藏北高原紫外辐射的变化特征

对藏北高原五道梁站及其邻近地区以及一些平原地区站点的太阳紫外辐射观测资料进行了分析, 并与青藏高原其它地区的观测结果进行对比, 讨论了紫外辐射的变化特征及其影响因子。结果表明: 1) 紫外辐射的基本变化主要受天文因子的影响, 其一般变化特征与总辐射有良好的对应关系。2) 紫外辐射受大气臭氧含量的影响, 其在太阳总辐射中所占比例的变化是由大气臭氧含量南北不同的空间分布和季节变化造成的。3) 紫外辐射受测站海拔高度的影响, 其相对变化随测站海拔高度的增加而加速增长。紫外辐射在太阳总辐射中所占比例也有明显的类似变化。4) 高原地区B 波段紫外辐射较强, 在到达地表的紫外辐射中所占的能量比例较小, 其辐射值和比例值都有明显的日变化。

基于SOA的银联智能商业平台的研究与实现

智能商业平台是大型企业商务应用的一个新兴领域，智能商业平台通过数据仓库、数据挖掘技术对企业的大量数据进行分析从而发现企业发展的内部规律，为企业的科学决策提供有效支持。目前的智能商业平台在体系结构上采用传统的集中式的IT架构，尚存在如下问题：1）不能与其它的信息系统间进行交互；2）采用重建系统的方式开发，不能有效利用现有信息系统资源；3）不能适应快速变化的业务需求进行灵活的系统扩充；4）由于系统的所有功能集中在同一服务器中，严重影响了系统的访问性能。 面对上述具有挑战的问题，本文将Web服务同智能商业平台相结合，从体系结构角度出发，提出一种基于SOA(Service-Oriented Architecture)的智能商业平台，并在银联需求基础上开发基于SOA的银联智能商业平台，解决传统智能商业平台无法与其它系统交互、资源浪费、不能灵活扩展及访问性能等方面的问题。 本文首先分析了国内外智能商业平台的研究现状，指出了其中尚未解决的问题，然后结合SOA的设计思想和传统的OOAD方法进行银联智能商业平台的业务流程建模，提出了面向服务的业务流程模型，并根据对用户需求的分析和理解设计了基于SOA的分层体系结构。然后文章着重阐述了服务管理层、核心服务层和应用服务层的设计思想与实现方法：1）服务管理层负责系统中所有服务的统一维护和管理，其中重点分析、讨论了基于UDDI的服务注册中心等核心技术；2）核心服务层是我们为了支撑上层应用服务所开发的大量底层服务，包括报表统计服务、多维分析服务、数据挖掘服务、用户管理、日志管理服务等，文中详细介绍了这些核心服务的设计和工作流程描述；3）应用层主要是各种系统功能的应用集成，提供了统一的门户交互系统，在这部分将着重给出统一门户集成的实现。 通过构建面向服务的业务流程和体系结构，基于SOA的银联智能商业平台在解决了传统智能商业平台问题的基础上还具有多项优势：标准化，构件化，可重用性，可扩展性，可互操作性等。

