微小型爬壁机器人机构与控制方法的研究

近十年来人们对专用爬壁机器人领域的研究越来越感兴趣。如清洗高层建筑、石油气罐的喷漆喷砂、核工业设施的检测维护、援助消防和营救工作以及危险环境的远程监控等都急需一种自动化设备。爬壁机器人, 因其可以吸附墙壁表面和携带适当的传感器或工具，是这些工作的最佳候选。 本文中设计了一种反恐侦察爬壁机器人系统。在反恐侦察中，将微小型爬壁机器人上安装无线摄像头、麦克风等装置，代替侦察人员探测狭小空间内部的敌情，不但能提高侦察的准确度，还能增强安全性，减小人员伤亡。针对这一应用背景，国家863 计划提供资金开展了反恐侦察爬壁机器人样机系统的研制项目。 这种侦察爬壁机器人样机采用了两足式结构和欠驱动机构设计，使得机器人具有灵活的运动能力和多种运动方式。该机器人可以壁面爬行、穿越管道和跨越交叉面。两个有力的吸盘足依靠真空泵抽取吸盘内气体来实现吸附墙面。欠驱动机构减少了电机数量，使得机器人尺寸、重量和功耗都较小，但却对控制增加了挑战。机器人运动学方程被求出，这有助于我们理解其运动机理。 机器人上有无线遥控和无线视频传输系统分别负责接收指令和采集图像信息。针对该爬壁机器人在体积，重量，功耗和速度上的要求，本文提出了以TI公司的TMS320F2812DSP 为控制芯片的嵌入式控制系统的设计方案, 控制器的主要功能是实现多电机实时控制，搭建高效可靠的人机通讯和机器人运动规划。层次较高的操作指令采用有限状态机理论实现跟踪机器人运动状态。 电机的伺服控制，是整个控制系统设计中最基本、最重要的部分。对此本文提出了梯形速度规划和PID 控制策略，经过参数优化，基本达到了控制精度的要求。 最后，通过实验验证了机器人高效的能力，表明侦察爬壁机器人样机系统具备了执行反恐侦察的基本功能。

仿尺蠖微小型壁面移动机器人运动规划与控制研究

本论文的研究内容是围绕国家“863”计划支持项目“基于探测机器人技术的反恐立体侦察监控示范系统”（编号：2004AA420110）和“微小型反恐侦察移动平台和探测关键技术研究”（编号：2005AA420230）展开的。研究工作以微小型壁面移动机器人的研制为实际背景，主要包括以下五个方面的内容：⑴ 机器人的运动学、动力学分析和控制系统设计；⑵ 机器人的运动步态分析；⑶ 机器人在狭窄空间中的运动规划方法研究，以及在壁面过渡时的运动规划方法研究；⑷ 欠平滑壁面上机器人的自主行为控制和针对动力学特性的重力补偿控制研究；⑸ 论文所提出方法的仿真分析和实验研究。 第一，介绍了微小型壁面移动机器人的欠驱动机构设计和三种运动模式；分别基于D-H坐标变换和拉格朗日方法，对机器人的运动学和动力学特性进行了分析，为接下来的步态分析、运动规划和控制研究奠定了基础；开发了微小型壁面移动机器人的嵌入式DSP控制系统，为论文中的仿真和实验研究提供了物理平台。 第二，对尺蠖的生物特征和运动机制进行了简要介绍，并总结了尺蠖运动的特点；通过理论计算和实验测试，分析了微小型壁面移动机器人的步行稳定性；在机构设计和运动学建模基础上，全面地分析了微小型壁面移动机器人的各种基本步态、派生步态和壁面过渡步态，同时引入用以描述步态之间转换关系的步态算子，为后续的运动规划和控制方法研究做好了理论铺垫。 第三，分析了微小型壁面移动机器人运动规划问题的特殊性；考虑到机器人运动时真空吸附的耗时问题和狭窄空间中步态选择的合理性，通过对局部动态窗口法进行改进，引入可达空间动态局部栅格和遍历搜索算法，提出了基于可行步态的微小型壁面移动机器人在狭窄空间中的运动规划方法；根据壁面过渡的步态分析结果，并考虑到吸盘足的真空吸附载荷和机器人的动力学特性，提出了基于步态参数规划与最小能耗轨迹优化相结合的微小型壁面移动机器人在壁面过渡时的运动规划方法。通过仿真分析和实验研究，验证了上述运动规划方法的合理性和有效性。 第四，针对欠平滑壁面上机器人吸盘足吸附失败时的自主行为控制问题，根据步态分析结果，建立了吸盘足的有限状态机模型，并按“就近”原则设定状态转移优先级，提出了基于有序试探的微小型壁面移动机器人着地点选择控制方法；针对机器人的动力学特性，特别是重力矩变化对机器人运动控制的影响，在采用模糊自适应PID控制的基础上，根据轨迹优化结果，引入前馈重力补偿环节，提出了基于重力补偿的微小型壁面移动机器人模糊自适应PID控制方法。通过仿真分析和实验研究，验证了所提方法在改善系统控制性能，提高机器人自主能力方面的可行性和有效性。 第五，在武警北京特警学院的反劫机训练场，对微小型壁面移动机器人的运动控制能力和越障能力进行了现场实验测试，验证了论文所提出运动规划和控制方法在实际应用中的有效性。

