多水下机器人的队形控制方法研究

本文采用跟随领航者法研究多水下机器人(Unmanned Underwater Vehicles, UUVs)的队形控制，研究内容主要包括三个方面：设计基于运动学模型的多UUVs队形控制器；将该队形控制器结合机器人的动力学特性研究队形控制问题；研究领航者避碰算法以及多UUVs群体的队形变换策略。 跟随领航者法根本的问题是研究领航者与任意一个跟随者之间的协调问题，因此本文将复杂的多UUVs系统简化为若干组两个UUVs组成的基本队形模型。为了避免出现极坐标系下不可预见的奇异点，我们提出在UUV载体坐标系下建立运动学模型，实现与UUV动力学坐标系的统一。将该模型转化为误差动力学模型之后，经过输入输出反馈线性化，得出基于运动学模型的队形控制律。将该控制律应用到多UUV的队形控制问题中，则每个跟随者与领航者之间都具有协调，跟随者之间互相独立。 上述队形控制器中UUV具有无限快的速度跟踪能力，而实际上UUV不具备这样的能力，因此在队形控制器的设计过程中应结合UUV的动力学特性，使得对多UUVs队形控制问题的分析和设计更接近实际。本文以基本队形模型为研究对象，结合实际载体的动力学特性，研究队形控制器。 在未知的海洋环境中，当多UUVs系统检测到障碍物时，本文所采用的策略是：领航者采用基于模糊逻辑的避碰控制算法，顺利地通过障碍物区域；同时，领航者依据其艏部的避碰声纳信息，发出变换队形的指令。该策略使得领航者在引领跟随者顺利通过障碍物区域的同时，又不影响领航者与跟随者之间的协调。 在变换队形的过程中，存在着UUV之间发生碰撞的隐患，本文提出了就近原则：领航者左侧的UUV依然在左侧或中间，右侧的依然在右侧或中间。 本文分别利用了MATLAB仿真平台和多UUVs数字仿真平台，验证了以上各方法的有效性。由于多UUVs数字仿真平台中的控制参数、水动力系数、传感器参数均源自于实际的载体和历次湖试、海试的试验数据，UUV之间的通信信道是基于实际的水声通信模型，因此该平台上的仿真结果可以证明上述方法具有实际可行性。

有缆水下机器人主动升沉补偿系统的控制研究

在深海区域，海面的海况条件相对比较恶劣，支持母船受风、浪、涌、流影响而产生较大幅度的升沉运动对有缆水下机器人正常作业和收放操作有较大的影响，水下机器人中继器的升沉运动甚至可以造成系缆的损害而使机器人本体丢失。如何提高水下机器人在相对恶劣海况条件下的安全性能、特别是水下机器人与中继器安全的释放与回收成为当前深海有缆水下机器人开发所需要面临的一个重要问题。有缆水下机器人主动升沉补偿技术的研究，对于提高水下机器人在相对恶劣海况条件下的安全作业和收放具有重要的意义，对提高水下机器人抵御恶劣海况的能力具有重要的作用。 本文主要研究以液压绞车为执行机构的主动升沉补偿系统的控制。 研究了使用Kalman滤波方法根据测量得到的升沉加速度估计升沉运动加速度、速度和位移的滤波算法；建立了升沉补偿系统的模型，分析了升沉补偿系统的负载，以及升沉补偿对于液压系统功率、流量、压力的要求。 对电液比例阀的死区进行了补偿；设计了前馈控制算法，前馈控制简单实用，易于工程应用，能提高升沉补偿效率；但是其对参数敏感，需要实时调节控制预值，这些都会影响控制效果；为了得到更好的控制效果，设计了速度闭环的控制算法，结合升沉补偿系统可能功率不足的特点，需要估算其最大速度能力，先设置速度限制，将得到的升沉速度限制在速度能力范围内进行补偿，闭环控制具有抗干扰的能力，不需要实时调节控制预值，并且将正反方向的速度限制设为相同值时，补偿后的升沉位移不会漂移；针对系统功率有限和参数时变的特性，提出了智能预测控制算法，先是模型辨识，系统功率足够和功率不够时，模型结构不一样，需要在辨识时能识别处于哪种工况，并采用不同的控制策略，研究了功率足够时的自校正预测控制算法，使用智能预测控制算法，能够克服系统功率有限和参数时变给控制带来的困难。 建立了升沉补偿系统的matlab/simulink仿真模型和Amesim仿真模型，对功率足够和欠功率的情况进行了仿真，以验证控制的效果。 利用主动升沉补偿模拟液压绞车分析了控制预值实时调整的主动升沉补偿开环前馈控制的补偿效率。并利用作业型ROV收放系统的液压绞车进行了主动升沉补偿实验，实验表明分段死区补偿、前馈控制算法是有效的。