基于符号时间序列分析技术的电机故障诊断方法研究

随着经济建设的快速发展和电气化程度的不断提高，电机已被广泛应用于工业、农业、国防及人们日常生活的各个领域。从全球范围看，电机的用电量平均占世界用电总量的50％以上、占工业用电量的70％左右，然而在电机消耗的电能中有相当一部分被浪费掉了，其中电机带故障运行是造成电机运行效率偏低，能源浪费严重的主要原因之一。 电机在线监测及故障诊断系统对于减少由于电机故障引发的人员、财产的损失，减少由于故障引发的异常状态而导致的能源浪费有着重要的现实意义。在电机故障危害产生前发现故障并进行维护是电机故障诊断的核心思想，在保证电机故障诊断系统准确性的同时，系统的快速性与鲁棒性显得尤为重要。基于此，本论文从寻求系统的快速、稳定的性能入手，提出了基于符号时间序列分析的感应电机故障诊断框架，重点研究了计算代价小、噪声干扰不敏感的诊断方法，以期提高感应电机故障诊断系统的快速性与鲁棒性。论文的主要工作有： 1． 论文首先构建了一个基于符号时间序列分析的电机故障诊断框架，将电 机故障诊断分解为信号预处理、符号区间划分、符号统计分析三部分，有机地融合了统计分析、信号处理、信息论、模式识别等理论和方法，利用符号时间序列分析技术在强噪声中准确识别系统状态模式的良好性能，可以有效地解决电机故障诊断问题，并实现电机故障诊断量化分析，是对探索电机在线监测与诊断新方法的一次有益的尝试。 2．引入提升小波对信号进行前期处理，并针对常规提升小波固定预测滤波器的局限性，提出了基于梯度信息的自适应提升小波预测方法。该方法中预测滤波器并不是固定的，而是利用梯度的信息来确定预测算子。根据信号的陡峭程度选择预测算子可以更准确地预测信号，从而使原始信号中的平滑特征和陡峭特征可以在小波变换中完好地保留下来。仿真实验及实验室实验结果表明该方法可以有效地保留信号中蕴含的重要的特征信息，对于以提取、识别信号中特征信息为主的故障诊断技术来说具有非常重要的意义。 3．针对所采集现场信号的非均匀分布特点，论文提出了一种自适应符号化划分方法，既可以确保符号在数据密集区间和数据稀疏区间的合理分配，提高符号的利用率，又可以灵活地适应信号的特征，增强诊断系统对微弱故障信号的敏感度。故障诊断实验表明该方法简单有效，实现了故障初期的快速诊断，并且较平均区间划分方法有着更高的计算效率、更明显的诊断效果。 4．将相对熵的概念引入基于符号时间序列分析的电机故障诊断框架中，针对电机故障严重程度量化分析问题，提出了基于模糊相对熵及加权模糊相对熵的符号统计分析方法，并将该方法应用于感应电机的故障诊断与识别，建立了电机故障诊断模型。该方法可以更合理、充分地利用信息丰富的符号区间所蕴含的故障信息，实现了电机故障诊断与故障严重程度的识别。实验结果验证了该方法的合理性、有效性和可靠性。 5．将隐马尔可夫模型（HMM）引入到基于符号时间序列分析的电机故障诊断框架中，构造了基于HMM的电机故障诊断模型，并对HMM阶数选取问题给出了一个基于符号出现不确定信息熵的HMM阶数选取原则，使得模型在满足精度要求的同时，又尽可能地减少模型的计算代价，有效地提高了故障诊断的效率及可靠性。实验结果表明基于HMM的电机故障诊断方法有效地实现了电机转子断条故障、匝间短路故障的诊断与量化分析。

基于网络的机器人遥操作系统：运动描述语言方法

基于网络的机器人遥操作系统是互联网技术与机器人技术相结合的产物，其基本特点是操作者的决策能力与远端机器人系统精确、快速运动能力的有机结合，这种结合通过互联网这种廉价的通讯媒介得以实现。这类系统较之于传统机器人系统的优点主要体现在两个方面：一方面延伸了操作者的感知和操作能力，使操作者可以置身于安全的环境中而完成危险环境中的作业任务；另一方面提高了机器人对工作环境的适应能力，辅之以操作者的决策，机器人可以工作于非结构化的工作环境中。随着互联网技术的飞速发展，基于网络的机器人遥操作技术在远程医疗、远程服务、远程制造等领域得到了广泛的应用。 互联网技术为机器人遥操作技术的应用开辟了广阔的应用前景，但同时也带来了新的挑战，互联网数据传输的特征——有限带宽、随机时延、丢包和乱序等——降低了遥操作系统的性能，甚至造成系统的不稳定。传统的主从式控制策略增加了操作者的工作负担，而且需要占用大量网络带宽，造成网络资源的浪费；而协作式控制策略虽然可以减少通信量，但操作者对机器人系统的影响降低，而且只能依据经验设计。另外，传统的控制策略并没有考虑机器人遥操作系统的混杂本质特征。一个理想的机器人网络遥操作系统应该能够实现系统计算、通信等功能的合理划分。合理划分的原则是：把操作者从控制闭环中解放出来，适当减轻操作者的工作压力；充分利用机器人系统的计算能力和运动能力，降低系统对网络带宽的需求；适当保留操作者对机器人系统的决策能力，从端机器人系统要有一定的自主能力。基于以上基本原则，本文提出了基于运动描述语言（Motion Description Language, MDL）的机器人网络遥操作系统设计方法，针对该方法在以下几个方面进行了深入研究： 1. 针对现有的机器人网络遥操作系统结构存在的问题，提出了基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统控制结构。该控制结构充分考虑了机器人网络遥操作系统的构成特点，实现了系统计算、通信等功能的合理划分，为系统设计奠定了基础。 2. 结合基于事件的规划与控制理论，提出了新的运动描述语言模型，并以轮式移动机器人的镇定问题为例说明了基于运动描述语言的机器人系统控制方法。为了分析运动描述语言的网络环境特征，我们对基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统进行了仿真研究，并与传统的遥操作方法进行了对比分析，仿真结果表明，基于运动描述语言的控制方法对网络随机延迟具有鲁棒性。 3. 在基于网络的机器人遥操作系统中，操作者依据系统运行过程中特定的事件进行决策，据此提出了遥操作系统中的信息变换和运动描述语言框架中的增强信息反馈方法。在信息变换方法中，针对各种媒体信息的特点以及操作者的感知特征，把视频信息转换为力信息，引导操作者提供和系统状态对应的控制命令。运动描述语言框架中的增强信息反馈方法反映了操作者感知离散事件的本质特征，对操作者感兴趣的离散事件进行了凸显，增强了操作者的感知能力。实验结果验证了两种方法的有效性。 4. 针对具体的遥操作目标抓取任务，建立了基于运动描述语言的机器人网络遥操作原型系统，定义了一致可操作性的概念，并探讨了运动描述语言框架中的优化问题。通过实验对传统的控制方法与基于运动描述语言的控制方法进行了对比分析，实验结果说明，基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统在降低操作者工作负担以及减少对通信网络带宽需求方面具有很大的优势。 基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统克服了传统控制方法的缺点，通过抽象实现了数据的压缩，这种特点较之于传统的控制方法在降低通信量以及操作者的工作负担方面具有很大的优势，对于提高机器人网络遥操作系统的性能具有现实意义。

