轮桨腿一体化两栖机器人控制系统研究与设计

轮桨腿一体化两栖机器人是一种既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在极浅水海域浮游的特种机器人。其研究与开发，对海洋环境调查、滩涂沼泽研究取样、军事两栖探雷与灭雷以及水下传感网络等都具有重要意义。这种新型两栖机器人作业环境复杂、运动模式多样，其运行机理、控制策略和建模方法等关键技术与传统的陆地或水下机器人有所不同。轮桨腿一体化两栖机器人控制系统的研究与设计，对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现及各项关键技术的进一步研究具有重要意义。 本文以轮桨腿一体化两栖机器人样机功能实现为目的，针对机器人载体具有的模块化、可重构和可扩展等特性，采用开放式设计思想，对控制系统软、硬件进行开放式设计。硬件上，采用基于CAN总线的分布式控制系统，便于实现功能节点的扩展，并且采用片内集成CAN控制器的ARM处理器，便于实现与CAN总线接口且具有较低的功耗。软件上，控制软件建立在μC/OS-II嵌入式实时操作系统之上，采用分层和模块化结构，以实现软件系统的开放性。同时，针对机器人载体空间狭小、难以布置下外购电机驱动器的特点，自行设计了体积较小且驱动能力较强的专用电机驱动电路。 第1章简要介绍研究的目的和意义后，分别对两栖机器人和机器人控制系统的国内外研究现状进行了综述。第2章介绍了轮桨腿一体化两栖机器人的系统组成，包括外形结构、硬件系统结构和软件系统结构，并结合两栖机器人自身特点，介绍了其运动控制方式。第3章对轮桨腿一体化两栖机器人的硬件系统进行了研究和设计，包括节点处理器选择、主控制节点设计、CAN数据总线接口电路设计、电机驱动节点设计、故障诊断及传感器节点设计、系统电源管理方案设计六个部分。第4章针对轮桨腿一体化两栖机器人的特殊需求，制定了CAN总线应用层协议，并采用嵌入式实时操作系统进行了通信软件和电机驱动软件的设计。第5章设计了控制系统在系统编程(ISP)方案。第6章对所设计的控制系统进行了实验验证。 实验平台的测试表明，本文设计的控制系统能够可靠、稳定工作；控制系统和控制方法的设计与实现是正确并且有效的。控制系统软硬件的设计对轮桨腿一体化两栖机器人样机的实现和各项关键技术的研究奠定了良好的基础。

两栖机器人轮桨腿驱动装置研究

两栖机器人是一种能在陆上和水下环境作业的特种机器人，发展两栖机器人技术对我国发展海洋技术、近海以及甚浅海技术有前瞻性的战略意义。两栖机器人具备在极浅水、碎浪带和海滩区域作业的能力，可以满足调查、监测以及军事领域的探雷、扫雷等方面的应用需求。开发具有环境适应能力的两栖机器人对于民用和军用都有较强的现实意义。 本文综合在水中爬行和浮游特性和陆地上常用的机器人移动方式和运动特点，提出了轮桨一体化的新型复合移动机构，极大的改善两栖机器人对非结构环境的适应能力。轮桨驱动装置巧妙地将水下机器人最常用的螺旋桨推进器与陆地爬行机器人驱动轮结合为一体，实现了多种运动模式自动切换，从而增强了机器人的运动能力，使其既可以在陆地、滩涂、海底爬行，又可以在极浅水海域浮游。 在两栖机器人轮桨设计的初级阶段，采用国际上流行的多学科优化方法、从系统的整体工作环境、性能要求出发，运用多学科综合优化策略，充分考虑涉及到的多个学科的性能指标参数范围，以实现两栖轮桨流体力学和结构力学等学科在多学科综合优化流程框架内的优化设计。在两栖轮桨参数优化的基础上，运用Isight计算平台分别计算了基本型轮桨、开式轮桨和闭式轮桨水动力特性，并对三者的性能进行了对比。利用虚拟样机技术开发了基于陆地环境下两栖机器人的虚拟仿真平台，利用该平台可以和Matlab设计两栖机器人控制系统，从而研究两栖机器人的越障、避障能力。最后，本文完成了两栖轮桨驱动装置结构设计。