危险作业机器人控制系统的研究

随着科学技术的发展，移动机器人被寄予越来越高的期望，要求其具有更高的机动性、更强的环境适应及感知能力和快速反应能力。因此，研究高效的移动机构和高性能控制系统成为排爆、消防等各种地面遥操作危险作业移动机器人的共同课题。 本论文以中国科学院沈阳自动化研究所自行研发的“灵豹”反恐防暴机器人和子母消防搜救机器人(在研)为平台，对危险作业机器人的控制系统进行了较为系统的研究。 “灵豹”机器人采用轮-腿-履带复合移动机构。其轮式移动采用三轮机构，两前主动轮单独驱动，差速完成转向，后轮为万向从动脚轮，配合前轮转向，车体转向半径可实现从零到无限大。其控制系统以嵌入式控制器为核心，采用模块化方法设计构建，保证了系统体积紧凑、实时性好和可靠性高等的应用要求。 作为智能控制技术的一种，模糊控制可以对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效控制。用基于PC的可编程控制器实现模糊控制，关键在于前期处理和软件编程，因为必须充分考虑执行速度。针对实际的非完整约束三轮式移动机器人运动方向可控性差，PID控制器参数难以实现全局整定的问题，利用模糊控制器实现运动轨迹控制。 单纯用电子罗盘测量航向角作为模糊控制器输入，环境适应性较差，本文提出一种结合脚轮偏转角和罗盘航向角计算机器人角速度和航向角的算法。试验结果表明，设计的控制器能对机器人进行有效航向跟踪，能迅速缩小航向偏差，机器人转向灵活可控，且没有大的航向偏转角速度，提高了系统适应性和运动稳定性。 子母消防搜救机器人主要用于火场侦查搜救，分为子机器人和母机器人，既可单独执行任务，又可协作搜救。机器人体积小，内部空间极其有限，要求控制系统有较高的集成度，还要能耐高温、通讯可靠。火场环境一般比较复杂，尤其是在地下建筑，通讯不畅将严重影响消防搜救机器人深入到火场深处侦查。为充分保障通讯链路畅通，设计了子母机控制系统，母机和子机可互为通讯中继，有效减少通讯死角，扩大搜索范围。系统采用基于多载波调制技术的影音传输系统作为图像及语音信号的主要通信链路，采用数字电台传输指令数据。设计的通讯系统实时性好，抗干扰能力和绕射能力强。

SARV光纤收放装置的控制系统设计与实现

根据小型自治遥控水下机器人SARV的运动特性,研制了光纤微缆收放的控制系统。设计使用了嵌入式QNX软件开发技术,系统稳定可靠。采用系统辨识的方法,获得被控对象的等效数学模型。采用单神经元自适应PID控制器对控制参数进行在线自调节,实现了SARV在水中运动时光纤收放的恒张力控制,满足光纤收放装置的设计要求。