面向旋翼飞行机器人的控制方法研究

旋翼飞行机器人是目前国防、民用两大领域都迫切需要的一种无人平台，它在受限空间内的机动能力，如在狭小的空间起降、空中悬停、超低空飞行、悬停转向等，使得其可以承担固定翼无人机所难以完成的使命，如城市空中信息获取、灾难搜救、反恐防暴、输电线路油气管线巡检、边防反走私反偷渡、森林防火、航拍航测等等。但是，要摆脱遥控的限制，实现旋翼飞行机器人远距离、超视距自主飞行，高性能的机载控制器是必要的前提。但是，由于旋翼飞行机器人的动力学模型复杂，除了飞行器所共有的空气动力学不确定性外，还包括主、尾旋翼之间的强耦合，低空飞行时由旋翼气流引起的地效扰动，低速飞行时的风扰等。上述这些因素导致难以建立起旋翼飞行机器人的动力学模型。 旋翼飞行机器人的动力学复杂性是制约其高性能控制实现的核心问题，如何解决这个问题也就成为目前自动控制领域的重要研究方向之一，其研究内容包括可以归纳为：1) 如何合理简化动力学模型使其适合控制策略设计，2) 如何处理未建模不确定因素和空气动力学扰动，3) 如何提高算法的实时性以便在线实现。 本论文针对上述内容开展深入研究，以在线可实现性为核心目标，旨在建立具有结构简单、实时性好、针对不确定因素及扰动具有强鲁棒性的旋翼飞行机器人控制方法。论文的具体内容安排如下： 第1章，在综述现有控制方法的基础上，深入分析并归纳出旋翼飞行机器人控制策略设计中的难点；同时，鉴于本论文将重点研究在线估计方法与旋翼飞行机器人控制策略相集成的可行性，本章也分析了现有非线性估计方法的特点。 第2章，在简单介绍旋翼飞行机器人飞行机理的基础上，将其视为理想刚体，根据理论力学及叶素理论建立了旋翼飞行机器人六自由度动力学模型。这个模型是一个本质上强非线性、不稳定、高度耦合、非最小相位，带有时变不确定因素的多输入多输出系统。本章对该模型进行了相应地简化，使其可以作为后续控制方法设计与分析的基础。 第3章，重点研究旋翼飞行机器人的独立通道控制方法，提出了两种方案提高基于单输入单输出简化模型的独立通道控制对未建模因素的鲁棒性。首先分析了动态反馈线性化方法在旋翼飞行机器人独立通道控制方面应用的可行性，虽然在理论上可以证明其稳定性，但其对模型的依赖以及计算量大、实时性差等缺点将制约其在实际系统上的应用。以此为基础，又创新地提出基于自调整神经元的控制方法克服未建模扰动和未知时变参数扰动，该方法保留了独立通道控制结构简单、算法易于实现的特点。 第4章，深入研究了UKF算法。在介绍了U变换和标准UKF算法的基础上，提出了具有噪声统计特性自适应能力的UKF算法。该方法以新息方差的实际值与估计值的差为指标函数，用MIT规则作为自适应机制，在线调整UKF中的噪声方差参数，从而提高UKF估计方法在先验信息不足时的估计性能。该方法为基于在线主动估计的旋翼飞行机器人控制奠定了基础。 第5章，提出基于在线主动建模的旋翼飞行机器人控制结构。在该结构中，利用非线性估计方法在线估计旋翼飞行机器人动力学模型中的不确定因素及扰动；同时，将在线估计的结果融入控制策略，实现对模型不确定因素及扰动的抑制。 最后对全文作出总结。