基于修正的最小均方误差分类算法的移动机器人运动规划

研究了不确定性环境下移动机器人躲避运动轨迹未知的移动障碍物的一种新方法．通过实时最小均方误差估计算法预测每个障碍物的位置及运动轨迹，并利用模式识别中最小均方误差分类器的修正模型计算出机器人的局部避障路径，再运用船舶导航中使用的操纵盘技术来确定每个导航周期中移动机器人的速．度仿真结果表明了该方法的可行性

最优控制具有非完整性的两轮驱动机器人小车

研究了移动机器人反馈控制问题．这里所考虑的机器人是一个两轮驱动的具有非完整性的移动机器人小车．考虑了笛卡儿空间中轨线跟踪问题的扩展．且表明只要参考小车保持运动，在虚设的参考小车位形周围的小车位形的稳定成为可能．提出了最优控制律并给出了仿真结果。

履带式移动机器人行动规划技术的研究

本文以８６３－５１２型号项目为背景，从运动特性、运动描述、运动控制以及运动规划等几个方面研究履带式移动机器人的行动规划技术；首先从理论上分析了履带式移动机器人的内在运动传递机理，指出了其区别于轮式移动载体的独特的运动特性，尤其是在其转向特性方面，得出了履带式移动机器人运动角速度几乎不可控原理、原地转弯转不准问题、以及履带式车辆行动规划时所要遵循的规则等重要结论，针对履带式移动机器人的纵向运动控制问题，讨论了其速度控制模型，提出了一种速度测量与控制的简单、准确、可靠的方法。在磺向运动方面，提出了一种基于ＦＭ－ＬＩＫＥ和ＡＭ－ＬＩＫＥ相结合的复合控制技术，解决了难度较大的方向控制问题。最后提供了实验结果，证明了上述方法与结论的正确性。上述方法与结论，作为８６３－５１２某型号任务的一部分，业已通过验收。

基于滑转率的六轮纵列式月球车驱动控制研究

基于车轮滑转率和车轮地面力学,研究了月球车在松软月面行驶时的车轮过度下陷问题.将月球车车轮下陷和车轮—土壤作用力表达为车轮滑转率的函数,结合车辆地面力学理论并考虑纵列式车轮多通过性土壤参数的修正,建立了月球车的动力学模型.判断车轮是否发生过度下陷的标准为土壤所提供给驱动轮的土壤推力能否克服土壤对车轮的阻力.利用建立的动力学模型,计算出能够保证车轮不会过度下陷的期望滑转率.考虑到月球车动力学系统的非线性和不确定性,设计了以车轮滑转率为状态变量的滑模驱动控制器.仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,避免车轮的过度滑转下陷,保证月球车能够在软质路面上正常行驶.

滑转率对月球车车轮驱动力学特性的影响分析

应用车辆地面力学理论研究滑转率对月球车车轮挂钩牵引力、驱动效率以及功率消耗的影响。建立刚性车轮与松软月壤交互作用的动力学模型。通过实例对月球车车轮驱动动力学特性进行仿真分析。研究结果表明,车轮的挂钩牵引力、驱动效率以及驱动能耗均受到车轮滑转率的制约。存在一个最优的滑转率区间,在此区间内车轮可获得较大的挂钩牵引力、较高的驱动效率以及较低的驱动能耗。求取轮、地相对速度,对月球车车轮的地面摩擦力功率进行了估算。

