一种球形移动机器人的运动性能分析

球形移动机器人的特殊结构使之非常适合在缺少人为干预的恶劣环境(如外星球、野外等)中应用,在此类的环境中,机器人的运动性能是决定机器人能否顺利完成预定任务的关键.介绍了BHQ-1G型球形移动机器人的结构,采用几何法和拉格朗日方程建立了该球形移动机器人的模型,并对它的直线运动、爬坡能力、越障、转弯半径等运动性能进行了具体的分析,证明了该设计的可行性并确定了影响该机器人运动性能的参数.该分析结果可用于BHQ-1G机器人的优化设计和样机研制.     

基于Dijkstra算法的平滑路径规划方法

移动机器人在复杂环境下沿Dijkstra算法规划的路径运动时,由于所规划的路径存在转折点多、部分转折角度小等问题,导致移动机器人不得不频繁转向,甚至要暂停才能完成转向,严重影响机器人的工作效率。利用几何拓扑学方法,结合实际场景信息,提出一种基于Dijkstra算法的平滑路径规划方法。根据应用场景获取连续化地图,将连续化地图离散化后随机生成离散点阵,计算各点之间的欧氏距离,选取与各离散点距离较近、且连线不跨越障碍的多个点,将其连接并生成离散图。在离散图中利用Dijkstra算法搜索最优路径作为引导路径。当移动机器人沿引导路径运动时,结合实际场景信息,采用几何拓扑学计算出移动机器人每一时刻应该采取的最佳动作和运行路线。实验结果表明：所提方法能够有效减少移动机器人运动中的累计转弯角度,增大最小平均转折角度,提高所规划路径的平滑度,从而缩短移动机器人的运动时间,提升机器人的工作效率。     

冗余度机器人多性能准则优化研究

为了解决在一个冗余度情况下同时优化多个性能准则的困难,基于“优化期望”和“优化分配”的概念,提出了帝时在线地决定子任务优先权的新方法,任务被划分为一个高优先权的主任务和两个低优先权的子任务,子任务通过利用主任务的冗余性得到完成,文中利用作者所开发的“改进的加权梯度法”求解逆运动学,成功地解决了冗余度机器人的多性能准则同时优化问题,仿真证实了所提方案的实用性。     

室内多移动机器人协同建图与路径规划

多机器人协同定位与路径规划是协同侦察、作战等场景中的首要问题,其难点在于如何在未知环境下完成自主定位。提出了将多机器人同步定位与构图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)系统应用于室内环境,,以解决此问题。针对机器人定位存在的相关定位误差,采用了增加惯性测量单元的方法,以进行修正。为解决单个机器人在构建地图时速度较慢的问题,将基于坐标变换的方法用于多机器人的地图融合。此外,基于冲突检测和冲突规避思想,对多机器人路径规划方法进行了研究,并将其部署在了多机器人系统中。实验结果表明,采用多机器人协作进行环境探测,在确保全局地图信息完备的同时,可以提高构图效率。基于冲突规避的多机路径规划方法,可以为机器人个体规划出无碰撞路径,机器人可以根据该路径到达目标位置。     

轮式移动机器人运动学逆问题及机体稳定性

移动式机器人可以认为是操作机器人和步行机的组合,它具有更灵活和更大的工作空间.因此移动式机器人适合用于远程操作,无论是在太空还是地面,最通用的移动式机器人是轮式移动式机器人.轮子导致了非完整约束.在本文中,这种非完整约束以及有关的运动几何学得到了分析,在此基础上建立了轮式移动机器人运动学逆问题的两种求解公式.其次,提出了一种控制自运动的方法以解决活动平台的稳定性问题.这种方法通过仿真验证了其正确性.     

基于不稳定度的仿人型机器人步态规划方法

为了保证机器人能够在人类的生活环境中安全地工作,应该选择最稳定的运动轨迹.提出了一种能够评价不同的运动步态之间稳定性好坏的稳定性评价准则.将零力矩点(ZMP,Zero Moment Point)与机器人支撑区域的形心之间的距离定义为不稳定度,分析了仿人型机器人行走过程中几种典型步态的不稳定度,同时提出了基于不稳定度的仿人型机器人步态规划的方法.当采用多种运动步态都能完成同一种任务时,用所提出的不稳定度评价方法可以在不同步长的步态中选择出稳定性最好的运动步态来执行.仿真及实验结果验证了该方法的有效性.      

轮式腿型机器人的越障分析与仿真

为了提高地面移动机器人的地面适应性和越障能力,通过模仿昆虫的腿形,在移动机器人机械本体上设计了一种轮式腿结构.同时选择了轮式腿结构布局的最优方案,提高了机器人运动的平稳性.针对该种结构在非结构环境中的越障性能进行了相关的分析,从理论上分析了具有轮式腿结构的机器人具有很强的越障能力和越障平稳性.并用ADAMS (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems) 对该机器人进行了运动学的仿真,仿真结果表明具有轮式腿结构的机器人具有较强的越障能力,可以翻越高度为轮式腿半径1.2倍的垂直障碍,验证了机构的可行性和越障原理的正确性,为轮式腿型机器人的进一步研究提供了理论基础和依据.     