基于神经元群的网络遥操作机器人控制研究

遥操作技术是机器人学中的一个重要研究方向，互联网的出现和快速发展为本地机器人系统和远端操作者之间提供了新的交互媒介。通过网络将操作者智能与机器人局部自主相结合，充分利用操作者与机器人系统间的交互能力，实现远距离、动态非线性环境下的复杂任务操作，极大地拓展了遥操作机器人系统的应用范围，具有广阔的应用前景。但由于网络传输特性产生的随机时延和多通道问题会严重降低遥操作系统的稳定性；环境的复杂性和动态性也会影响系统的操作性能，使得操作者与机器人之间难以实现良好的交互和控制，甚至威胁到机器人自身的安全。针对这一问题，本文在分析了现有的遥操作理论和方法的基础上，采用事件驱动和动态神经元群控制相结合的方法，研究网络遥操作机器人系统的建模和控制问题。通过提高遥操作机器人的局部自主能力，结合学习能力、短期记忆结构和内部表达方式的建立，增强遥操作机器人的环境适应能力。论文的主要研究内容可分为如下三个方面：基于事件和神经元群方法的控制系统整体设计；具有局部自主的神经元群控制器分析与实现；将多层延迟结构引入神经元群模型，给出了动态神经元群控制器设计。具体研究内容概括如下： 1. 论文对遥操作机器人系统发展历程、研究现状，以及在网络遥操作机器人系统研究中所涉及的一些主要方法，存在的问题和已有的解决方案进行了归纳总结和较为全面系统的分析，然后给出本文研究的主要内容和研究所需的一些准备知识。 2. 论述了涵盖三个大脑信息处理特性：选择性、适应性及协同性的神经元群选择理论，详细分析了选择性神经元群网络的结构、功能和算法。建立了基于选择性神经元群网络的遥操作机器人控制模型。在此基础上进行的仿真对比实验，验证了其在学习能力和收敛精度方面，比传统的人工神经网络方法更具优势。 3. 针对网络遥操作机器人系统中存在的随机时延和模型所具有的未知、不确定和非线性特性，造成系统不稳定和操作性能下降等问题，提出采用基于事件和神经元群控制相结合的方式建立系统控制模型。综合考虑两种控制策略的特点，分别设计两端控制器。通过神经元群模型提高本地机器人的局部自主能力，实时跟踪远端的位置和速度信息；结合基于事件控制方法实现切换控制，降低网络随机时延的影响，保证系统稳定性，提高系统操作性能。在此基础上，结合轮式移动足球机器人模型、网络通讯协议和时延数据的分析，进行仿真实验，结果验证了所提控制方法的有效性。 4. 将神经动力学概念引入到网络遥操作系统中，建立一种新的具有分层延迟结构的动态神经元群模型。引入时延单元增加记忆功能，由此导出的模型更适合应用于处理序列数据。动态神经元群模型将事件序列的时变量转化为空间向量表示，进而转化为多维曲线的分类问题。利用这个模型，实现对遥操作机器人系统动态特性参数的辨识和远端操作者意图的分析预测，并进行了全局渐近稳定性和同步状态分析。通过这种方式克服网络随机时延的影响，保证系统的稳定性和操作性能。针对轮式移动足球机器人进行了仿真实验研究。最后，本文分别利用了基于MATLAB和MSVisual C++开发的仿真平台，验证了以上方法的有效性和控制器的性能。本文所作的理论分析工作及仿真实验，验证了基于事件和神经元群方法实现对网络遥操作机器人控制的有效性。

被动柔顺式月面巡视探测器轮-地交互及运动控制研究

月面巡视探测器（简称月球车）是一类在月面环境下执行巡视探测、科学考察及样品采样等任务的空间机器人，是我国月球探测二期工程中执行月面探测任务的关键载体。月球车行走能力事关我国探月二期工程的成败，开展在复杂地形下移动能力和地形通过能力的研究，是目前移动机器人研究中的前沿课题，是月面巡视任务的关键技术之一。本论文的选题具有重要的理论意义和应用价值。 月面环境的特殊性使月球车进行长距离、大范围的巡视任务面临一系列问题，包括地形对月球车移动性的影响、移动能力、地形通过能力、地形适应能力、安全性等。本文以月球车保持复杂地形下的高移动能力和地形通过能力为研究目标，以一种典型的被动柔顺式月球车为对象，从月球车与环境地形具有整体不可分离性的角度，将机器人与环境地形看成是相互作用的整体，深入研究了轮-地交互关系、软硬地形上的轮-地接触模型、环境地形给月球车带来的影响、软硬地形上的月球车建模、参数估计及运动控制等问题。根据对月球车移动性能影响程度之不同，本文从硬质地形与松软地形两个方面来考察环境地形的物理属性和轮-地交互关系。在硬质地形上，主要考虑地形平坦与不平坦对机器人移动的影响及其控制，六个驱动轮的速度协调控制，车轮打滑（前滑、侧滑、转向滑移）对机器人的建模、分析及控制的影响。在松软地形上，主要考虑轮-地接触关系，土壤特性对移动的影响及其控制。在大量阅读国内外文献并归纳总结的基础上，重点开展了如下几方面的研究： （1）在硬质不平坦地形下，引入轮-地几何接触角概念以反映地形不平坦时轮-地接触点在轮缘上位置的变化，去掉了通常采用的车轮纯滚动假设，考虑车轮滑移（包括侧滑、侧滑以及转向滑移），并结合月球车被动柔顺式移动机构的特点，提出了一种基于速度闭链的运动学建模方法，进行了基于整车模型的月球车速度协调控制研究。该运动学建模方法基于轮心处的速度投影建立整体运动学模型，物理概念清晰、便于实时运动学正反解计算。 （2）针对运动学模型中轮-地几何接触角难以直接测量的问题，提出了两种在线估计方法：误差计算法和卡尔曼滤波估计法。这两种方法均基于月球车整体运动学模型，只需要车轮内部传感器的测量信息，就能在线估计轮-地几何接触角。 （3）由于车轮滑移的影响，采用航位推算方法进行月球车状态估计以及里程计计算存在较大误差。本文提出了基于整体运动学模型的车体运动状态估计方法，并在月球车样机上对车体速度估计、航向角估计、里程计实时计算等方法进行了大量实验研究，验证了算法的有效性。 （4）针对松软地形上刚性轮与地形的交互建模问题，提出了一种基于Guass-Legendre数值积分和Newton-Raphson数值解法的地形参数实时估计方法。以月壤参数的变化范围为参考空间，通过数值仿真将不同地形参数对轮-地接触力的影响进行比较，进而选取对轮-地接触力有较大影响的地形参数进行在线估计，仿真和实验结果均表明估计算法是有效的。 （5）松软地形上常规的速度控制效果差，本文开展了月球车准静力学建模及牵引力控制算法研究，提出了两种牵引力控制算法。对月球车准静力学模型进行简化，提出了一种基于目标优化、考虑车体姿态变化的牵引力控制算法。利用上一章在线估计出的地形参数，对车轮滑移率进行最优估计，提出了一种基于最优滑移率的牵引力控制算法，并进行了仿真验证。