轮式移动机器人沙地行驶控制建模与仿真研究

结合车轮沙土相互作用的力学分析,研究解决轮式移动机器人沙地行驶车轮过度滑转下陷问题。考虑纵列式重复通过车轮沙土力学参数的修正,建立六轮式沙地移动机器人的动力学模型,以车轮滑转率为状态变量,设计了移动机器人沙地行驶的滑模驱动控制器跟踪车轮期望滑转率。MATLAB/Simulink仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,有效地限制机器人车轮的滑转,避免车轮的过度下陷。

基于计算机视觉的轮毂自动识别与分类

随着全球汽车产量的逐年提高，相应地轮毂市场需求也在迅猛增长，国内80%的汽车轮毂是由铸造而成，铸造而成的轮毂需要进行精加工，而由混流生产线生产的轮毂在再加工时若对其类型进行正确划分将提高生产效率。以往的类型识别是依靠人工识别，工人劳动负荷较大，产生的视觉疲劳和轮毂生产线的速度等多方面原因致使误判情况时常发生，因此，轮毂企业急需一种自动的轮毂识别分类系统来提高生产效率。 计算机视觉是利用计算机对景物的图像进行识别，以实现对人视觉功能的扩展的一门高新技术。利用这一技术可以解决许多工业图像识别和检测环节的问题，以取代落后的人工识别，提高识别效率和工业自动化水平。 基于计算机视觉的轮毂自动识别与分类系统首先由图像采集系统从生产流水线上采集到要处理轮毂的图片，之后进行图像的预处理，包括轮毂图像区域的提取，图像去噪等操作，构造了四个具有平移不变性、比例不变性和幅度线性变换不变性的一维不变量，用以表征轮毂图像的灰度特征，利用边缘检测Canny算子提取轮毂外圆轮廓，之后对外圆轮廓运用改进的Hough变换方法计算出轮毂最大直径，最后运用马氏距离方法判别出轮毂类型。 本文对基于计算机视觉的轮毂自动识别与分类系统进行了总体设计，实现了图像采集、图像处理与轮毂型号识别等基本功能，克服了传统的人工识别的弊端，适应了混流生产线上快速识别分类的需要，开展了面向型号识别的计算机视觉系统的研究工作，为实现工业生产现代新型的图像识别技术做了一些有益的尝试和探讨。

地震力对高架桥梁上轨道车辆的动态分析与安全性研究

The stability and derailment behavior analysis of railway vehicle system has been discussed by many papers in the past. In stability, give first place to consider hunting behavior of vehicle, therefore most of papers was only consider lateral and yaw motion, but vertical motion is the important factor in derailment behavior, and it will be quite effect in stability. We will probe the running stability and derailment behavior of railway vehicle moving on the viaduct in this paper. In this paper, we use Nadal’s formula to get the derailment quotient. In this paper, the railway vehicle is considered to be three subsystems, carbody, bogie and wheelset. There are secondary suspension systems between carbody and bogies, and primary suspension systems connecting bogies and wheelsets. A vehicle with vertical, lateral, roll, and yaw directions motion is considered to derive the mathematical equations. A vehicle with three-dimensional model has 16 degrees of freedom is used to develop the equations of train motion. In this study, results show that the track shift force and derailment factor increase with an increase of ground acceleration. But for the track shift force and derailment factor, the effects of track irregularities and train speed are very small. Key words: earthquake, railway vehicle, viaduct, derailment factor.

