Математическая модель движения беспилотного трактора с передними управляемыми колёсами при выполнении манёвра «переставка»

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обоснование. Движение беспилотного трактора можно представить в виде элементарных примитивов, одним из которых является манёвр «переставка». Учитывая кинематические ограничения колёсного движителя с передними управляемыми колёсами, необходимо заранее вычислять координаты начала манёвра в зависимости от величины смещения и скорости движения для точного и эффективного планирования траектории движения.

Цель работы — разработка математической модели движения беспилотного колёсного трактора с передними управляемыми колёсами при выполнении манёвра «переставка», получение аналитических зависимостей длины манёвра и времени подачи управляющего сигнала от скорости движения и требуемой величины смещения.

Методы. Для достижения поставленной цели была разработана математическая модель кинематики криволинейного движения колёсного трактора с передними поворотными колёсами. Приведено описание манёвра, возможные траектории движения.

Результаты. В ходе теоретических исследований получены зависимости времени подачи управляющего сигнала и длины манёвра от необходимой величины смещения при движении трактора с различными скоростями. Аппроксимация полученных данных позволила получить аналитические зависимости.

Заключение. Полученные зависимости могут быть использованы для управления беспилотными тракторами с передними управляемыми колёсами при различной величине смещения и при движении с различной скоростью для выполнения манёвра «переставка» чётко в заданных путевых точках.

Об авторах

Роман Юрьевич Сухарев

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)

Автор, ответственный за переписку.
Email: suharev_ry@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2627-8110
SPIN-код: 5918-3684

д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Автоматизация и энергетическое машиностроение»

Россия, Омск

Антон Борисович Летопольский

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)

Email: antoooon-85@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3503-131X
SPIN-код: 6772-8710

канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Строительная, подъёмно-транспортная и нефтегазовая техника»

Россия, Омск

Алексей Юрьевич Сачук

Сибирский государственный автомобильно-дорожный университет (СибАДИ)

Email: a.u.sachuk@gmail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4980-8962
SPIN-код: 9401-3110

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры «Строительная, подъёмно-транспортная и нефтегазовая техника»

Россия, Омск

Список литературы

  1. Lin P, Javanmardi E, Tsukada M. Clothoid Curve-Based Emergency-Stopping Path Planning With Adaptive Potential Field for Autonomous Vehicles. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2024;73(7):9747-9762. doi: 10.1109/TVT.2024.3380745
  2. Shaju A, Southward S, Ahmadian M. Enhancing Autonomous Vehicle Navigation with a Clothoid-Based Lateral Controller. Applied Sciences. 2024;14(5). doi: 10.3390/app14051817
  3. Kim DJ, Chung CC. Automated Perpendicular Parking System With Approximated Clothoid-Based Local Path Planning. IEEE Control Systems Letters. 2021;5(6):1940–1945. doi: 10.1109/LCSYS.2020.3044254
  4. Theodore Tuttle, Jay Wilhelm. Minimal length multi-segment clothoid return paths for vehicles with turn rate constraints. Frontiers in Aerospace Engineering. 2022;1. doi: 10.3389/fpace.2022.982808
  5. Lima PF, Trincavelli M, Mårtensson J, et al. Clothoid-based model predictive control for autonomous driving. In: 2015 European Control Conference (ECC), Linz, Austria. 2015:2983–2990. doi: 10.1109/ECC.2015.7330991
  6. Li J., Lou J., Li Y., et al. Trajectory Tracking of Autonomous Vehicle Using Clothoid Curve. Appl. Sci. 2023;13. doi: 10.3390/app13042733
  7. Sukharev RYu. Mathematical models of the processes of turning wheeled road-building machines. Scientific and technical bulletin of the Bryansk State University. 2021;3:259–269. (In Russ.) doi: 10.22281/2413-9920-2021-07-03-259-269
  8. Sukharev RYu. Trajectory plotting algorithm for a self-driving road grader. J. Phys.: Conf. Ser. 2021;2096. doi: 10.1088/1742-6596/2096/1/012181
  9. Sukharev RYu, Semkin DS, Ignatov SD. The system of autonomous control of a road-building machine. Scientific and technical bulletin of the Bryansk State University. 2024;1:55–64. (In Russ.) doi: 10.22281/2413-9920-2024-10-01-55-64
  10. Shcherbakov VS, Portnova AA, Sukharev RYu. Improvement of the steering control of a grader with an articulated frame. Omsk: SibADI; 2016. (In Russ.)
  11. Shcherbakov VS, Sukharev RYu, Korytov MS. Development of the theory of optimal control of road and construction machinery based on satellite navigation systems. Omsk: SibADI; 2017. (In Russ.)
  12. Luo D, Huang X, Huang Y, et al. Optimal Trajectory Planning for Wheeled Robots (OTPWR): A Globally and Dynamically Optimal Trajectory Planning Method for Wheeled Mobile Robots. Machines. 2024;12. doi: 10.3390/machines12100668
  13. Zhan J., Li W., Wang J., Xiong S., et al. Research on Trajectory Planning and Tracking Algorithm of Crawler Paver. Machines. 2024;12. doi: 10.3390/machines12090650
  14. Li Y, Li G, Wang X. Research on Trajectory Planning of Autonomous Vehicles in Constrained Spaces. Sensors. 2024;24. doi: 10.3390/s24175746

