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。

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。

小型自治水下机器人运动控制系统研究

以主推加舵控制的小型自治水下机器人为研究对象,建立了水下机器人的数学模型并进行了分析。根据机器人结构的特点,对模型进行了必要的简化。设计了机器人的运动控制系统。通过湖试验正控制器的性能。

分散式控制和管理的UUV体系结构模型研究

针对传统的分层式体系结构在UUV 控制系统开发设计、维护和升级过程中所遇到的困难，首先分析了集中式控制和管理方法的不足和原因。在此基础上，借鉴自主计算的思想，提出了分散控制和管理的体系结构。这种方法把系统中每个独立的功能模块都抽象成为具有相同模型的控制基元，称之为“自主基元”，然后通过自主基元层次式、嵌套式的组织，构成完整的系统。分析表明，这种方法能够缩短控制系统的开发周期，也降低了维护和升级的难度。

轮桨腿一体化两栖机器人控制系统设计

为满足轮桨腿一体化两栖机器人控制系统各模块间信息交换的实时性、灵活性、可扩展性和可靠性的要求,将CAN总线应用于轮桨腿一体化两栖机器人控制系统中。从硬件和软件两方面,介绍了CAN总线在轮桨腿一体化两栖机器人中的应用方案,设计了基于ARM7处理器的CAN总线控制节点,提出了适用于两栖机器人的CAN总线应用层协议方案。

北极冰下自主/遥控机器人控制系统设计

针对北极冰下海洋参数监测的使命要求,对水下机器人控制系统进行了相关研究,将PC104总线与CAN总线应用到自主/遥控水下机器人中,实现了一种分布式与集中式相结合的水下机器人控制系统体系结构。从硬件和软件两个方面描述北极自主/遥控水下机器人控制系统的实施方案。

一个面向异构多UUV协作任务的分层式控制系统

针对异构多UUV协作任务,提出了基于多智能体系统的分层式体系结构(MAHA).在个体层面,将UUV智能体的思维状态分为社会心智和个体心智两个层次分别实现,更加符合人类社会协作模式;在群体层面,提出了复杂海洋环境下UUV群体结构的评价准则,并据此将MAHA与现有结构进行了对比分析.此外,利用面向对象的Petri网理论建立了系统的协作模型,有效降低了系统建模的复杂性.最后,水下多目标搜索使命的实例研究表明,MAHA能够保证异构UUV之间进行有效的协作.

一种遥控潜水器控制系统的研究与应用

介绍一种基于工业以太网通信技术及Windows平台构建的遥控潜水器控制系统.将该控制系统应用于最新研制的遥控潜水器中,其在通信能力、视频传输、控制性能、硬件的可扩展性、数据的存储与显示等多方面都比传统的控制系统具有明显的优势.在水池中进行了试验,验证了该控制系统及整个潜水器良好的运动功能和性能.

水下机器人的神经网络自适应控制

研究了水下机器人神经网络直接自适应控制方法,采用Lyapunov稳定性理论,证明了存在有界外界干扰和有界神经网络逼近误差条件下,水下机器人控制系统的跟踪误差一致稳定有界.为了进一步验证该水控制方法的正确性和稳定性,利用水下机器人实验平台进行了动力定位实验、单自由度跟踪实验和水平面跟踪实验等验证实验.

基于Windows的大型ROV控制系统软件设计

针对Windows越来越能满足实时控制系统这一情形,本文在分析大型ROV控制系统的实时性基础上,进行了基于Windows的大型ROV实时控制系统软件设计,并给出了实际应用结果。应用结果表明,该控制系统软件运行稳定、可靠,很好的完成了对大型ROV的实时控制。

光纤微缆对SARV操纵性的影响分析

以新概念小型自治遥控水下机器人SARV及其光纤微缆系统为研究对象,在对光纤微缆进行受力分析的基础上,采用集中质量法建立了光纤微缆的动力学模型。结合作业中SARV载体的实际运动,利用直接计算法分析了不同运动状态下光纤微缆对SARV载体产生的附加力和附加力矩及其对SARV载体操纵性的影响,并提出了合理的操纵建议。为SARV载体端设计光纤微缆释放装置张力控制提供了一定的理论依据,在一定程度上有助于完善SARV控制系统,提高SARV航行的稳定性。

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。

基于模糊神经网络水下机器人直接自适应控制

提出了基于广义动态模糊神经网络的水下机器人直接自适戍控制方法,该控制方法既不需要预先知道模糊神经结构,也不需要预先的训练阶段,完全通过在线自适应学习算法构建水下机器人的逆动力学模型.首先,本文提出了基于这种网络结构的水下机器人直接自适应控制器,然后,利用Lyapunov稳定理论,证明了基于该控制器的水下机器人控制系统闭环稳定性,最后,采用某水下机器人模型仿真验证了该控制方法的有效性。

水下滑翔机器人水动力研究与运动分析

水下滑翔机器人是一种无外挂推进系统,仅依靠内置执行机构调整重心位置和净浮力来控制其自身运动的新型水下机器人,主要用于长时间、大范围的海洋环境监测,因此要求其具有低阻性和高稳定性.文章主要从水动力特性出发对水下滑翔机器人进行优化设计,包括主载体线型、升降翼和稳定翼的优化等,并对水动力优化设计的结构进行了定常滑翔运动和空间螺旋回转运动分析,这将为后期的控制系统设计提供参考.