湖泊生态系统铁同位素与硫同位素地球化学研究--以红枫湖、阿哈湖为例

湖泊生态系统是陆地水体生态系统的重要组成部分。随着社会经济的不断发展，各种人为因素对湖泊生态系统的影响日益突出，打破了其自然演变规律，诸如 “二次污染”、水体富营养化、重金属污染等环境问题接踵而来。而铁是水生生态系统初级生产力所必需的重要微量营养元素之一，在一定的条件下可以控制和影响浮游藻类的生长速度和种类；而且，铁的氧化还原敏感性很强，其价态的改变往往会影响其它相关重金属的迁移和转化。因此，湖泊生态系统中铁的生物地球化学循环研究具有非常重要的意义。近年来的研究显示，铁同位素分析技术可以用于各种生物作用和非生物作用过程的研究，在海洋和河流生态系统中已有广泛的应用，而对湖泊生态系统的研究则鲜见报导。乌江流域中等富营养化的湖泊――红枫湖和贵阳西南郊矿化程度较高的湖泊――阿哈湖是研究湖泊生态系统中铁生物地球化学循环的理想场所。本文选取这两个性质不同的湖泊为研究对象，运用硫同位素、铁同位素及重金属和营养盐等地球化学方法手段，对两湖流域内硫酸盐的来源、硫同位素的季节和剖面变化特征、铁的来源及铁同位素组成的季节和剖面变化特征及其控制和影响因素等进行了研究和探讨，进一步完善了铁同位素分馏机理，为深化理解和研究湖泊生态系统中铁和硫的生物地球化学循环提供一定的科学依据。论文所获的主要认识总结如下： 两湖流域内湖水与河水的硫酸盐硫同位素地球化学 （1）阿哈湖流域和红枫湖流域水体的硫酸盐浓度和δ34S值均有较宽的分布范围。各入湖支流中，受煤矿废水或煤矸石淋溶液污染的河水的δ34S值相对较低（-8.10‰～-14.92‰），而受生活污水影响严重的河水则具有相对较高的δ34S值（-5.68‰～+0.88‰）。相比而言，阿哈湖流域水体纳入了大量的煤矿废水和煤矸石淋溶液，硫污染程度较红枫湖流域更为严重。因此，阿哈湖湖水具有相对较高的硫酸根浓度（平均为2.30 mmol.L-1）和相对较低的δ34S值（平均为-8.10‰），而红枫湖则具有相对较低的硫酸根浓度（平均为0.96 mmol.L-1）和相对较高的δ34S值（平均为-6.80‰）。 （2）阿哈湖湖水中的硫酸盐主要受煤矿废水、煤矸石淋溶液以及雨水等的控制；红枫湖湖水的硫酸盐主要来源于煤中黄铁矿的氧化和雨水输入，土壤硫化物的氧化和蒸发岩的溶解对湖水硫酸盐硫同位素组成的贡献较小。相比之下，雨水对红枫湖湖水硫同位素的影响更为明显。 （3）红枫湖和阿哈湖湖水的硫酸盐的δ34S值均具有明显的剖面变化特征，而且两湖的变化趋势相似，总体表现为，夏秋季节表层湖水和底层湖水的δ34S值相对较高，而冬春季节湖水剖面上下几乎没有变化。湖水硫酸盐浓度也呈现类似的变化特征，这主要与季节性厌氧湖泊夏季分层冬季混和的典型特点有关。夏季湖水分层期间，大量降雨在湖泊表层的滞留使得δ34S值升高而硫酸盐浓度降低，湖泊底部水层中硫酸盐细菌的还原作用使得底层湖水的硫酸盐浓度降低，而δ34S值升高。 两湖流域内铁同位素地球化学 （1）阿哈湖流域各类样品的δ56Fe值分布在-2.03‰～+0.12‰之间，分布范围较宽。其中湖水悬浮颗粒物的δ56Fe值在-1.36‰～-0.03‰之间，整体相对偏负。湖周各支流河水悬浮颗粒物的δ56Fe值在-0.88‰～+0.07‰之间，也相对富集轻的铁同位素；湖底沉积物和孔隙水的δ56Fe值的分布范围分别为-1.75‰～-0.59‰和-2.03‰～+0.12‰；大气颗粒物和浮游藻类的δ56Fe值分别为+0.06±0.02‰和+0.08‰。与阿哈湖相比，红枫湖流域各类样品的δ56Fe值的分布范围相对较窄，在-0.92‰～+0.36‰之间。湖水悬浮颗粒物的δ56Fe值在-0.85‰～+0.14‰之间，河水悬浮颗粒物的铁同位素组成变化范围为-0.89‰～+0.10‰，二者的变化范围相似。红枫湖沉积物的δ56Fe值在-0.18‰～+0.08‰之间，明显比阿哈湖沉积物的铁同位素组成偏正；而对应孔隙水的铁同位素组成的变化范围为-0.59‰～-0.24‰，均要比对应沉积物的铁同位素值要低。藻类和鲫鱼鱼肉的δ56Fe值分别为+0.36‰和-0.92‰。 （2）通过对两湖研究区湖水悬浮颗粒物与各输入端员环境样品的铁同位素值的研究表明，湖水悬浮颗粒物的δ56Fe值不仅受各输入端员的控制和影响，湖泊内部相关的生物地球化学过程也对湖水悬浮颗粒物的铁同位素组成变化产生了重要影响。