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。

北极冰下自主/遥控水下机器人导航与轨迹跟踪研究

将水下机器人用于极地科考，可以通过其携带的多种传感器和设备进行大范围、长时间的冰下观测作业，并取得重要的极地科考资料，如冰下水纹，海冰厚度等。而这些观测数据必须与准确的浮冰位置信息相结合才有实用价值，但北极高纬度特性和长期覆盖的大范围海冰使得一些传统水下机器人导航技术难以有效实施，所以需要研究一种能在北极冰下具有良好性能和高可靠性的导航系统。同时，对北极海冰进行的一系列科学考察，需要载体能够沿着浮冰上预定轨迹航行，但由于海流等外界影响的存在，浮冰处于实时运动中，所以要顺利完成科考任务，必须有相应的轨迹跟踪算法作为支撑。 本文正是针对以上这两点需求，在充分考虑环境特殊性的情况下，研究了水下机器人在北极冰下的导航与轨迹跟踪问题，提出了基于GPS测向仪冰面修正的水下机器人自主导航技术和基于制导控制器的浮冰轨迹跟踪方法，并进行了仿真和实物测试，试验结果表明本文所研究的导航设计方案和浮冰轨迹跟踪方法合理，可以达到北极冰下科考的定位精度和作业要求。 主要工作包括：（1）ARV导航系统设计。详细研究了各导航传感器的输出信息；坐标系定义、坐标变换、相对于浮冰的航位推算以及绝对坐标的求解；最后详细研究了整个冰下导航系统。（2）ARV导航系统误差分析。首先对各传感器的误差进行了详细分析；接着通过分析整个导航算法，建立了浮冰坐标系下ARV位置误差传递方程；最后通过引入具体传感器的参数指标，数值计算了整个导航系统的精度。（3）浮冰轨迹跟踪系统设计。首先对水下机器人在冰下的航迹进行了描述；接着分析了两种冰下制导控制器，视线法制导和横向轨迹误差法制导；最后详细研究了整个ARV航迹控制系统。（4）浮冰轨迹跟踪算法仿真。详细讨论了北极“ARV”的水平面动力学模型。并结合模型对浮冰轨迹跟踪算法进行了Matlab和视景仿真，验证了算法的合理性。（5）湖试和海试结果分析。通过对ARV棋盘山湖试和北极冰下海试数据分析，定量说明了导航误差和轨迹跟踪性能。

自治水下机器人控制方法研究及滑模模糊控制的应用研究

本论文在参阅大量国内外文献的基础上，进行了两方面的研究工作：自治水下机器人控制方法研究和滑模模糊控制的应用研究。全文分两部分对所做工作进行，总结论述。在第一部分“滑模模糊控制方法在自治水下机器人中的应用研究”中，本文总结了自治水下机器人控制方法的新进展；研究了模糊滑模控制和滑模模糊控制的原理，并针对6000米自治水下机器人“cR－01”的数学模型进行了仿真。仿真结果表明滑模与模糊控制相结合的方法减少了模糊控制规则的数目，参数较易调整，而且可以消除普通滑模控制中的颤振现象。在仿真的基础上进行了滑模模糊控制水池实验，对实验结果进行了分析。实验结果表明，滑模模糊控制可以大大提高自治水下机器人控制系统的性能。在第二部分“自治水下机器人控制方法研究”中，本文进行了解祸控制、BackStepping控制、“CR－01’，控制方法的仿真和水下机器人六自由度仿真的研究。分析了自治水下机器人运动中存在的藕合作用，就解祸控制进行了分析和仿真，仿真结果表明解藕控制可以很好地实现同一平面内各祸合变量的解藕。分析了BackStepping鲁棒控制算法，在自治水下机器人运动存在模型摄动和外界千扰时进行了仿真，仿真结果表明基于全状态反馈的B ackStepping控制算法具有很强的鲁棒性，对模型摄动和干扰有较强的适应性。在进行论文工作的过程中，作者建立了大量的基于MATLAB TM下S INIULINKIrm的6000米自治水下机器人"CR－01”的控制方法仿真模块。本文建立了一个全自由度的自治水下机器人仿真模块，为路径规划和高层使命仿真打下了基础。

一种新型并联机器人工作空间分析

对一种新型并联机器人的工作空间问题作了讨论,基于运动学逆解,通过极限边界数值搜索算法求取了并联机器人工作空间,并通过MATLAB仿真得到了该并联机器人工作空间的实体模型。

