具有自适应能力管道机器人的设计与运动分析

提出并研制一种基于自适应移动机构的管内探查机器人。通过对机器人传动机构的设计,实现了在不增加驱动电动机数量的前提下,机器人具有适应不同管道直径的能力。机器人的传动机构能够在管道直径改变时,自动地改变行走部件的输出形式以克服障碍,完成越障任务。在没有应用链式多节构型的情况下,机器人配备一个驱动电动机就能够完成越障任务,改善了传统螺旋驱动式机器人越障能力不高的问题,同时也提高了对驱动电动机的使用效率。为了分析试验中发现的机器人保持架自转现象,对机器人进行运动分析,并由分析结果对相关部分进行改进。试验结果表明,该机器人能够在内径为190 mm和180 mm的管道中行进,并能够顺利通过两节管道间形成的同心台阶障碍,验证了自适应移动机构的行走能力。

输电线巡检机器人越障机理与试验

分析超高压输电线路架空地线上的障碍物类型以及跨越这些障碍的过程。可以发现,巡检机器人采用双臂交替跨越障碍,越障过程简单。但是由于受巡检机器人自身重力偏矩的影响和手臂长度尺寸的限制,当单臂悬架在架空地线上时,导致巡检机器人本体倾斜,另一手臂完成脱线和上线任务变得十分困难,有时甚至造成越障失败。为了解决上述问题,提出质量调节的控制方法。该方法通过调节巡检机器人的质心,使巡检机器人的本体保持水平状态。为了验证质量调节控制方法的正确性,采用Lagrange方法建立巡检机器人动力学模型,通过仿真试验、实验室模拟实际架空地线试验以及超高压实际现场试验说明了提出方法的可行性。

基于MIT规则的自适应Unscented卡尔曼滤波及其在旋翼飞行机器人容错控制的应用

提出一种新颖的基于MIT规则的自适应Unscented卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)算法,用来进行参数以及状态的联合估计。针对旋翼飞行机器人执行器提出一种执行器健康因子(Actuator health coefficients,AHCs)的故障模型结构,应用自适应UKF对AHCs参数进行在线估计,将联合估计的状态以及故障参数引入基于模型的反馈线性化控制结构,组成完整的容错控制系统。提出的自适应UKF算法以及容错控制结构经过中科院沈阳自动化研究所ServoHeli-20旋翼无人智能平台数学模型进行仿真试验验证,效果良好。

基于主动试探的微小型爬壁机器人步态控制

针对欠平滑壁面上微小型爬壁机器人吸盘足吸附失败后的自主行为控制问题,根据机器人的结构设计及运动步态特点,提出基于主动试探的机器人吸盘足着地点自主选择步态控制方法。分析机器人的三种运动模式,以及直线运动和转向运动的基本步态。定义机器人的状态矢量,建立机器人吸盘足的有限状态机模型和状态转移图,并按"就近"原则设定状态转移函数的优先级。以上述研究为基础,提出在缺少壁面环境信息条件下的机器人步态控制主动试探方法。对步态控制方法进行仿真分析,并在实验室模拟环境和实际的飞机外表面环境进行试验验证,结果表明,所提出方法对于改善机器人的控制性能和提高机器人的自主能力是可行和有效的。

三维蛇形机器人巡视者Ⅱ的开发

蛇形机器人具有比传统移动机器人更强的运动能力,为实现机器人的三维运动而开发的蛇形机器人巡视者II是一个具有强驱动力和高机动性的三维蛇形机器人。它由具有3自由度的模块化单元组成,该单元具有俯仰、偏航和回转3自由度,单元的俯仰和偏航运动是通过由3个伞齿轮组成的差速机构耦合驱动。该单元的圆柱形外壳周围安装有一系列的被动轮来增加机器人运动灵活性。对蛇形机器人模块单元的自由度作了详细分析,并基于机器人的运动机动性设计三维蛇形机器人的单元结构。给出蛇形机器人的控制系统结构,并对耦合变量进行解耦。将蛇形机器人的蜿蜒运动和扭转运动两种基本步伐应用到巡视者II上,试验结果证明了该三维蛇形机器人具有很强的机动性和运动能力。

星球探测系统的多机器人组内协作研究

建立了子机器人的控制模型,提出了分散式控制与集中式控制相结合的复合控制体系。采用动态分配ID号和由ID号确定机器人组中领导者的机制,建立了有领导者的机器人组的协作方法。其中,领导者与监控平台之间采用无线通讯,机器人组内采用CAN(control area network)总线传递控制信号。同时采用组内基于状态表匹配的控制方式。两个机器人组合利用以上机制,通过相互协调完成差速转弯的实验验证了该控制方法的可行性。

智能机器人技术在南极科学考察事业中的试验应用

智能机器人技术在极地科学考察事业中有着广阔的应用前景。2007/2008年度第24次南极科学考察中,我国开发的冰雪面移动和低空飞行机器人在南极成功实现了首次应用。扼要介绍国外开发的应用于南极的智能机器人技术,重点介绍我国开发的冰雪面移动和低空飞行机器人及其在南极现场的试验应用情况。此外,作者思考了我国南极考察事业对智能机器人技术的一些潜在需求,以期能对未来的机器人技术开发提供参考。

