Воситаҳои заминии бесарнишини анъанавӣ, ки бо чархҳои пеш идора мешаванд, махсусан дар ҷойҳои танг ё вақте ки гурӯҳи воситаҳо бояд тартиби худро зуд тағйир диҳад, аз сабаби радиуси ҳадди ақали гардиш ва зарурати тағйир додани самт метавонанд аз ҷиҳати манёврпазирӣ маҳдуд шаванд. Дар ин таҳқиқот барои воситаҳои 4WIDS — Four-Wheel Independent Drive and Steering, ки дар онҳо ҳам гардонанда ва ҳам идоракунии ҳар чор чарх мустақилона назорат карда мешаванд, усули мутобиқшавандаи идоракунии формацияи бисёрреҷима бо номи Adaptive Multi-Mode (AMM) таҳия шудааст.

Ба ҷойи он ки система ҳамеша як навъи идоракуниро истифода барад, самти манёври зарурии лаҳзаро, хатогиҳои мавқеи паҳлуӣ ва тӯлонӣ ва суръати воситаро арзёбӣ карда, байни се шакли асосии ҳаракат интихоб мекунад: идоракунии харчангӣ (crab steering), идоракунии чорчарха ба самтҳои муқобил (4WCS) ва идоракунии анъанавии чархҳои пеш (FWS). Дар ҷойивазкуниҳои хурди паҳлуӣ восита метавонад бидуни тағйир додани самти бадан ба таври моил ҳаракат кунад, дар ҳоле ки барои манёврҳои васеътар ё дорои талаботи динамикии бештар FWS ё 4WCS интихоб мешавад.

Дар симулятсияҳои MATLAB/Simulink бо ҳафт восита, барои вазифаи иваз кардани хат бо ҷойивазкунии паҳлуии 5 метр, гузориш шудааст, ки идоракунии AMM бо crab steering нисбат ба FWS-и анъанавӣ таъхири фармонро аз 0,4 сония то 0,1 сония, вақти нишастро аз 7,68 сония то 1,01 сония ва каҷравии мавқеи ҳолати устуворро аз 0,005 метр то 0,003 метр коҳиш додааст. Аммо таҳқиқот озмоиши воситаҳои воқеиро дар бар намегирад; натиҷаҳо бо муҳити симулятсионии бар пояи кинематика маҳдуданд.

Чаро идоракунии анъанавӣ ҳаракати формацияро маҳдуд мекунад?

Вақте ки танҳо чархҳои пеши мошин идора мешаванд, восита наметавонад мустақиман ба паҳлӯ ҳаракат кунад. Масалан, агар як восита дар корвон хоҳад ба хатти ҳамсоя гузарад, аввал бояд бадани худро ба тарафи ҳадаф гардонад, баъд ҳаракати паҳлуиро ба вуҷуд оварад ва сипас самти худро дубора рост кунад.

Ин ҳолат одатан масири шакли S ба вуҷуд меорад. Роҳ дарозтар мешавад, вақти манёвр зиёд мегардад ва дар ҷойҳои танг фазои бештар лозим мешавад.

Меъмории 4WIDS, ки дар он ҳар чор чарх мустақилона идора мешаванд, ба ҳамон як восита имкон медиҳад, ки рафторҳои гуногуни кинематикӣ дошта бошад. Дар саҳифаи 5-и таҳқиқот Расми 4 чор намуди идоракунии Ackermann-ро паҳлуи ҳам нишон медиҳад:

• идоракунии Ackermann-и чархҳои пеш,
• идоракунии Ackermann-и чархҳои ақиб,
• идора кардани ҳамаи чор чарх ба як самт,
• идора кардани ҳамаи чор чарх ба самтҳои муқобил.

Геометрияи Ackermann барои чархҳои пеш

Дар идоракунии анъанавии чархҳои пеш, чархи дохилӣ ва берунӣ бояд ба як маркази якхелаи гардиши фаврӣ нигаронида шаванд. Шарти геометрӣ дар таҳқиқот чунин дода мешавад:

cot β₁ − cot α₁ = K / L

Дар ин ҷо K паҳнои из, L фосилаи байни меҳварҳо, α₁ кунҷи чархи дохилӣ ва β₁ кунҷи чархи беруниро нишон медиҳад.

Вақте ки кунҷи чархи дохилӣ маълум аст, кунҷи чархи берунӣ бо робитаи:

β₁ = arctan[(L · tan α₁) / (L + K · tan α₁)]

ҳисоб карда мешавад.

Идоракунии чорчарха ба самтҳои муқобил чӣ медиҳад?