一种基于视觉的水下机器人动力定位方法

以7 000 m载人潜水器的工程需求为背景,以水下单目摄像机为视觉传感器,进行了水下机器人动力定位方法研究。该动力定位方法利用视觉系统测量得到水下机器人与被观察目标之间的三维位姿关系,通过路径规划、位置控制和姿态控制分解,逐步使机器人由初始位姿逼近期望位姿并最终定位于期望位姿,从而实现了机器人的4自由度动力定位。通过水池实验验证了提出的动力定位方法,并且机器人能够抵抗恒定水流干扰和人工位置扰动。同时,该动力定位方法还可以实现机器人对被观察目标的自动跟踪。

浮力调节系统在作业型AUV上的应用研究

本文根据我国正在研制开发的作业型水下机器人的特性及其对浮力调节和姿态控制的要求,应用PID控制策略,设计了一个浮力调节系统,仿真结果证明该设计方案可以达到预期的目标。(100039北京市中国科学院研究生院)常海龙

一种新的仿人控制方法研究

以模拟人对混水阀的调节过程为基础,提出一种新的仿人控制算法.该控制算法模拟人在控制时的粗调和微调,并使控制量逐步逼近最终稳定控制量的过程.算法中的参数具有明确的物理意义,可根据不同的控制指标方便地调节,并且能够获得足够的稳态误差.采用本文控制算法,不需要有精确的被控对象模型,即使在有较大干扰的情况下,仍可以获得较好的控制性能.

滑模模糊控制应用于自治水下机器人的实验研究

分析了自治水下机器人 (AUV )的控制特点 ,论述了滑模模糊控制 (SMFC)的基本原理 ,并在6 0 0 0 m自治水下机器人“CR- 0 2”上进行了仿真和水池实验。结果表明 ,滑模模糊控制的性能明显优于PID控制 ,在强干扰时表现出良好的鲁棒性

自治水下机器人的一种鲁棒自适应控制方法研究

本文针对自治水下机器人AUVs(Autonomous Underwater Vehicles)水下工作环境、动力学建模和运动控制的特点。采用了一种基于Backstepping的鲁棒自适应控制方法，实现AUV水平侧移和航向控制，并利用AUV-CR02模型进行了仿真实验。仿真实验结果表明该控制方法的控制效果明显优于PID控制。特别是在有模型不确定和不确定环绕干扰时，表现出良好的鲁律性和自适应性。

滑模模糊控制应用于自治水下机器人控制的仿真研究

针对自治水下机器人(AUV)的控制特点,论述了滑模模糊控制的基本原理,并进行了仿真实验。仿真结果表明,滑模模糊控制的控制效果明显优于PID控制,特别是在强干扰时表现了很好的鲁棒性。

