一种改进的AUVs变结构滑模控制策略研究

针对现有的变结构滑模控制切换面单一性会导致系统状态在原点处收敛缓慢的缺陷,对自主式水下机器人(AUVs)变结构滑模控制设计了折线型的切换面,并且进一步改进实现了速度控制和定点定速控制。改进的切换面由斜率不同的自线段构成,并在拐点处通过S型函数光滑过渡。将切换面的斜率减小到0时,则可以实现速度控制,同时为了消除速度控制的稳态误差,引进了采用能智积分方法的积分项。最后在某AUV上进行仿真实验,结果证实了应用折线型切换面可以减少控制系统的上升时间,提高反应速度;速度控制的稳态误差接近0,并很好地实现定点定速的控制效果。该方法可以有效用于AUVs的控制。     

146号初等元胞自动机的演化语言的复杂性

Symbolic dynamics of cellular automata is introduced by coarse-graining the temporal evolution orbits. Evolution languages are defined. By using the theory of formal languages and automata, the complexity of evolution languages of the elementary cellular automaton of rule 146 is studied and it is proved that its width 1-evolution language is regular, but for every n ≥ 2 its width n-evolution language is not context-free but context-sensitive. Also, the same results hold for the equivalent （under conjugation） elementary cellular automaton of rule 182.     

软体智能机器人的系统设计与力学建模

机器人或机电装备通常由电机模组、液压元件、齿轮和铰链等硬质部件构成,具有动力足、精度高等优点,但在实现低噪声、高安全系数与亲和性等方面存在挑战.受自然界生物体的柔软特性与高环境适应性的启发,设计制造软体机器人是近年来机器人领域的研究热点.作为软体机器人的核心构成部分,智能软材料可在外界不同刺激下产生不同响应,具有材料柔韧、生物相容性好、易于制备、价格低廉等优点,可广泛应用于机器人的设计与制造.几类典型的具备驱动功能的智能软材料与结构获得广泛的研究,包括气动软体肌肉、形状记忆合金/聚合物、离子交换聚合物、介电高弹体、响应水凝胶等.本文介绍了多种驱动类型的软体智能机器人研究成果,并从软体智能机器人的系统设计与力学建模两个方面进行了归纳分析与讨论.      

一种压电驱动的三足爬行机器人

机器人领域涉及到力学、机械、材料、控制、电子和计算机等多个学科. 其中, 爬行机器人可在极端环境下工作, 进而可有效降低人工作业的危险性并提高工作效率. 因此, 爬行机器人一直是机器人领域的重点研究对象. 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的新型功能陶瓷材料. 逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场, 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力, 当外加电场撤去时, 这些变形或应力也随之消失. 本文基于压电陶瓷的逆压电效应设计了一种由3条弯曲变截面梁支撑的一体化三足爬行机器人. 利用理论力学方法对该三足爬行机器人建立整体受力分析方程, 再用哈密顿原理对变截面、变角度梁建立动力学方程, 最终得到了可求解该三足爬行机器人的压电驱动腿固有频率的方程. 设计并制作了三足爬行机器人实物, 通过实验测试了不同弯折角度、不同驱动频率、不同负载、不同电压波形对运动方向及运动速度的影响. 最后利用不对称的驱动电压使三足爬行机器人实现了左转、右转以及不加导轨的近似直线运动, 实现了设计的3个方向的运动, 最后分析了该机器人的能耗问题. 该研究可为微型爬行机器人设计和实验提供参考依据.      

软机器人的运动行为研究进展

软机器人的出现不仅弥补了传统机器人的缺点,并逐渐成为机器人领域的热点和前沿之一,近年来该领域研究进展十分迅速。本文总结了典型软机器人的运动行为的研究进展,介绍了软机器人按材质类型的分类(包括液晶软机器人、生物分子软机器人、PDMS软机器人、液体软机器人和自振荡凝胶软机器人)及其功能和潜在应用,讨论了当前不同类别软机器人运动的特点和存在的问题,在此基础上展望了软机器人领域面临的机遇、挑战和未来发展方向。     