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。

基于三坐标测量机激光拼焊板材直线度研究

利用高精度三坐标测量机扫描功能,充分获得焊接板材端面线性三维数据坐标值,采用基于最小二乘法而建立的理想直线数学模型来评定直线度误差,并与实际采用塞尺法进行对比,结果发现采用三坐标测量更能详尽地反应整个焊接边缘直线度真实情况,节省大量的数据处理时间,且数据更加准确可靠,并在实际激光焊接中获得良好激光焊缝,同时直观地给出了焊接板材边缘线性特征,为剪板机刀具调整提供了方向与位置。

一种四自由度并联机构的误差分析及其标定补偿

针对一种四自由度并联机构进行了运动学分析 ,在此基础上以摄动法建立了其误差模型 ,明确了各误差源对末端位姿的影响 .在对并联机构的标定技术进行简单介绍后 ,说明了对该机构误差模型中的机构参数进行标定的两种方法 ,介绍了标定装置、标定算法及标定过程 .最后采用Matlab对基于逆解的标定方法进行了仿真 ,并对仿真结果进行了分析 .

直驱式容积控制电液伺服系统的建模和仿真研究

电液伺服控制系统以其出力大、响应快、精度高而广泛地应用于国防与民用领域。但是，传统的电液伺服系统由于电液伺服阀对油液精度要求高，抗污染能力弱，从而在一定程度上限制了它更广泛的应用，随着技术的进步，出现了一种新型的电液伺服系统—直驱式容积控制电液伺服系统，它是由交流伺服电机驱动的液压泵与执行元件组成，它具有伺服电动机控制的灵活性和液压系统出力大的双重优点，具有高效节能、体积小、可靠性高等显著优点，在一定程度上弥补了传统电液伺服系统的不足，从而被认为是未来电液伺服控制系统的重要发展方向之一。本文的研究内容是以中国科学院沈阳自动化研究所与日本石川岛播磨重工业株式会社的合作项目“电液混合驱动系统（Hybrid Actuator System）研究与开发”为基础，开展原理与特性研究，主要研究内容有以下一些项目：研究直驱式容积控制电液伺服系统的工作原理、设计理论与控制方法，建立直驱式容积控制电液伺服系统的性能试验系统，进行该系统的静、动态性能仿真与分析，研制一套直驱式容积控制电液伺服系统的原理样机。 第一、直驱式容积控制电液伺服系统的原理与机械结构研究，研究直驱式容积控制电液伺服系统的工作原理与结构方案，详细分析比较与传统电液伺服系统的优缺点，研究基与双向定量泵集成阀体的一体化设计技术，进行直驱式容积控制电液伺服系统的系统设计。 第二、直驱式容积控制电液伺服系统的建模与控制算法研究，研究直驱式容积控制电液伺服系统的建模方法，建立直驱式容积控制电液伺服系统的数学模型，研究满足系统性能指标的PID控制策略，使系统在稳定的前提下具有良好的动态品质和高的稳态精度。 第三、直驱式容积控制电液伺服系统集成技术研究，该直驱式容积控制电液伺服系统是由交流伺服电动机、双作用定量泵、方向控制阀、液压缸，以及多个传感器共同组成的。研究系统模块化设计方法，研究系统集成技术，建立直驱式容积控制电液伺服系统与液压系统性能的最佳匹配方法，研究直驱式容积控制电液伺服系统的实现技术。 第四、直驱式容积控制电液伺服系统的性能仿真研究，在上述建立的伺服系统模型基础上，利用MATLAB内的动态仿真库SIMULINK，仿真分析直驱式容积控制电液伺服系统的静、动态性能，研究改善系统性能的措施方法。 第五、直驱式容积控制电液伺服系统的补油性能状态研究，详细分析系统在各种工况下的内部油液流动状态，并基于此研究补油阀体的集成设计，建立补油设备的数学模型，仿真分析该补油装备的静、动态运行性能，研究补油阀的设计技术，在上述分析基础上，设计加工满足系统运行性能状态的叠加式液控补油阀。 第六、在上述工作基础上，研制一套直驱式容积控制电液伺服系统，验证系统设计原理，控制算法，及系统集成技术、研究高性能直驱式容积控制电液伺服系统的设计方法和实现技术。 关键词 液压技术；交流伺服电动机；直驱式容积控制；动态特性；叠加液控补油阀