水下机器人多功能仿真平台及其鲁棒控制研究

为了辅助水下机器人控制系统的研究和开发，论文第一部分研究和建立水下机器人多功能仿真平台。基于现代仿真技术，先后研制成“7000米载人潜水器”多功能仿真平台HOV7000，“CR-02”6000米自主水下机器人多功能仿真平台CR6000和远程自主水下机器人多功能仿真平台LAUV。该种平台具有缩短研制水下机器人周期、减少试验成本、提高系统安全性和可靠性等特点。该平台的创新点在于水下机器人控制系统的硬件和软件与真实系统的硬件和软件完全一致，在多功能仿真平台上调试后的程序直接作为真实系统的控制程序运行。 论文第二部分针对7000米载人潜水器工作环境的复杂性，水下机器人本身参数摄动、外界扰动、传感器、执行机构、控制器不同程度存在不确定性、非线性和延迟，常规的控制方法一定程度上难以克服上述不确定性的影响等问题，研究了可以克服上述多环节不确定性、适合7000米载人潜水器水下作业场合的强鲁棒控制方法。其创新点为将运算量较大的多输入多输出鲁棒控制算法通过选择适当的加权函数应用于实际的水下机器人控制系统。本论文研究内容如下： 1、利用现代仿真技术研究水下机器人多功能仿真平台的实现方法。深入研究了水下机器人动力学模型、推进系统、海洋环境中海流、海底地形和水下机器人传感器等模型。利用机理仿真法，研究了水下机器人分立件推进系统模型和动力学模型；基于电子海图数据采用曲线/曲面拟合法建立了海流数据库模型，并提出了DTTCGSFD的海底地形生成方法；基于随机仿真法研究了水下机器人传感器的模拟方法；采用相似仿真法研究了基于势流理论、水面进行波、CFD的海流模拟方法和视觉传感器模拟方法；采用综合仿真法建立了一体化推进系统的模型。 2、研制成的水下机器人仿真平台具有下述9个方面的功能：基本原理、设计思想和方法的验证；控制系统软件和硬件的静态和动态调试；系统性能的测试与评价；下水前使命可实现性的全程实时验证；水下使命执行过程的伪在线监视；实时运行过程的离线重现；示教与训练；故障可能原因的仿真分析；演示与汇报。现场试验结果表明，多功能平台上的控制效果与现场湖试和海试的试验结果基本吻合。水下机器人多功能仿真平台的研制成功对于水下机器人的研究开发工作具有很大的实际意义，它使我们的研究工作从基于实际环境研究开发向基于虚拟环境研究开发转变，大大缩短了研究工作的周期，节省了大量的人力、物力和经费。 3、研究了基于MLQG的7000米载人潜水器控制方法。将7000米载人潜水器看作慢时变线性系统，采用带遗忘因子的递推最小二乘辨识算法及平方根算法辨识出水下机器人系统的时变参数，利用LQG控制具有克服零均值白噪声的特点设计2种MLQG鲁棒控制器。仿真试验结果表明MLQG控制算法对水下机器人系统存在海流扰动和参数时变两种不确定性均具有较好的鲁棒性。 4、研究基于混合灵敏度的H∞水下机器人鲁棒控制方法。由于水下机器人系统的模型摄动加权函数、输入加权函数、性能指标加权函数等加权函数的选择是水下机器人系统鲁棒稳定性和鲁棒性能的核心。深入研究并设计出适合于7000米载人潜水器的各加权函数后，将混合灵敏度问题转化为标准H∞问题，采用代数Riccati方程或LMI方法设计了可克服水下机器人多环节同时存在不确定性的鲁棒控制器。通过对频域和时域分析表明H∞鲁棒控制对于提高7000米载人潜水器系统快速性、减小系统稳态误差和克服系统不确定性具有更好的效果。在HOV7000多功能仿真平台上进行的控制系统试验——阶跃响应试验、动力定位试验以及H∞鲁棒控制和PID控制的比较试验验证了上述控制效果。 5、为了克服基于H∞鲁棒控制理论设计的控制器具有保守性的缺点，研究了基于结构奇异值µ的水下机器人鲁棒控制方法。在对结构奇异值µ理论深入研究后，讨论基于结构奇异值µ鲁棒控制和基于混合灵敏度的H∞鲁棒控制在系统模型摄动加权函数、输入加权函数、性能指标加权函数等加权函数的选择方面的区别与联系。设计出各相应加权函数后，采用D-K迭代方法设计了可克服水下机器人多环节同时存在不确定性的控制器参数。频域和时域内的理论分析结果，和HOV7000多功能仿真平台上的试验——系统阶跃响应试验、动力定位试验以及基于结构奇异值µ鲁棒控制与PID控制比较试验结果，表明采用基于结构奇异值µ的水下机器人鲁棒控制方法比基于H∞混合灵敏度的鲁棒控制方法具有更好的鲁棒稳定性和鲁棒性能。