Дар реҷаи 4WCS чархҳои пеш ва ақиб ба самтҳои муқобил гардонда мешаванд. Ин тарҳ маркази фаврии гардиши воситаро ба бадан наздик карда, радиуси хурдтари гардишро имкон медиҳад.

Дар саҳифаи 6-и мақола Расми 6 геометрияи чархҳои пеш ва ақибро дар атрофи як маркази умумии гардиш нишон медиҳад. Муаллифон изҳор мекунанд, ки дар шароити якхелаи кунҷи чарх идоракунии чорчарха ба самтҳои муқобил метавонад нисбат ба FWS радиуси гардишро тақрибан 0,5L кам кунад; дар ин ҷо L фосилаи байни меҳварҳои восита аст.

Дар шакли содашудаи татбиқ, агар кунҷҳои асосии идоракунии пеш ва ақиб баробар қабул шаванд, кунҷҳои чархҳо чунин ҳисоб мешаванд:

δ_fl = δ_rl = arctan[(L tan δ) / (−K tan δ + L)]

δ_fr = δ_rr = arctan[(L tan δ) / (K tan δ + L)]

.

Идоракунии Харчангӣ Чӣ Гуна Ба Воситаҳо Имкон Медиҳад, Ки Мустақиман Ба Паҳлӯ Ҳаракат Кунанд?

Дар реҷаи crab steering ҳамаи чор чарх ба як кунҷи якхела гардонда мешаванд. Бо ин роҳ восита метавонад бидуни тағйир додани самти бадан дар самти дигар ҳаракат кунад. Ба ибораи дигар, самти ҳаракати восита ва самти бадани он метавонанд аз ҳам ҷудо шаванд.

Робитаи идоракунии чор чарх чунин муайян шудааст:

δ_fl = δ_fr = δ_rl = δ_rr = δ_crab

.

Ҳаракат дар системаи координатаи глобалӣ бошад чунин ифода мешавад:

Ẋ = v · cos(θ + δ_crab)

Ẏ = v · sin(θ + δ_crab)

θ̇ = 0

.

Баробарии охир аҳамияти калидӣ дорад. Вақте ки восита ҳаракатеро бо ҷузъи паҳлуӣ иҷро мекунад, маҷбур нест кунҷи yaw-и баданро тағйир диҳад.

Аммо ин қобилият номаҳдуд нест. Гарчанде ки дар таҳқиқот гуфта мешавад механизми физикии идоракунӣ метавонад ба 60° расад, барои маҳдуд кардани қувваҳои баланди паҳлуӣ ва хатари чаппа шудан ҳангоми ҳаракат кунҷи crab дар нармафзор тақрибан бо 0,52 радиан, яъне 30° маҳдуд карда шудааст.

Системаи идоракунӣ ба се қабат тақсим мешавад

Равиши AMM меъмории иерархии идоракуниро истифода мебарад:

1. Қабати банақшагирии формация
2. Қабати интихоби реҷаи идоракунӣ
3. Қабати пайгирии траектория

Дар саҳифаи 8-и мақола Расми 7 ин меъмориро нишон медиҳад. Банақшагири марказӣ, ки дар воситаи пешбар кор мекунад, аз маълумоти муҳит ва ҳолати вақти воқеии пешбар истифода бурда, мавқеъҳои ҳадафии ҳамаи воситаҳоро ҳисоб мекунад.

Пас аз ин Steering Mode Selector барои ҳар восита шакли мувофиқи идоракуниро муайян мекунад. Мавқеъҳои ҳадаф тавассути шинаи алоқа ба воситаҳо фиристода мешаванд. Ҳар як восита идоракунии мустақили ҳалқаи пӯшидаи пайгирии худро иҷро мекунад.

Усули Virtual Structure формацияро чӣ гуна нигоҳ медорад?

Дар таҳқиқот аз равиши Virtual Structure истифода мешавад, ки тамоми гурӯҳи воситаҳоро ҳамчун як сохтори ягонаи геометрӣ мебинад. Мавқеи нисбии лозимии ҳар як восита нисбат ба воситаи пешбар муайян карда мешавад.

Муҳаққиқон чор формацияи асосиро истифода мебаранд:

• формацияи хаттии тӯлонӣ ё уфуқӣ,
• формацияи V,
• формацияи росткунҷа,
• формацияи доиравӣ/камоншакл.

Масалан, дар формацияи сутунии тӯлонӣ мавқеи нисбии воситаи i чунин муайян мешавад:

d^col_i = [−(i−1)L_col, 0]^T

.