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Идеальная траектория движения трактора при выполнении манёвра «переставка»: Δпер — величина смещения манёвра «переставка»; Sпер — длина манёвра; Rmin — минимальный радиус поворота.

Скачать (96KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Идеальная и реальные формы управляющего сигнала поворота передних колёс: tпер — время подачи управляющего сигнала; φк — угол поворота передних колёс; φк max — максимальный угол поворота передних колёс; 1 — идеальная форма управляющего сигнала; 2–4 — реальные формы управляющего сигнала.

Скачать (80KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Плоская расчётная схема процесса поворота трактора с передними управляемыми колёсами: L — длина базы трактора; V — скорость движения; φк — угол поворота передних колёс; γ — курсовой угол; RЗ — радиус поворота центральной точки заднего моста (OЗ ); Oп — центр поворота.

Скачать (86KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Структурная схема математической модели процесса поворота трактора с передними управляемыми колёсами: fiK — угол поворота передних колёс φК; V — скорость движения V; L — длина базы трактора L; gamma — курсовой угол γ; gamma0 — начальный курсовой угол γ0; x0 — начальная координата по оси OX; y0 — начальная координата по оси OY.

Скачать (77KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Биклотоида и биклотоида с круговой вставкой: R — радиус поворота.

Скачать (86KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Форма управляющего сигнала (угол поворота передних колёс).

Скачать (59KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Траектории движения трактора при различных значениях скорости.

Скачать (61KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости величины смещения ΔПЕР от времени подачи сигнала tПЕР при различных скоростях движения V.

Скачать (104KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Аппроксимация зависимости величины смещения ΔПЕР от времени подачи сигнала tПЕР при различных скоростях движения V.

Скачать (188KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость времени подачи сигнала tПЕР от величины смещения ΔПЕР и скорости машины V.

Скачать (122KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Аппроксимация зависимости времени подачи сигнала tПЕР от величины смещения ΔПЕР и скорости машины V.

Скачать (156KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость длины манёвра SПЕР от величины смещения ΔПЕР и скорости машины V.

Скачать (131KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Аппроксимация зависимости длины манёвра SПЕР от величины смещения ΔПЕР и скорости машины V.

Скачать (244KB)
Метаданные
15. Рис. 14. Траектории движения трактора при выполнении манёвра «переставка» на величину смещения 3 м с разными значениями скорости.

Скачать (127KB)
Метаданные

© Эко-Вектор, 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».