机器人动力学与控制专题序

机器人动力学的研究是所有类型机器人发展过程中不可逾越的环节,也是形成机器人终极产品性能评价指标重要的科学依据,以往机器人的发展已经表明,多体系统动力学是机器人研发中不可或缺的基础力学理论。随着新型传动与驱动机构以及智能与软物质材料的出现,可以预计柔性化、软性化、可变化、微型化和控制智能化将成为未来机器人发展的重要方向,使机器人的各种作动更接近生物体的仿生体,因此,以仿生为主要特征的刚柔耦合、柔软体和变形机器人对任务和环境的适应性强,其快速发展在一定程度上将促进机器人研究的步伐,同时,这种趋势和需求也将会使得机器人动力学和控制研究面临重大挑战。本刊组织了“机器人动力学与控制研究专题”,主要介绍以下两个方面的研究进展。     

空间机器人捕获航天器后基于无源性理论的鲁棒镇定控制

研究了漂浮基空间机器人捕获非合作航天器过程对系统产生的冲击效应及其后联合体系统镇定运动的控制问题。为此,利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的动力学模型;结合动量守恒定律、系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获过程相互碰撞所产生的冲击效应,建立了捕获完成后两者联合体的系统动力学模型。在此基础上,针对同时存在不确定参数及外部扰动的联合体系统,设计了基于无源性理论的镇定运动神经网络H_∞鲁棒控制算法。本文提出的基于无源性理论设计的鲁棒控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可快速完成系统的镇定控制,实现轨迹的精确跟踪。系统数值模拟仿真验证了本文控制方案的正确性。     

利用三角形及其九点圆的摄像机标定

提出基于三角形及其九点圆的摄像机标定方法.利用了三角形九点圆中其九个点的特殊性,并且利用透视投影变换保二次曲线不变性,得到其像点在像平面共椭圆,从而可以通过九点的映射关系将透视投影变换的非线性问题线性化.图像分割和角点提取的误差会直接影响标定的精度,在此三角形及其九点圆中的点特别是算法中的关键点三角形顶点和垂心都是三条直线的交点,减小图像分割与提取时造成的误差.DLT方法的不精确就源于图像分割和角点提取的误差,方法克服了DLT方法的不足.张的方法无法保证单应性矩阵的正交性,因此为了保证正交性和提高精度需要优化.与传统方法相比操作简单,应用九点圆定理,仿射变换的引入将透视投影非线性问题线性化,避免了参数之间的非线性方程求解,降低了参数求解的复杂性,因此其定标过程快捷,准确.模板的构造,减少了图像分割和交点提取误差,算法实现保证旋转矩阵的正交性.综合上述分析,理论上表明方法的有效性.同时实验表明,标定方法操作简单,不需要计算机视觉的专业知识,快速,精度高,鲁棒性好.     

基于遗传算法的多车体机器人路径规划方法

带拖车的移动机器人系统是一种复杂的多车体系统,在不同的转弯角度下所需的路径宽度也不同,其路径规划是个难题;在给出带拖车轮式移动机器人稳态和暂态过程运动学方程的基础上,推导得出了多车体移动机器人在最大转弯情况下所需的最大路径宽度,并将之定义为等效尺寸;应用遗传算法,提出了基于等效尺寸的多车体移动机器人的路径规划方法;首先通过等效尺寸的多步障碍扩张,对障碍物的临近区域和狭窄通道进行可行性约束的分析;然后应用遗传算法进行全局的路径规划,将路径的长度和宽度综合在适应度函数之中;在一定程度上,多车体移动机器人的路径规划问题得到解决;文章通过建立三维网格化地图,对障碍物的临近区域和狭窄的瓶颈通道区域进行了可行性约束的描述,遗传算法在较复杂的环境中实现了良好的避障,并得到了相对较短的有效路径。     

基于复小波包分形理论的爬壁机器人故障检测

通过研究爬壁式机器人的控制和运动特征，提出一种基于复小波包分形理论的故障检测方法．利用复小波包的平移不变性，将爬壁式机器人传感器输出信号分解成独立的频谱，并进行阀值处理和重构，从而有效去除高频噪音并提取故障的特征频率；依据信号分形维数的多尺度不变性，在嵌入维数空间，采用维数最大距离法，确定复小波包域故障信号的关联雏数．仿真实验表明，爬壁式机器人在各种异常工作模式下的故障信号关联维数能比较真实地反映其故障状态空间，同时也验证了故障信号的关联维数低于正常信号的关联维数作为故障发生与否的定量判据的正确性．