Барои формацияи хаттии уфуқӣ:

d^row_i = [0, (4−i)L_row]^T

истифода мешавад.

Вақте ки мавқеи глобалии воситаи пешбар маълум аст, мавқеи мутлақи ҳадафии воситаи пайрав:

[x^target_i, y^target_i]^T = [x_L, y_L]^T + R(θ_L)d^ref_i

бо ин ифода ҳисоб карда мешавад.

Чаро ба ҷойи PID-и классикӣ хаттисозии бозхӯрд истифода мешавад?

Дар ҳаракати восита шитоби тӯлонӣ ва тағйири самт комилан мустақил нестанд. Махсусан дар суръати баланд ё манёврҳои дорои каҷии зиёд ин вобастагӣ метавонад самаранокии идоракунии классикии PID-ро коҳиш диҳад.

Аз ин сабаб муҳаққиқон самтҳои глобалии X ва Y-ро ба ду вуруди виртуалии идоракунӣ ҷудо мекунанд:

Ẍ = u_x

Ÿ = u_y

Шитоби воқеии физикӣ a ва суръати yaw ω бошад чунин бозёбӣ мешаванд:

a = u_x cosθ + u_y sinθ

ω = (1/v)(−u_x sinθ + u_y cosθ)

.

Кунҷи идоракунии чархи пеш:

δ = arctan(ωL/v)

бо ин робита ҳисоб карда мешавад.

Ҳамин тавр, системаи ғайрихаттии пайваст ба ду системаи мустақили дараҷаи дуюм дар самтҳои X ва Y табдил меёбад.

Устувории идоракунӣ чӣ гуна нишон дода шуд?

Барои хатогиҳои пайгирӣ e_x ва e_y, динамикаи ҳалқаи пӯшида чунин ҳосил мешавад:

ë_x + K_d,xė_x + K_p,xe_x = 0

ë_y + K_d,yė_y + K_p,ye_y = 0

.

Мувофиқи меъёри Routh-Hurwitz, агар K_p > 0 ва K_d > 0 интихоб шаванд, решаҳои муодилаи хос дар нимҳамвории чапи ҳамвории комплексӣ мемонанд ва хатогиҳои пайгирӣ ба таври асимптотӣ ба сифр майл мекунанд.

Система Кадом Реҷаи Идоракуниро Кай Интихоб Мекунад?

Навоварии асосии системаи AMM на танҳо доштани чандин шакли идоракунӣ, балки интихоби худкори онҳо дар ҷараёни вазифа мебошад.

Аввал хатои мавқеи ҳадаф ба системаи координатаи худи восита табдил дода мешавад:

[x_err, y_err]^T = R(θ_i)^T [x^target_i−x_i, y^target_i−y_i]^T

Сипас кунҷи ҳадаф нисбат ба самти восита:

α_maneuver = atan2(y_err, x_err)

ҳисоб карда мешавад.

Дар таҳқиқот ҳамчунин бо сабаби он ки узви 1/v дар муодилаи хаттисозии бозхӯрд метавонад дар суръатҳои паст мушкили ададӣ ба вуҷуд орад, ҳадди муҳофизатии суръати пасти 0,5 m/s истифода мешавад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Платформаи симулятсия

Барои санҷиш дар муҳити MATLAB/Simulink R2023a модели формацияе аз ҳафт воситаи бесарнишини 4WIDS сохта шудааст.

Баъзе аз параметрҳои симулятсия:

• Қадами симулятсия: 0,01 s
• Фосилаи байни меҳварҳои восита: L = 2,0 m
• Шумораи воситаҳо: 7
• Усули асосии муқоиса: идоракунии формацияи анъанавии FWS

Симулятсия аз чор ҷузъи асосӣ иборат аст: тавлидкунандаи истиноди глобалӣ, банақшагири марказии формация, ҳафт ҳалқаи алоҳидаи тақсимшудаи идоракунии восита ва зерсохтори маълумот/визуализатсия.

Сенарияи 1: Иваз кардани хат ба таври параллелӣ

Таҷрибаи аввал бартарии AMM-ро дар ҳаракати софи паҳлуӣ месанҷад. Формацияи сутунии ҳафт восита ҳангоми ҳаракат дар самти X ба хатти ҳамсоя мегузарад.

Дар системаи AMM воситаҳо ҳангоми каҷравии хурди паҳлуӣ ба crab steering мегузаранд ва кунҷи баданро тақрибан собит нигоҳ медоранд. FWS-и анъанавӣ бошад, азбаски бояд аввал кунҷи yaw ба вуҷуд оварад, роҳи дарозтари шакли S-ро тай мекунад.