基于立体视觉的室外非结构化环境障碍物检测方法研究

随着智能机器人系统的发展，机器人的在线感知能力日益受到重视。障碍物检测能力是机器人在线感知能力的一个重要组成部分。因视觉传感器具有独特优势，基于视觉的障碍物检测方法成为目前关注的重点。 室外非结构化环境因结构复杂，机器人缺乏可有效利用的先验知识描述，导致众多障碍物检测系统在该环境中不能有效工作。本文采用全局-局部策略对场景进行由粗到精的分析，弥补室外非结构化环境先验知识不足的难题，提高机器人的在线感知能力。根据该策略，本文在基于视差图的障碍物检测系统框架中，引入视差投影图模块，提出了基于视差投影图的障碍物检测系统框架。该框架在视差投影图模块中全局分析场景视差分布水平，在立体匹配模块中局部分析场景前景目标的几何轮廓信息。依据该框架，针对实际应用中遇到的各种问题，提出了工作于室外非结构化环境的障碍物检测算法。该算法具有如下特点： 1、通过分析视差投影图的地面关联线信息，获得场景的视差分布水平。该信息一方面用来动态更改匹配算法的视差搜索范围，增强算法的实时性和鲁棒性；另一方面用来移除背景地表，简化障碍物分割过程； 2、采用双域滤波抑制噪声，获得清晰的边缘特征，降低立体匹配算法在深度不连续性区域的匹配难度； 3、借助逆向重投影的思想重采样扫描图像，在立体匹配前等效地实现了立体匹配过程中动态变更视差搜索范围的操作； 4、采用基于连通成分的扩散方法替代传统的SAD局部匹配算法，获得高质量的视差图，最终改善障碍物检测的精确性。 在室外非结构化环境中，本文对该算法进行了实验验证。通过设置不同的基线长度，验证了算法在不同的感知距离内的有效性。经实验证明，本算法在一定距离范围内能够有效的检测出障碍物。

关节型模块化机器人的设计与实验研究

本文以国家“863”计划支持项目“机器人模块化体系结构设计”（编号2007AA041703）为依托，针对模块化机器人研究的难点和热点问题，在广泛调研模块化机器人国内外研究现状的基础上，研究开发了一套关节型模块化机器人样机。本文主要包括以下四方面的工作：1 模块库的建立及拓扑构型研究；2 运动学的研究；3 模块结构设计；4 实验研究。具体工作如下： 分析了模块化与重构性两个概念的区别与联系，在分析一般机电产品的库设计的基础上阐述了面向功能的模块化机器人模块划分原则。在此基础上，建立了含有五种单元模块的模块库，并对其可实现构型进行了拓扑分析。最后，从拓扑构型分析结果中挑选出了20种代表性构型，为基于任务的构型选择奠定了基础。 对关节型模块化机器人的运动学进行了研究，提出了一种新的坐标系建立方法，建立了各模块的运动学变换矩阵，采用运动旋量的指数积公式实现了正运动学分析的模块化，并推导出正运动学公式。对于逆运动学问题，根据推导出的正运动方程和微分运动学公式建立了逆运动学数学模型，并用牛顿—拉夫逊迭代法得出逆运动学迭代公式。 分析了一个六自由度关节型机器人的危险工况，从而确定了机器人运动时各关节所需的最大功率。以此为基础，确定了三种不同功率的旋转模块Rl、Rm、Rs和一个移动模块Tl，并根据功率的计算结果为各模块进行了电机和减速器等器件的选型。最后，以旋转模块Rl为例详细介绍了模块的结构设计过程。 通过软件平台的搭建，对前面章节的拓扑构型的实现及运动学算法进行了仿真验证。通过该软件平台，可以任意选择第二章分析出的拓扑构型，并可以自动生成运动学正解。后以一个六自由度构型为例进行了轨迹规划，验证了软件平台的构型选择，运动学正逆解算法等功能。该仿真中使用的插补算法，既能保证末端执行器的期望路径，又可以实现关节角的平滑过渡。

