeschlagenen Strategie bestätigen. Das unbemannte Bodenfahrzeug (UGV), eine fahrerlose Fahrzeugplattform, wird in vielen praktischen Situationen bevorzugt, in denen die Anwesenheit menschlicher Fahrer an Bord gefährlich, schwierig oder unbequem ist. Die allgemeinen Komponenten eines UGV sind eine Vielzahl von Sensoren für Informationen über die Umgebung, eine Steuereinheit zur Verarbeitung dieser Informationen und Entscheidungsfindung sowie ein drahtloses Kommunikationssystem zur Überwachung. Das UGV kann in einer Vielzahl von Anwendungen für zivile oder militärische Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise für den Umgang mit Sprengstoffen, die Erkennung von Landminen und Bomben, für Überwachungs- und Aufklärungszwecke, als Kampffahrzeuge, landwirtschaftliche Fahrzeuge, Bergbaufahrzeuge, in der Fertigungs- und Produktionsautomatisierung usw. UGV werden auch bei Such- und Einsatzeinsätzen in
Katastrophengebieten eingesetzt, um die Zahl menschlicher Opfer zu minimieren.
In den letzten Jahren haben die Auswirkungen der globalen Erwärmung, der steigenden Umweltverschmutzung und der Mangel an nicht erneuerbarer Energie die Automobilindustrie dazu veranlasst, sich auf die Forschung und Entwicklung von Elektrofahrzeugen (EV) als Fahrzeug der Zukunft zu konzentrieren. Darüber hinaus haben Vorschriften für saubere Energie und Nullemission die Umstellung auf diesen Sektor beschleunigt. Laufende Forschungsfortschritte im Bereich Batterietechnologie, Motorantriebe und Steuerungen sowie anderer unterstützender Zubehörteile haben dazu geführt, dass die Zahl der täglich produzierten Elektrofahrzeuge im Vergleich zu früheren Produktionsraten zunimmt. Elektrofahrzeuge sind aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile gegenüber Fahrzeugen mit konventionellem Kraftstoff in Bezug auf Umweltverschmutzung, Vibrationen, Nachhaltigkeit usw. ein zentrales Forschungsthema. Mit der Forderung, die Gesamtgröße des Fahrzeugs und Leistungsverluste zu optimieren, entstand die Allrad-unabhängige Antriebsarchitektur (AWID), ein reines Elektrofahrzeug mit neuartiger Fahrzeugantriebskonfiguration, das den Einsatz herkömmlicher Getriebesysteme und Differenzialantriebe überflüssig macht, unterstützt durch die Entwicklung einer ausgeklügelten Antriebsstrangstrategie, und es wird erwartet, dass diese zukünftige Antriebskonfiguration beliebt wird.1–4 Die Allradkonfiguration ist möglich, weil der Motor das gewünschte Drehmoment scharf und genau erzeugen kann und sich leicht messen lässt. Tatsächlich besaß das erste Fahrzeug auf dem Mond, der Lunar Rover,5 Radnabenmotoren mit der neuartigen AWID-Konfiguration. Mit den Fortschritten bei Antriebs- und Motortechnologien werden die UGVs mit Elektromotoren für geräuschlosen Betrieb, weniger Wärmesignaturen usw. konstruiert. Der Radnabenmotorantrieb hat gegenüber dem herkömmlichen Achsantrieb zahlreiche Vorteile. Er kann die Fahrzeugstruktur kompakt machen, indem er den Aufhängungsraum minimiert, und dank des Differenziallenkmechanismus (Schleuderlenkung) Geländegängigkeit bieten. Mit dem In-WID kann das Fahrzeug in einer Vielzahl von Anwendungen mit intensivem Manövrieren eingesetzt werden, da es die Funktionen von ABS (Antiblockiersystem) und TCS (Traktionskontrollsystem) kombinieren kann. Solche Eigenschaften des In-Wheel-Antriebs machen ihn sehr geeignet für den Einsatz im Verteidigungsbereich.