Дар саҳифаи 17-и мақола Расми 9 ин фарқро равшан нишон медиҳад. Каҷи AMM ба мавқеи ҳадафии паҳлуӣ зуд ва ба шакли трапетсия мерасад, дар ҳоле ки дар каҷи FWS таъхири назаррас дида мешавад.

Фарқи ченшуда дар ҷойивазкунии паҳлуии 5 метр

Вақти нишаст ҳамчун муддат аз гирифтани фармони иваз кардани хат то лаҳзае муайян шудааст, ки каҷравӣ аз мавқеи ҳадаф аз %2 камтар мешавад.

Оё Crab Steering Дар Ҳар Ҳолат Аз FWS Беҳтар Аст?

Не. Яке аз натиҷаҳои муҳими таҳқиқот ҳамин созиши байни самаранокиҳост, ки зарурати системаи бисёрреҷимаро нишон медиҳад.

Crab steering метавонад дар ислоҳҳои хурди паҳлуӣ роҳи хеле кӯтоҳ диҳад; аммо вақте восита ба таври моил ҳаракат мекунад, ҷузъи суръати тӯлонӣ:

v_x = v cos α

мувофиқи ин робита метавонад кам шавад.

Аз ин рӯ, дар масофаҳои калони паҳлуӣ ё тағйири формация бо суръати баланд FWS барои баъзе воситаҳо метавонад муносибтар бошад.

Дар саҳифаи 18-и таҳқиқот Расми 11 ҳаракати реҷаҳои crab ва FWS-ро дар самтҳои X ва Y муқоиса мекунад. Дар реҷаи crab ба ҳадафи паҳлуӣ мустақимтар мерасанд, дар ҳоле ки FWS метавонад суръати тӯлониро беҳтар нигоҳ дорад.

Сенарияи 2: Гузариш аз сутун ба формацияи уфуқӣ ва V

Дар таҷрибаи дуюм санҷида шуд, ки оё воситаҳо ҳатто дар як тағйири формация метавонанд реҷаҳои гуногуни идоракуниро интихоб кунанд.

Системаи идоракунӣ вазифаро аз рӯйи миқдори ҷойивазкунии паҳлуӣ тасниф мекунад.

Воситаҳои дохилӣ — масалан C2 ва C3: Вақте ки каҷравии паҳлуӣ тақрибан аз 6 метр кам буд, вазифа ҳамчун “танзими нозук” тасниф шуда, Crab Mode интихоб гардид. Бо ин роҳ воситаҳо бо масирҳои кӯтоҳ, рост/моил ба мавқеи ҳадафии худ рафтанд.

Воситаҳои берунӣ — масалан C6 ва C7: Вақте ки ҳаракати паҳлуӣ аз 10 метр зиёд шуд ва барои расидан ба формация суръати тӯлонии баландтар лозим буд, система инҳоро ҳамчун манёврҳои дорои динамикаи баланд арзёбӣ карда, FWS-ро истифода бурд.

Дар саҳифаҳои 19 ва 20-и мақола Расми 12 ва Расми 13 азнавташкилшавии ҳафт воситаро байни формацияи V ва формацияи хаттии уфуқӣ нишон медиҳанд.

Чӣ гуна гузариши пайдарпай байни реҷаҳо пешгирӣ мешавад?

Дар системаҳои идоракунии бисёрреҷима тағйири хурди хато дар атрофи ҳад метавонад сабаб шавад, ки идоракунанда пайваста реҷаро иваз кунад. Ин ҳолат chattering ё ларзиши идоракунӣ номида мешавад.

Муҳаққиқон барои коҳиш додани он:

• мантиқи муқоисавии гистерезис,
• механизми қулфкунии вазифа,
• таймерҳои anti-jitter,
• банақшагирии марҳилавии суръат

истифода кардаанд.

Дар симулятсия, махсусан ҳатто вақте ки арзиши хатои воситаҳои беруна C6 ва C7 дар атрофи ҳад тағйир меёфт, реҷаи FWS то қариб анҷом ёфтани манёвр нигоҳ дошта шуд. Ҳамин тавр, ларзишҳои зинагие, ки гузаришҳои реҷа метавонанд ба вуҷуд оранд, пешгирӣ шуданд.

Натиҷаи асосии таҳқиқот

Таҳқиқот нишон медиҳад, ки як шакли идоракунӣ барои ҳамаи вазифаҳои формация интихоби беҳтарин нест.