六轮腿式机器人结构设计与运动模式分析

复合运动模式机器人是移动机器人研究的热点之一。轮腿复合式机器人综合了轮式机器人的快速性和腿式机器人的灵活性,能更好地适应复杂地面环境。设计了一种圆周对称的六轮腿式机器人,其新型的轮腿组合方式使其在不增加多余驱动的基础上,通过改变自身构态实现轮腿运动模式的切换,降低了结构的复杂性,避免了轮子当作足在行走过程中磨损造成的不良影响。给出4种典型"3+3"三角周期步态和不同步态行走过程中的等效机构,建立了单腿正运动学和逆运动学模型,分析了不同步态间切换过程。根据机器人的特殊轮腿结构进行了轮腿运动模式切换规划,并分析了轮式运动和轮行过程中的转向问题,建立了4种轮行转弯运动学模型。通过轮腿式机器人样机试验,验证了其步行运动、轮行运动以及不同运动模式切换的能力。      

多空间机器人协同工作空间的数值求解方法

针对未来在轨服务过程中，可能遇到单个空间机器人难以独立胜任的应用场景，需要多个空间机器人协同操作，但目前针对多空间机器人协同工作空间的研究很少。考虑到解析法计算工作空间难度很大，提出了一种基于蒙特卡洛法的一般协同工作空间数值求解方法。再进一步针对空间机器人协同的特殊性，提出了广义协同工作空间的概念，并给出了数值求解方法。仿真结果表明，基座姿态约束会引起协同工作空间的缩小，同时广义协同工作空间的范围明显大于一般协同工作空间。所得结论可以为空间机器人任务设计与规划提供参考。     

柔性机器人避动力奇异方法的研究

对柔性机器人避动力奇异的方法进行了研究,得出当机器人第i阶模态频率与模态激振力某阶频率相等,且模态激振力比较大时,机器人就会出现动力奇异问题的结论;分析了机器人的结构参数和运动参数是影响其固有频率的因素,提出了在不改变机器人预定工作任务的情况下,对已有的机器人可以通过在其柔性臂上附加一质量块以调节机器人的固有频率,从而避免动力奇异问题的发生;同时给出了附加质量块的规划策略,并以一末杆为柔杆的空间三杆机器人为例,验证了所提方法的有效性.该方法也适用于其它一般机械系统.     

蜂群无人机自组网多优先级自适应退避算法

针对现有媒质接入控制（MAC）协议退避算法无法为蜂群无人机自组网（FANETs）提供区分服务,且在重负载时性能严重恶化等问题,提出一种多优先级自适应退避算法。采用忙闲因子自适应机制和最优竞争窗自适应机制,根据信道忙闲程度和网络状态参数自适应实时更新各优先级竞争窗口（CW）长度,从而使每次退避的竞争窗口可快速收敛到最佳状态,并实现了多业务区分服务,得到了最优的系统性能。通过建立不同优先级退避过程的三维Markov链模型求解得到了饱和吞吐量下的最优竞争窗自适应因子,并且理论推导了系统吞吐量和平均MAC时延的数学表达式。仿真结果表明,所提算法在重负载时能够实现多优先级区分服务并有效提高系统的吞吐量性能,相比区分业务优先级的自适应退避（PAB）算法和支持QoS的自适应竞争窗口退避算法（Q-ABACW）,性能均有较大提升。      

全向移动机器人动态避障方法

动态避障是全向移动机器人在复杂工作环境下不可或缺的能力。针对在复杂动态环境下传统人工势场法容易陷入局部极小点、目标点不可达和振荡等问题,提出了利用水流场的思想重新定义人工势场的斥力势场函数及其方向,改进方法在不增加计算量的情况下能够使机器人平滑且安全无碰撞到达目标点,实现避障过程。为了实现三维动态仿真,提出了一种基于V-REP与MATLAB的联合仿真方法,并结合改进人工势场法实现全向移动机器人的动态避障模拟,验证了方法的平滑性和可行性。将所提方法应用于实验室内真实场景,全向移动机器人成功实现了动态规避动作,验证了方法的实用性。      

基于CEI的航天器交会对接段的轨道监控

文章探讨了CEI技术在飞船交会对接远程导引段的实时监控的能力,采用单一绝对滤波器的方案进行实时轨道计算,仿真结果表明：采用滤波稳定后固定模糊度的方法可以提高轨道的滤波解精度,相对轨道位置精度可达十米级,速度精度可达厘米每秒级,满足远程导引段的精度指标。     