多轮腿复合移动机器人控制系统的设计与实现

轮腿复合移动机器人是具有高机动高通过能力、感知能力和自主行为能力的地面移动系统，它能搭载多种载荷，进行快速机动部署，可遥控、半自主、甚至全自主地完成使命。研究轮腿复合移动机器人的根本意义在于其可以在超出人类承受极限的复杂和危险环境中代替人类完成目标作业任务。 本文针对移动机器人的运动控制进行了详细的论述，主要内容包括(1)机器人机构尺寸综合；(2)轮腿复合移动机器人的运动特性分析；(3)远程监控系统的设计；(4)机器人控制系统的设计。 通过分析轮腿复合移动机构运动机理，给出了移动机器人的机构尺寸综合。在移动机器人的运动特性方面，提出了构型在线优化、轮腿运动协调控制算法，并在实验样机对上述优化算法和控制算法进行了实验验证，实验结果表明，构型优化算法和轮腿协调算法在机器人通过典型地形障碍物时是有效的。在远程监控系统分析设计中，对控制系统的远程遥控端硬件搭建及软件设计过程进行了详细的阐述。在机器人控制系统的研究方面，首先介绍了系统的硬件组成；其次依据机器人系统的功能要求，提出选用QNX实时多任务操作系统作为控制系统的操作系统，并对其特性进行了详细的论述；最后在实时多任务操作系统下完成了控制系统的软件设计。 本论文的研究为多轮腿移动机器人的系统设计和研发提供了理论依据和技术支持。

虚拟监控遥操作水下机器人控制系统的研究

随着海洋科学考察和水下工程的日益增多，人类的研究趋势不断地向海洋深处发展。然而，水下环境与陆地和空间环境相比更加恶劣，对人类的威胁更大，因此水下机器人作为人的替代者，正在越来越多地在实际水下操作中应用。传统的水下机器人是采用主从遥操作控制，陆地上或母船上的操作员借助水下摄像机观察机器人的工作情况，通过主手或操纵杆操纵机器人，这种工作方式已不能满足当前水下作业的需要，所以研制具有高效率、高操作精度的水下机器人系统成为当今机器人领域的研究热点。本论文的研究内容是国家“863”高技术计划研究项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，以水下机器人检查海底石油钻井平台导管架焊缝的实际工作为背景，建立了一个完整的水下机器人实验系统，详细研究了虚拟遥操作控制、机器人监控控制及ROV(Remotely Operated Vehicles)模糊控制导航方法，并将这些控制方法应用到所建立的机器人系统中，完成实际操作实验。为了解决运动学逆解无解析解一类机械手的实时控制问题，本文提出一种适合于实时求解的算法--“跟踪搜索算法"，并使用该算法实现了5DOF水下机械手的运动学解算和实时控制。水下机器人载体ROV的导航问题一直被研究者们关注，在水下机器人控制中占重要地位。本文提出一种模糊控制导航方法，使用统一控制模式实现ROV在3D空间的导航，避免了ROV水下导航中多模控制切换点难以确定和切换过程造成ROV波动的问题。根据对ROV和机械手运劫特征的分析，以及水下环境的先验知识，建立了机器人和水下环境的虚拟模型。为了适应机器人在非结构化环境中工作的要求，提出“交互虚攒建模”方法，在环境发生变化时，重新建立虚拟环境模型，使虚拟环境反映真实环境的变化。在此基础上，建立了一个多功能虚拟仿真平台。监控控制是目前水下机器人最好的控制方法，本论文将虚拟现实技术应用在机器人监控系统中，提出虚拟监控系统的双层结构，发展了监控思想。研究并实现了四种虚拟监控控制方法：(1)基于虚拟显示的控制方法，(2)基于虚拟视觉的控制方法，(3)虚拟层任务规划，(4)虚拟投射控制。将上述各部分集成，设计并实现了虚拟监控遥操作控制系统，以该控制系统为核心，连接真实水下机器人和视觉系统，建立了虚拟监控遥操作水下机器人实验系统。本论文提出的系统结构、虚拟建模方法、模糊导航方法，虚拟监控控制方法均应用到机器人实验系统中。实际操作结果和仿真实验结果验证了所提出的虚拟监控系统结构的合理性，方法的正确性，体现了这些结构和方法的先进性。该实验系统和上述实验结果作为“863”项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，通过了专家组的验收，得到专家们的肯定。此外，为了适应开展网络遥操作研究的需要，本论文基于Internet网络技术，建立了机器人的网络通讯框架，使本论文中建立的机器人系统具有网络扩展性。论文的研究工作为研制可实用的高性能水下机器人系统奠定了基础，研究成果对水下机器人遥操作具有理论指导意义，为其实际应用提供了技术实现的途径。