Дар ислоҳҳои хурди паҳлуӣ crab steering метавонад геометрияи кӯтоҳтарини ҳаракатро таъмин кунад. Дар гардишҳои танг 4WCS метавонад аз радиуси хурди гардиш истифода барад. Дар ҳаракатҳои масофаи калон ё суръати баланд бошад, FWS метавонад аз ҷиҳати устуворӣ ва суръати тӯлонӣ бартарӣ диҳад.

Системаи AMM ҳадаф дорад ин се рафторро дар як восита ба таври динамикӣ якҷо кунад.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

1. Озмоиши воситаи воқеӣ гузаронида нашудааст. Натиҷаҳо аз симулятсияҳои MATLAB/Simulink ба даст омадаанд.
2. Динамикаи пурраи восита модел нашудааст. Таъсирҳои ғайрихаттӣ, монанди деформатсияи паҳлуии шина ва коэффисиенти часпиши роҳ-сатҳ, ба модели муфассал дохил нашудаанд.
3. Алоқа идеалӣ қабул шудааст. Таъхир ва талафи пакетҳо, ки дар системаҳои воқеӣ рух дода метавонанд, таҳқиқ нашудаанд.
4. Пешгирӣ аз монеаҳои динамикӣ ҳанӯз ба таври фарогир тасдиқ нашудааст.
5. Муҳаррики физикии дақиқии баланд истифода нашудааст. Таҳқиқот махсусан ба тасдиқи назариявии мантиқи идоракунӣ ва маҳдудиятҳои кинематикӣ равона шудааст.

Муаллифон дар марҳилаи баъдӣ моделҳои динамикии дақиқтар, ҷуброни ҳолат бар асоси observer барои маҳдудиятҳои алоқа, пешгирӣ аз монеаҳои динамикӣ бар асоси Model Predictive Control ва озмоишҳои воқеии воситаҳои 4WIDS-ро ба нақша гирифтаанд.

Ёддошти Манбаъ ва Усул

Унвони аслӣ: Dynamic Cooperative Control Method for Highly Maneuverable Unmanned Vehicle Formations Based on Adaptive Multi-Mode Steering

Муаллифон: Yongshuo Li, Huijun Yue, Hongjun Yu, Jie Gu, Zheng Li ва Jicheng Fan.

Маҷалла: Machines.

Сол / Ҷилд / Мақола: 2026, 14, 80.

DOI: 10.3390/machines14010080

Пешниҳод: 3 декабри 2025.

Таҳрир: 31 декабри 2025.

Қабул: 6 январи 2026.

Нашр: 8 январи 2026.

Ношир: MDPI.

Литсензия: Creative Commons Attribution — CC BY.

Навъи таҳқиқот: Моделсозии математикӣ ва симулятсияи системаи идоракунӣ дар MATLAB/Simulink барои идоракунии формацияи воситаҳои худмухтор.

Меъмории восита: Four-Wheel Independent Drive and Steering — 4WIDS.

Усули пешниҳодшуда: Adaptive Multi-Mode — AMM cooperative formation control.

Ҷузъҳои асосӣ: Банақшагири формацияи Virtual Structure, steering-mode selector-и мутобиқшаванда, пайгирии траектория бо feedback linearization, гистерезис ва механизмҳои қулфкунии вазифа.

Муҳити тасдиқ: MATLAB/Simulink R2023a; ҳафт восита; қадами симулятсия 0,01 s; фосилаи байни меҳварҳо 2,0 m.

Дастрасии маълумот: Гузориш шудааст, ки маълумоти аслӣ ва маводи иловагии таҳқиқот тавассути сабти Zenodo дастрасанд.

Маблағгузорӣ: “Science and Innovation Yongjiang 2035” Ningbo City Key R&D Program, No. 2025Z005; инчунин дастгирии Beijing Institute of Space Launch Technology.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон набудани бархӯрди манфиатҳоро эълом кардаанд.

Изҳороти абзори навиштан: Гуфта шудааст, ки барои беҳтар кардани хониши грамматикии мақола ҳангоми навиштан DeepSeek V3.2 истифода шудааст.

Ҳадди тафсири илмӣ: Беҳбудиҳои самаранокии дар гузориш пешниҳодшуда ба симулятсияҳои MATLAB/Simulink бар пояи кинематика тааллуқ доранд. Таъсири мутақобилаи шина ва роҳ, таъхирҳои алоқа, талафи пакетҳо, монеаҳои мураккаби динамикӣ ва рафтори воситаи воқеӣ ҳанӯз дар ҳамин миқёс тасдиқ нашудаанд.