水下滑翔机器人控制系统设计与控制算法研究

水下滑翔机器人是近年来出现的一种新型的自主式水下机器人，它们独特的驱动方式决定了其大航程，低功耗、低成本、低噪声等特点，这样就使其将会在海洋监测、军事等方面有越来越广泛的应用。这种新型水下机器人在一些技术上与传统的水下机器人存在共同之处。但是，水下滑翔机器人的推进和航行方式与传统的水下机器人是截然不同的，从而造成控制、航行规划和导航等关键技术不同。因此，对水下滑翔机器人的研究工作就显得格外重要。 本文以水下滑翔机器人样机功能实现为目的，对水下滑翔机器人的控制系统软、硬件进行设计并实现。 首先简要介绍了水下滑翔机器人的系统组成，包括外形结构、内部组成与总体配置，结合水下滑翔机器人自身特点，简要介绍了其运动控制方式。 以作者工作为基础，介绍了水下滑翔机器人控制系统软、硬件的设计与实现。采用基于PC104嵌入式计算机的数字控制方案进行水下控制系统的硬件设计与系统配置；在QNX操作系统下用C语言编写控制系统软件，它是以主进程为主线，在主进程中开辟不同子进程，各进程并行处理任务的水下系统软件。按不同功能实现分为不同的功能模块，每个功能模块用不同的子进程实现。 针对水下滑翔机器人的运动控制系统和其运动控制指标，设计了俯仰、横滚和航向三个自由度的闭环控制方案，采用带死区PID的控制方法。为了验证所设计控制系统和控制方案的正确性和有效性，分别进行了野外开环运动控制试验和水池闭环控制试验，并针对实验中发现的问题进行了原因分析。 实际实验结果表明，本文设计的控制系统能够正常工作；所设计控制器的控制效果也能够令人满意，控制系统和控制方法的设计与实现是正确而且有效的。

浮力调节系统在远程AUV上的应用研究

本论文在参阅大量国内外文献的基础上，对远程AUV浮力调节系统进行了结构设计与控制方法的研究。 随着AUV技术的发展，流线型AUV应用浮力调节系统的需求越来越高，尤其对于远程航行，浮力调节和姿态调节变的尤为重要。水下机器人的浮力调节在远程AUV中的应用，将使机器人在水中的浮力随时保持零浮力状态，节约了航行中的动力消耗，而且可以调整机器人的姿态，减少水的阻力，为机器人更好的航行提供保障。 本文列举了几种典型的AUV浮力调节方法，并对其浮力调节的方式和特点进行了一定的描述。通过对这些浮力调节方法的探讨，提出了远程AUV的浮力调节方式。文中详细地介绍了此种调节方法，以远程AUV系统的的特性及其对浮力调节和姿态控制的要求，应用PID控制策略，对远程AUV设计了一个浮力调节系统。本系统选用油作为工作介质。通过向四个皮囊抽油或注油来改变排水量，从而调节浮力来改变载体的浮力、横倾和纵倾。 以远程AUV的动力学模型为对象，采用该调节方法进行了仿真验证，在matlab下仿真了浮力调节装置在远程AUV中的应用，包括浮力调节，横滚和纵倾角度的调节。结果表明在载体不同的超载或者压载不足的情况下，系统都可以取得满意的调节效果。 利用水下机器人中心的实验平台，设计了一套浮力调节装置，并在实验平台上进行了验证。通过水池实验验证了我们的想法，水下机器人的浮力状况能够得到很好的调节，能够达到预期的目标。