基于视觉的机器人激光焊接质量检测技术研究

视觉检测技术是随着计算机视觉技术和光电技术的飞速发展，而出现的一种新的检测技术。检测被测目标时，把图像当作检测和传递信息的手段或载体，从图像中提取有用的信号，它是以现代光学为基础，融光电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视觉等科学技术为一体的现代检测技术。现代激光自动化焊接技术是由激光、计算机、机器人、数控和精密机床等相结合的综合高新技术,此项技术已成为工业生产自动化的关键技术，拥有普通加工技术所不能比拟的优势。为了克服机器人焊接过程中各种不确定因素对焊接质量的影响，提高机器人作业的智能化水平和工作可靠性，要求焊接机器人系统不仅能实现空间焊缝的实时跟踪，而且还能实现焊接参数的在线调整和焊缝质量的实时控制，即焊接机器人焊接过程的自主化和智能化。本文的研究依托于中国科学院知识创新工程方向性项目“全自动激光拼焊成套装备生产线”，旨在探索立体视觉检测系统的实现及其在激光拼焊工程中的应用的问题。从理论和实践两个方面，对其中的若干关键技术，如视觉检测系统创新设计、数学模型、量化误差、摄像机标定、结构光条纹中心线提取、焊前特征检测、溶池边缘提取、焊后缺陷图像匹配算法、三维重建和表面孔的视觉定位等进行了研究。主要研究成果如下： 1．提出了一种可以用于焊前跟踪，焊后检测，以及焊接过程中对激光溶池进行监测的多功能激光视觉检测装置。推导了检测系统在不考虑像平面安装倾斜角度时和考虑像平面安装倾斜角度时检测点坐标的计算公式以及量化误差公式，分别针对由于数模转换量化误差、安装角度倾斜误差、安装高度误差三个方面引起的量化误差，分析其关于行，列，以及不同倾斜角度的影响分布规律。并对于各种情况进行了仿真，对于各种误差分布特征进行了分析，提出了检测奇异点的情况和数学模型的局限性。以上工作为实现焊缝三维信息的高精度提取奠定了基础。 2．对于摄像机的标定技术进行了研究，结合工程实际，利用zhang的标定法和matlab标定工具包，对于摄像机进行了标定；针对检测相机视场较小，标定采集范围不易调整和相机的畸变主要发生在视场边缘等特征，在保证要求的精度范围之内，提出一种基于标定靶的标定方法，实验证明该方法的标定与测量精度能够满足工程需要。 3．研究了现有的条纹中心提取算法过程，提出了基于OTSU阈值的多次高斯拟合平均法和基于OTSU阈值的质心平均法计算激光条纹中心坐标。该法对条纹的噪声，散斑和被测工件表面漫反射有很强的抵制作用，因此具有很强的鲁棒性。实验表明，与传统方法相比，具有更高的提取精度。同时为了适应激光条纹被工件表面调制后发生的角度变化，以及硬件安装带来的激光线型条纹倾斜，提出了一种自适应方向模板法，可以解决特殊倾斜角度时的激光条纹中心线提取问题。三个仿真试验验证了方法的可行性。 4．提出了一套在线实时进行焊前检测的图形处理算法，可以实现焊缝宽度，焊前错配和焊缝中心位置检测。通过工程实验提取了各指标的检测结果，并验证了算法的正确性。 5．提出了一种基于数学形态学的激光拼焊溶池边缘检测算法，对于激光拼焊中的溶池图像进行边缘提取，基于真实图像进行了实验研究表明，提取边缘效果可以达到单像素。 6．对焊后表面形貌检测的图像实时处理算法进行了研究。提出了一套在线实时进行焊后焊缝表面缺陷检测的图形处理算法,可以进行焊缝宽度，错配，凹度，凸度，咬边，焊接倾角，过高七种表面焊接缺陷的匹配识别；对于整个焊缝的表面形貌进行三维重建。通过等厚板焊接和不等厚板焊接两种试验，验证了算法的合理性和鲁棒性。提出了一种基于randon变换的错配和兴趣区域快速检测算法。对于表面孔的检测算法进行了探讨，主要针对孔的检测中的噪声和表面反射，研究了腐蚀膨胀对于表面孔定位和大小的检测影响。 7．研究了以普通6R机器人进行焊缝视觉检测的工作视野，即焊缝视觉检测空间，提出了一种生成焊缝视觉检测空间的解算法；以此检测视野为依托，探索了在视觉检测视野中进行焊缝视觉检测的初始位置规划问题，提出了一种初始位置规划算法；仿真结果证明了算法的正确性。