移动机器人运动控制研究

如果将机器人看作是一种能够扩展人类工作能力的有效工具，那么人类在认识和改造世界的过程中就不能没有机器人。移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向，因此对移动机器人运动控制的研究，一直都得到学者们的普遍关注。本文针对近年来在移动机器人运动控制方面的两大研究热点问题----非完整约束轮式移动机器人的控制问题和多机器人协调运动问题----基于仿生策略，分别进行了系统而深入的研究。前者因系统存在非完整运动约束，而使其运动控制问题具有极大的挑战性，而后者则由于问题本身的复杂性、不确定性，从而给问题的求解带来困难。主要研究结果如下：1. 针对一类非完整约束轮式移动机器人，本文从仿人驾车思想出发，提出了一种基于人工场进行导向与控制的非连续位姿镇定新方法。该方法不仅考虑到系统动力学参数变化及扰动影响，而且还兼顾实际系统速度和输出力矩的饱和限制，其扩展后的控制律既可实现平面内任意点-点镇定，还可在仅知期望位姿的情况下，实现任意轨迹和路径的跟踪。控制器不仅设计简单、鲁棒性强、收敛速度快，而且基于人工场的控制思想，对所有轮式移动机器人控制器的设计，都具有指导意义，因而具有一定的普遍性。2. 基于仿人理性决策原则，本文通过对传统遗传算法进行改造，提出进化含义更丰富、能够增强对极值搜索的进化算法----理性遗传算法。它将种群内部对知识与经验的继承和学习，更有效地结合在遗传算法之中，有效地降低了原有随机遗传操作在进化过程中存在操作错误，并很好地体现了自然进化过程中确定性与随机性对立统一的辨证思想。理论分析和仿真实验结果，验证了算法的合理性和有效性。3. 针对确知环境下的多机器人协调运动行为优化问题，本文提出基于理性遗传算法的协调运动行为合成与优化的方法。通过对算法及其实际实现效果的分析，说明理性遗传算法的应用，增加了算法的完备性，路径规划与运动合成相分离的思想，有效地降低了规划算法的时间复杂度，而神经网络函数逼近技术的应用，克服了机器人运动行为表达的困难。4. 针对不确知环境下的多机器人协调运动问题，本文基于仿生行为决策规则及仿生行为协调策略，提出一种新的多机器人协调运动行为综合算法。该算法的实现是建立在如下的认知基础之上，即生物系统的优化反应机制和运动行为的可分解性。它为此类问题的解决提供了一个新的思路。理论分析和仿真实验结果的一致性，使算法的有效性和合理性得到了证明。

基于并联机器人的船载炮半物理仿真试验系统研究

20世纪90年代以来，并联机器人被广为注意，成了机器人技术新的热点。并联机器人技术被广泛地应用在工业、航天、航海等领域，尤其是并联机床，佩一出现就引起了广泛的关注，被称为是“21世纪的机床”，“20世纪机床首次革命性改型”。为了提高船载炮射击训练效益，解决船载炮兵训练的保障问题，同时也为船载炮兵训练的保障工作探索新的路子，提出研制基于并联机器人的船载炮半物理仿真试验系统，使训练可以不受天气、场地的限制。本系统采用模拟船、操瞄炮等设备与计算机图形虚拟技术相结合的方式组成船载炮半物理仿真试验系统。系统既要虚拟船载炮的作战环境，又要实现船在海浪中的6维运动。采用3自由度并联机器人平台构建模拟船，实现船的3维转动；采用计算机仿真虚拟作战环境，并实现船的3维移动。本文介绍了整个系统的软硬件构成，硬件从三自由度并联机构的运动学到控制系统的结构，软件从形成虚拟视景的图形驱动原理到主程序界面，最后展示了系统的硬件实物和软件界面的照片。基于并联机器人的船载炮半物理仿真试验系统具有以下特点：1．采用变频调速技术，研制了三自由度并联机构模拟系统，实现了船炮平台的运动模拟，使系统具有负载能力强、成本低、性能可靠等特点。2.整个系统由计算机图形分系统、动态数据采集与处理分系统、船的运动模拟分系统等组成，实现了船载炮兵射击指挥和火炮操作的模拟训练。 3．应用了多传感器信息融合技术，实现了多信息实时处理，达到了实时仿真的要求。系统能够实时检测船姿态和火炮操作状态等信息，评价射击效果。4.采用三自由度的旋转模拟与图像三自由度的平移运动相结合的方法，实现了六自由度的炮目相对运动模拟效果。该系统可用于模拟炮兵部队实施渡海登陆作战，对岸防目标、海上目标射击和指挥训练。完成船载炮兵的火炮操瞄和射击指挥的教学、训练及考核任务。