基于视觉的水下机器人悬停定位方法与应用研究

为解决受外力扰动而影响定点作业的问题，水下机器人需要具有悬停定位(Station keeping)的功能。悬停定位是指在存在外界扰动的情况下，机器人相对于作业目标仍然能够保持期望的位置和姿态。它具有两个特点：首先，是一种动力定位，即在状态感知系统的引导下，依靠自身动力抵抗外界扰动而保持期望位姿；其二，是一种局部定位，机器人相对作业目标的空间运动范围一般不会很大。因此，对悬停定位的研究需要重点解决两个问题，一个是状态感知问题；另一个是控制问题。 传统的声学定位难以满足精度和实时性的要求，视觉是一种实现水下机器人悬停定位的重要方法。本文以国家“十五”863计划重大专项“7000米载人潜水器”的悬停定位为应用背景，从摄像机标定、特定水下目标识别、视觉伺服和演示实验四个方面进行基于视觉的水下机器人悬停定位方法与应用研究。所开发的系统采用特定观察目标作为合作目标，应用基于模型的单目位姿估计方法获取摄像机与观察目标之间的相对位姿信息，实现了悬停定位中的状态感知；然后以视觉系统提供的位姿信息为反馈,构建视觉伺服控制器，实现了水下机器人的闭环控制。 摄像机标定与水下特定目标识别是实现单目位姿估计的前提，其精度直接影响位姿估计的精度，进而影响整个悬停定位系统的性能。通常摄像机标定是一个先建立成像模型，然后求解模型参数的过程。常用的简化成像模型无法精确描述3维成像空间与2维图像平面之间的关系，并且常规标定方法存在非线性方程优化求解困难的问题。因此，本文提出一种基于虚拟摄像机的无模型标定方法。该方法把摄像机的成像过程作为一个黑盒，通过光电测量方式直接建立3维成像空间与对应2维图像平面之间的映射关系。然后根据该映射关系定义一台虚拟理想摄像机，其透视模型参数可以根据需要任意设定，而不影响最终标定结果。虚拟摄像机的引入使得本方法的应用与常规方法同样方便。实验结果表明，该标定方法可以提高位姿估计精度，特别适用于无法用数学模型精确描述成像过程的系统。 针对系统中应用的特定观察目标，设计了水下图像处理和目标识别算法。对水下图像增强处理以后，应用基于自动阈值和区域生长相结合的方法进行图像分割；然后提取观察目标的图像特征，应用基于模型的目标识别方法实现了水下目标的识别和定位。 以单目位姿估计获得的位姿信息为反馈，构建水下机器人的闭环控制器，以实现悬停定位。这是一个典型的基于位置的视觉伺服问题。针对悬停定位的特点，设计了注视优先原则，在机器人运动过程中合理规划各自由度的控制，应用专家PID控制方法实现了水下机器人视觉伺服。 应用上述研究成果，以水下机器人实验平台为载体，在室内水池搭建了演示实验系统，在国内首次完成了基于视觉的水下机器人悬停定位演示实验。实验结果表明：在悬停定位起始阶段，以观察目标在摄像机视场内为前提，机器人能够在视觉伺服控制下跟踪观察目标，并且使观察目标始终保持在摄像机视场之中；能够运动到指定位置并且保持一个特定姿态，实现了机器人的定位定姿；在受到外界扰动（外力或水流）的情况下，仍然能够恢复到原来的位姿；即使在持续水流的冲击下，也能稳定地保持期望位姿。水下机器人悬停定位演示实验为今后基于视觉的悬停定位技术应用于实际作业打下了良好基础。

远程AUV航行控制算法的应用研究

本文针对我国正在研制开发的长航程自治潜水器的特性及其对航行控制的要求，进行了以下研究：自适应模糊PID控制方法和单神经元自适应PID控制方法在航向控制回路的应用研究，以及沿规划路径航行的6自由度仿真。 本文首先介绍了远程AUV航行控制系统的组成，然后根据自治潜水器的各项参数建立了水平面和垂直面的数学模型，并对水平面和垂直面的数学模型进行了验证。 将PID控制与模糊控制的简便性、灵活性以及鲁棒性结合起来，为AUV设计了可在线修改PID参数的自适应模糊PID控制器，仿真结果证明了该种控制方法不但提高了AUV系统的动态特性，而且可在参数摄动和外界扰动时获得较好的控制性能。 将单神经元自适应PID控制方法应用在了航向控制回路。仿真实验表明，该控制器是一种设计简单、实现方便的智能控制器，具有动态性能好、稳态精度高、抗干扰性能强等特点。尤其对那些时变的、非线性的、滞后的被控对象，具有良好的控制效果，能有效的克服海流、波浪等扰动，提高AUV系统的动态特性。该方法适用于其它非线性、时变、强干扰的不确定复杂系统。 最后本文建立了基于Simulink的沿规划路径航行控制回路，进行了6自由度模型的仿真。在仿真中设定起始点和目的点，就可得到仿真的路径和达到目的点的时间。 关键词：自治潜水器；自适应模糊PID控制；单神经元自适应PID控制；自治水下机器人仿真