Obstacle avoidance handling and mixed integer predictive control for space robots

This paper presents a novel obstacle avoidance constraint and a mixed integer predictive control (MIPC) method for space robots avoiding obstacles and satisfying physical limits during performing tasks. Firstly, a novel kind of obstacle avoidance constraint of space robots, which needs the assumption that the manipulator links and the obstacles can be represented by convex bodies, is proposed by limiting the relative velocity between two closest points which are on the manipulator and the obstacle, respectively. Furthermore, the logical variables are introduced into the obstacle avoidance constraint, which have realized the constraint form is automatically changed to satisfy different obstacle avoidance requirements in different distance intervals between the space robot and the obstacle. Afterwards, the obstacle avoidance constraint and other system physical limits, such as joint angle ranges, the amplitude boundaries of joint velocities and joint torques, are described as inequality constraints of a quadratic programming (QP) problem by using the model predictive control (MPC) method. To guarantee the feasibility of the obtained multi-constraint QP problem, the constraints are treated as soft constraints and assigned levels of priority based on the propositional logic theory, which can realize that the constraints with lower priorities are always firstly violated to recover the feasibility of the QP problem. Since the logical variables have been introduced, the optimization problem including obstacle avoidance and system physical limits as prioritized inequality constraints is termed as MIPC method of space robots, and its computational complexity as well as possible strategies for reducing calculation amount are analyzed. Simulations of the space robot unfolding its manipulator and tracking the end-effector’s desired trajectories with the existence of obstacles and physical limits are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed obstacle avoidance strategy and MIPC control method of space robots.     

保证速率的AFDX交换机实时调度算法

针对AFDX(Avionics Full Duplex Switched Ethernet)网络关键技术——交换机实时调度算法,提出一种保证速率的优先级实时调度算法(PRTRG,Priority Real Time sched-uling algorithm based on Rate-Guaranteed),并运用网络演算理论分析了此调度算法的实时性.在AFDX网络典型配置下,与(FIFO,First In First Out)结果进行分析对比,证明PRTRG算法有效地减少了高优先级数据的端到端延迟上界,同时保证了低优先级数据端到端延迟的确定性,并且阻止了数据流拥塞的扩散,在交换机内部实现了流量隔离.     

综合化航空电子分区隔离的建模与设计方法

分区技术是航空电子系统综合化模块化发展中不可缺少的技术.针对航空电子系统安全关键性的要求,基于ARINC653标准,提出了分层分区的体系结构模型,该模型实现了不同安全关键级别应用软件之间的隔离.为了满足航空电子系统强实时可预测性的约束,双层分区模型中系统层采用轮转调度策略,区间层采用单调速率调度策略.然后对分区任务进行可调度分析,在充分保证航空电子系统强实时的前提下,提出了分区关键参数的设计方法,并推导了最坏情况下的系统可调度利用率.计算机仿真结果表明,该方法在保证实时性的同时,能支持更多的系统负载,具有优越性.      

航天器可应用实时以太网分析

在航天器上应用以太网的目的是借助以太网的灵活性, 获得方便 的通信接入及数据传输的高带宽, 并且能适应控制领域通信的实 时性和确定性. 实时以太网的确定性、通信调度机制和传输特征是其满足航天器网络通信特性需求的主要判定依据. 通过分析航天器数据通信特点, 对比实时以太网通信调度策略, 得出应用于航天器的实时以太网应具备时间同步、强实时性、确定性、高带宽、多数据类型、双通道冗余及兼容标准以太网等特征.      

一种自适应观测器设计和故障检测方法

利用模糊系统和径向高斯函数网络,设计一种具有自适应能力的模糊神经网络.用高斯函数表示模糊规则前件的隶属度函数,然后,构造一种递阶自组织在线学习算法,从输入输出样本数据中,通过学习提取模糊IF-THEN规则;在此基础上,提出一种非线性时变系统的自适应状态观测器设计和故障检测方法,并对其结构及特征进行了讨论,仿真结果表明,这种自适应状态观测器能很好地观测系统的状态,并能有效地应用于系统的故障检测.     

探月飞行器软着陆光学自主导航的特征图形匹配方法研究

对基于特征图形匹配的月面精确着陆光学导航方法进行了研究, 包括图像特征点提取、特征图形构建以及特征图形匹配. 利用特征点间相对距离不变的特性, 确立特征点的连通规则, 解决存在平移、旋转和放缩等情况下的图形匹配问题. 利用多幅月面真实图片对算法进行仿真测试, 仿真结果验证了其有效性. 以所提出的特征图形匹配方法为基础, 设计仿真算例对导航方法进行验证, 结果表明, 基于特征图形匹配的光学导航方法可实时确定飞行器的位置和速度信息且精度较高, 是适用于探月飞行器精确着陆导航的有效途径.