自治水下机器人搭载释放技术研究

随着我国海洋开发事业的飞速发展，水下机器人的功能也日趋强大，由原来的观察型向作业型过渡，作业能力也在进一步提高。特别是自治水下机器人具有水下活动范围大、机动性好、安全、结构简单等优点，它的潜在应用价值和不可替代性，已广泛引起各国海洋开发界的重视，AUV的研究代表了水下机器人的发展方向。自治水下机器人作为水下新型工作平台，其实用价值很大程度体现在搭载和释放其它仪器设备的能力上，特别是对大中型构件的搭载和释放能极大的拓展水下机器人的应用范围，因此对自治水下机器人搭载释放技术的研究具有重要意义。 本文以某型号自治水下机器人搭载释放功能的实现为目的，从便于工程实际应用出发，针对机器人载荷具有大载荷、大尺寸的特点，以可重复使用、降低释放噪声、优化受力形式和高可靠性为原则进行锁紧释放系统的设计。整个搭载释放装置以电磁铁为释放动力源，以多级齿形杠杆组为动力传递装置，在与机器人的连接布局上，优化受力形式、减少横截面积以减少形状阻力；在搭载释放装置自身设计上，建立多软件联合仿真平台，实现多种软件之间的无缝连接、三维模型的建立与导入、仿真分析及结果的后处理等，并根据应力分布优化结构，减少整个装置的质量。 第1章简要介绍研究的目的和意义后，分别对水下机器人搭载释放机构的国内外研究现状进行了介绍，还对其他领域的相关技术进行了综述。第2章对水下机器人搭载释放方案进行了设计和分析；并对水下搭载释放技术要考虑的关键问题进行了分析和总结。第3章对“肩挑式”搭载释放装置进行了具体的设计和分析。第4章研究建立多软件联合仿真平台，通过对水下机器人在高海况下起吊的动力学分析，从而对总体设计设计和结构锁的设计的可行性进行进一步的验证。第5章讨论了整个机构的可靠性预测，并提出功能验证的试验的方案。 本文通过UG建模、虚拟装配等，完成了能重复使用、降低释放噪声、优化受力形式和高可靠性锁紧释放系统的设计。借助对搭载释放装置的虚拟模型进行运动学和动力学的仿真分析，检验了所取方案及所建模型的合理性，验证了可控结构锁结构设计可行性。通过静力学计算和优化设计，论文还提出了搭载释放系统结构布局的一些基本结论和结构设计须注意的问题。

水下爬行攻泥机构建模仿真与结构设计方法研究

海底蠕动爬行攻泥机构用于海底打捞时，完成攻打千斤洞和穿带千斤缆的任务。建立它的运动模型并对模型进行仿真是进行攻泥机构结构设计和确定控制方法的理论依据。在目前己有原理性实验样机的基础上，本论文重点分析了机构前进过程中前方土壤的流变过程、阻力的变化规律、支反力的计算、应力的传播、算例和仿真，通过仿真分析，提出了攻泥机构的结构设计方法和结构的改进方向，采用动态分析全运动过程的方法，纠正了以往静止分析某一时刻的方法。本文认为，单纯认为某一时刻阻力大于前进推力机构就不能向前爬行的观点是考虑不周的，由一于机构在海底土壤中运动，其运动原理决定了土壤在产生一定的变形后能够积累起克服阻力的反力，保证机构有一定的前进量，尽管实际前进量要小于它的设计行程。本文在总结前人研究成果的基础上，通过理论推导，具体算例和仿真分析，得出了如下结论：1．在均质土壤中，机构向下爬行时前进阻力的加大是由前方随动土体的加大和土壤抵抗变形能力加强所致；2.在尾部带有柔性长杆的但不施加推力的情况一「，由前进限位块的支撑不足引起的回退量经过几个循环后趋于稳定，而由回拉限位块的支撑不足引起机构的回窜越来越大，最终导致机构停滞不前。3.不管是在粘性或在砂性土壤中，机构向上爬行的工作性态优于向下爬行的工作性态。4，机构在尾部不带柔性长杆的条件下或带有柔性长杆但始终对尾部施加推力的情况下，能够完成整个攻泥的任务。5．在粘性土壤中运动，宜适当加大目前原理性实验样机的结构尺寸，而在砂性土壤中，宜适当减小目前原理性实验样机的结构尺寸。