AFM扫描图像重构算法的改进

针对原子力显微镜(AFM)纳米成像中存在的失真问题,研究了通过探针建模实现AFM扫描图像重构方法.目前探针盲建模算法在重构AFM图像时存在较大误差,因此提出基于探针模型预估计的AFM扫描图像重构方法.该方法采用分区探针针尖建模,并通过基于该探针模型的反卷积运算实现AFM扫描图像重构,获得比较接近真实形貌的AFM扫描图像.文中介绍了算法的具体步骤,通过仿真和实验结果证明,该方法能够有效降低AFM图像重构时引入的误差,得到的图像更能反映样品表面真实的形貌。

双臂式空间机械臂捕捉目标问题

基于动量守恒关系,分析了空间机械臂抓取目标过程中的碰撞问题.针对单臂式系统提出了直臂抓取与广义直臂抓取构型,并将后者推广到双臂式空间机械臂系统.利用广义直臂抓取方法得到的空间机械臂构型,可有效减少碰撞作用对于空间机械臂系统角冲量、基座姿态的影响,保证了系统的稳定性,克服了控制算法中存在的构件转角和执行机构力矩限制问题.仿真证明了方法的有效性。

轮式仿人机器人的ZMP建模及动态稳定判据

介绍了ZMP的概念,比较常见的几种ZMP建模方法,提出将高效牛顿-欧拉算法(RENA)与ZMP的概念相结合的迭代ZMP建模方法,并利用该方法完成轮式仿人机器人的ZMP建模.通过模型分析,得出该轮式仿人机器人的ZMP简化计算公式.最后得出此类轮式仿人机器人的稳定性判据及稳定度的定义.

多机器人的改进型边界探索算法

针对多机器人探索未知环境问题,提出了改进型边界探索算法。该算法综合考虑边界角度和距离两种因素,引入分散机制,使机器人团队协同工作,避免出现拥挤,减少探索过程中的重复覆盖和路径交叉现象。基于与其他方法的实验比较结果表明,该探索方法使多机器人具有更好的团队协作能力,提高了探索效率。

非方阵指派问题的求解

本文将2类方阵指派问题——极大极小和总体极小指派问题——的矩阵作业解法推广到非方阵情形,即求解任务与人员数目不等的指派问题,且维持矩阵作业法的效率.假定m>n,则按本文行优先选取算法求解m×n非方阵指派问题的最大逻辑运算量为O(mn2),其效率通常与执行一轮覆盖的矩阵作业法相当。

基于多传感器融合的组合导航方法研究

本文提出一种基于多传感器融合的组合导航方法,能够在小型旋翼无人机上实现低成本、高精度导航定位.该方法通过建立导航系统的机械编排模型,设计了一个17状态的扩展卡尔曼滤波器(EKF).对加速计的零偏和陀螺仪的漂移进行在线估计,实时的补偿传感器的测量误差.从而对旋翼无人机的速度、位置、角速度和姿态等参数进行精确的估计.通过对实际飞行数据仿真实验,并对比参考的导航系统,证明该方法在飞机的全包线飞行下均能够解算出可靠的导航信息。

基于精确探针模型的AFM图像重构研究

原子力显微镜技术已在纳米成像中得到了普遍应用。但实验表明,AFM图像在水平方向分辨率较低,其中探针针尖形貌是影响扫描图像分辨率的关键因素之一。为了提高AFM扫描图像的分辨率,改善成像质量,一种可行的方法是通过建立探针模型后,重构扫描图像。在已有的探针建模方法中,普遍采用盲建模算法。针对目前盲建模算法中降噪阈值难以优化问题,提出了一种降噪阈值最优估计新方法。该方法可以使盲建模算法更准确地建立扫描方向上的探针形貌轮廓,进而完成3D探针模型。通过应用AFM探针扫描多空铝和标准栅格实验,介绍了探针针尖形貌精确建模的方法。然后使用数学形态学的腐蚀运算对标准栅格的AFM成像进行了重构,验证了上述方法的有效性。实验结果证明,重构后的图像中降低了探针针尖形貌的失真影响,可以显著改善扫描探针显微镜成像的水平分辨率。

基于模型差分析的旋翼飞行机器人航向与垂向预测控制方法

本文针对旋翼飞行机器人全包线机动飞行中的驱动器滞后以及动力学模型时变的问题,提出了应对不确定性动力学模型的基于模型差分析的增量平稳预测控制方法。该方法首先通过建立增量平稳预测过程模型来应对驱动器输出滞后与稳态模型以及系统工作点的不确定性,并提升控制系统鲁棒性。然后通过自适应集员滤波器在线估计系统瞬态动力学与名义模型的偏差来补偿全包线飞行中时变模型对于名义控制器跟踪性能的影响。最后,通过实际的飞行试验验证了此方法能够有效的解决全包线飞行中航向与垂向的驱动器滞后与动力学时变问题,并且可以实用于旋翼机器人航向与垂向的全包线自主飞行控制。