两湖研究区内湖水悬浮颗粒物的铁同位素组成均存在季节变化特征，但受湖泊自身特点的影响，主要控制因素方面存在一定差异。夏季阿哈湖湖水悬浮颗粒物的铁同位素值变幅较大，其变化主要表现在表层和底层。表层因受陆源输入的有机结合态铁的影响而具有较负的δ56Fe值，而大气沉降颗粒物和湖泊表层的浮游藻类的影响并不显著。夏季湖水分层期间，“Ferrous Wheel”铁循环对于界面附近铁同位素的重分配起到了主要的控制和影响作用，湖水悬浮颗粒物的铁同位素值在氧化－还原界面附近达到了极负值。水－沉积物界面附近滞水层中亚铁类硫化物的生成可能也是水－沉积物界面附近水层内颗粒物的δ56Fe值偏负的原因之一。而冬季湖水混和时期，阿哈湖湖水剖面悬浮颗粒物的δ56Fe值的变幅明显减小。与阿哈湖不同，藻类的吸附作用可能在夏季红枫湖上层水体中占有主导地位，其湖水悬浮颗粒物的铁同位素组成随叶绿素水平的降低而逐渐降低。下层湖水悬浮颗粒物的铁同位素组成变化也受“Ferrous Wheel”铁循环的影响，在红枫湖后五剖面 20m 处达到-0.18‰，大坝剖面底层约为-0.46‰，其变幅没有阿哈湖悬浮颗粒物的δ56Fe值大，可能是受到了湖水中大量有机物质的影响。冬季红枫湖后五剖面的变化趋势与夏季相似，上层和下层水体悬浮颗粒物分别受不同影响因素的控制。上层水体悬浮颗粒物的铁同位素变化不明显，与Fe、Al、Mn、Zn、Co等元素的含量呈现良好的正相关关系；而底层水体悬浮颗粒物的δ56Fe值变幅比夏季要大，HW采样点20m处可达-0.85‰，与Fe、Al、Zn、Co等呈现良好的负相关关系，具体影响因素还有待于进一步研究。

A comprehensive comparison of fuel options for fuel cell vehicles in China

Fuel cell vehicles (FCVs) offer the potential of ultra-low emissions combined with high efficiency. Proton exchange membrane (PEM) fuel cells being developed for vehicles require hydrogen as a fuel. Due to the various pathways of hydrogen generation, both onboard and off-board, the question about which fuel option is the most competitive for fuel cell vehicles is of great current interest. In this paper, a life-cycle assessment (LCA) model was made to conduct a comprehensive study of the energy, environmental, and economic (3E) impacts of FCVs from well to wheel (WTW). In view of the special energy structure of China and the timeframe, 10 vehicle/fuel systems are chosen as the study projects. The results show that methanol is the most suitable fuel to serve as the ideal hydrogen source for fuel cell vehicles in the timeframe and geographic regions of this study. On the other hand, gasoline and pure hydrogen can also play a role in short-term and regional applications, especially for local demonstrations of FCV fleets. (c) 2004 Elsevier B.V All rights reserved.