基于DSP的视觉焊缝跟踪控制系统的设计

目前，随着科技水平的进步，人们对焊接质量的要求越来越高，为了保证焊接质量，通常配备焊缝自动跟踪系统。视觉传感方式由于其采集信息量大，避免了与工件直接接触，易于实现焊接跟踪智能化，在焊缝跟踪领域得到广泛的应用。由于主动光视觉与被动光视觉相比具有抗干扰能力强等诸多优点，所以本文采用基于主动光视觉的焊缝跟踪系统。 论文第一部分介绍了焊缝跟踪图像采集与处理系统。对本文中所使用的图像传感器、光路系统的结构及获取特征点的图像处理方法进行了说明。 第二部分对焊缝跟踪控制系统的硬件设计进行说明。硬件部分主要是以TMS320F2812数字信号处理器为核心进行外围电路的设计。包括电源模块、串口通信模块、CAN口通信模块、接口电路模块等。为了使跟踪系统达到所需要的精度和快速性，电机是系统组成中一个非常重要的环节，是很关键的组成部件。所以本部分最后对伺服电机的选型过程进行详细说明。 第三部分介绍控制系统的软件结构。控制器软件系统包括初始化模块、串行通信模块、CAN通信模块、指令处理模块、纠偏控制模块等。针对超前检测式跟踪机构的特点，推导出超前偏差公式，实现纠偏控制模块的功能。 最后对控制方法进行仿真研究。针对焊缝跟踪系统的特点，应用MATLAB的Simulink模块进行控制方法的仿真研究。设计了PID控制器和模糊控制器，分别进行仿真研究，并且对仿真结果进行对比分析。

上下料直角坐标机器人机构研究

直角坐标机器人作为一种常用的工业机器人广泛应用于现代工业生产线中，其运动学和动力学特性关系整个生产线性能发挥。虚拟样机技术在复杂机械系统仿真中的成功应用不仅可以提高仿真精度，而且还可以缩短产品设计周期，对于工程实际具有重要的应用价值。通过虚拟样机技术，工程师可以通过机械系统运动仿真，在产品设计阶段发现产品设计中的潜在问题，并快速进行修改，减少了对于物理样机的依赖，这样不仅可以节省成本，缩短产品开发周期，而且还可以提高产品性能，增强产品竞争力。本文结合中科院沈阳自动化研究所现代装备研究设计中心的大型项目“激光拼焊生产线”，对生产线中从国外引进的上下料机器人进行研究分析，设计出一台可以满足“激光拼焊生产线”工业要求的上下料直角坐标机器人，来实现高性能上下料机器人的国产化。以设计出的上下料直角坐标机器人为研究对象，采用虚拟样机技术，以有限元法和多体系统动力学为理论基础，进行上下料直角坐标机器人机构的运动学和动力学分析仿真研究。其中研究了三维实体建模方法以及D-H方法，探讨了利用CAD/CAE软件SOLIDWORKS, ADAMS和ANSYS进行协同虚拟样机的建模、装配、数据共享、有限元静力分析以及刚柔耦合多体动力学仿真技术，研究成果对实际工程的运用具有一定的指导作用。本文主要的研究工作及其成果如下： 1根据工业生产线要求，确定高性能上下料直角坐标机器人总体机构设计方案，设计各个直线运动单元。 2利用CAD软件SOLIDWORKS对上下料直角坐标机器人进行3维实体建模，然后利用D-H方法，建立其运动学方程，最后利用MATLAB工具对运动学进行仿真。 3以有限元方法为基础，利用有限元分析软件ANSYS对上下料直角坐标机器人核心部件Y轴横梁静力分析，最后进行横梁结构优化。 4以多体系统动力学为基础，利用有限元软件ANSYS生成刚柔耦合多体动力学仿真所需的模态中性文件（MNF），同时结合运用ANSYS和ADAMS建立了上下料直角坐标机器人刚柔性耦合多体模型，并进行了动力学分析。

基于LabVIEW的自组织网络的实现与应用

文章介绍了自组织神经网络在故障诊断方面的应用原理,针对自组织神经网络实现问题提出了一种通过在LabVIEW调用MATLAB应用程序实现自组织神经网络的方法。并通过轴承故障诊断的实例,证明了这种方法的有效性。

用于香烟包装质量检测的图像匹配算法研究

在香烟包装过程中会出现不合格现象,通过对缺陷的分析,设计了一种用于香烟包装质量检测的改进快速图像匹配算法。文中通过优化相关系数的计算、引入自适应遗传算法、对感兴趣区域匹配检测来提高算法性能,并将算法在MATLAB中编程实现。仿真实验结果表明该图像匹配算法计算速度快、检测精度高,满足香烟包装质量检测的需要。