飞行器多任务在线实时航迹规划

 针对不确定环境中的飞行器多任务航迹规划问题展开研究,提出了一种基于飞行路线图的两阶段航迹规划框架,航迹规划分成学习和查询两个阶段,环境信息和飞行器约束条件分阶段体现。在该框架下,通过采用一种混合多任务动态航迹规划方法,分别在稀疏路线图上实时搜索初始航迹和在精细路线图上启发式搜索后备航迹,能够在具有预先未知威胁、可变飞行任务的战场环境中实时生成三维航迹。     

基于状态改变的机器人路径规划算法

为了解决目前机器人路径规划中时效性低、避障解算量大的问题,借鉴直流电路中理想电感元件两端电压能够从感抗状态恢复到稳定状态的现象,提出了一种利用机器人状态检测量对机器人状态实时检测,从而实现避障的机器人路径规划算法.首先对绕行单个固定障碍物的机器人进行深入分析,然后采用状态叠加的方法,生成任意位置多障碍物同时存在的避障路径.同时对斥力系数进行改进,以确保机器人能够有效到达目标点.为了验证算法在多障碍物环境下的路径规划能力,进行了数值仿真模拟实验.仿真结果表明,使用该算法规划机器人路径时,能够在避免局部极小值点和目标不可达问题的前提下,在较短时间内规划出机器人由起始点到目标点的路径.     

基于认知结构SOAR的机器人路径规划

针对环境未知、目标位置已知情况下机器人路径规划问题,提出了一种基于认知结构SOAR的探索方法。首先,结合箱子移动问题介绍了SOAR的基本概念及求解机制;其次,在讨论了人的行为模型和SOAR的决策过程基础上,设计了基于SOAR-Agent的行为建模方法;最后,利用本文提出的方法,设计长期知识,使机器人能够模拟人在未知动态环境下向目标搜索的行为。通过仿真实验,对比分析了长期知识的完备程度对机器人顺利完成任务的影响,同时也验证了该方法的有效性。     

递进式路径转移姿态机动快速规划方法

当前空间探测活动需要航天器具有大角度姿态机动能力,然而复杂的空间环境和航天器姿态约束限制了姿态机动的可行空间和姿态规划效率。针对这一问题,进行了多约束条件下大角度姿态机动快速规划研究,提出一种基于路径转移策略的快速规划方法。该方法由参考路径规划、松弛路径规划和路径转移规划3部分组成,递进式处理姿态规划中的初始参考路径生成、姿态有界约束满足和姿态指向约束满足问题。在路径转移规划中,建立基于指向角的姿态指向约束评价函数,设计对应的转移动作集合,能够快速得到满足多种约束条件的安全机动路径。最后,通过大角度姿态机动对比仿真,验证了该方法在机动时间方面的快速性和规划速度方面的高效性。     

基于遗传算法的多机器人系统集中协调式路径规划

根据多机器人系统无碰撞运动的需要,对其工作空间进行了分解,确定了机器人运行路线上的各个可能路径点,从而得到了规划空间的多路径点链接图描述。基于这种对规划空间的链接图建模描述,开发了一种混合遗传算法用于寻找多个机器人的无碰撞协调运动路线。仿真结果表明,这种方法可有效地解决复杂规划空间下的多机器人路径规划问题。     

航天器复杂约束姿态机动的自主规划

 研究了星载设备经受动态环境的多种几何约束和动力学约束时,航天器姿态机动历程的星上规划方法。将完整姿态映射为三维姿态描述空间中的点,姿态路径的规划问题转化为中间节点的规划。随机搜索空间中的一组节点,在相邻节点间采用施加动力学约束的Euler转动姿态制导律,并考查Euler转动过程中的几何约束。用快速搜索随机树方法搜索到可行解,再利用姿态空间特性对路径加以优化。仿真显示算法能在大范围内快速得到可行解,优化措施有助缩短机动时间。离散化的节点规划保证了复杂约束情况下解的有效性,并具有概率完备性。     

安全扭矩约束下的多关节机器人轨迹跟随方法

为了减轻机器人与环境碰撞产生的不良影响,常需要机器人在跟随指令轨迹的同时约束各关节的最大扭矩。针对多关节机器人动力学约束下的笛卡尔空间路径保持与快速跟随问题,分析机器人关节空间力矩约束对笛卡尔空间轨迹的速度和加速度的影响,在机器人保持原笛卡尔路径不变的同时,实时分析当前允许的最大加速度,并计算得到相应的速度和位置,实现指令轨迹的快速跟随,达到安全作业的目的。该方法在一台自研六自由度轻量化机械臂平台上进行了验证。结果表明,该方法能够将扭矩约束到设定范围内,重新规划后的轨迹保持笛卡尔路径不变,且能够快速跟随指令轨迹。     

基于“虚拟范围”的多机器人围捕算法

 讨论了基于SQL Server数据库的栅格地图建立方法。介绍了一种建立在势场法和栅格地图上的室外多机器人路径规划方法，分析了在已知地图中应用势场法进行路径规划时的路径死点和规划失败问题，并给出了解决方法。以势场栅格法为基础探讨了多机器人协作围捕动态目标的策略。在围捕算法中，根据室外机器人工作环境的特点，提出了“虚拟范围”的概念，以减少动态规划次数，提高围捕速度。介绍了机器人以“虚拟范围”为基准，在各种状态之间的转换机制。利用基于无线局域网的室外多机器人系统进行了试验，试验表明引入“虚拟范围”之后能有效缩短围捕时间，并且存在最短时“虚拟范围”。
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基于A*和TEB融合的行人感知无碰跟随方法

移动机器人通过跟随一个指定行人实现导航是一种便捷的方式。针对行人跟随中的机器人跟随和避障问题,提出了一种基于路径规划的无碰跟随方法。该方法结合激光点云分割提供的非行人障碍信息生成静态障碍代价地图,并根据3D行人定位结果,利用基于无迹卡尔曼滤波器（Unscented Kalman Filter,UKF）和最近邻联合概率数据关联（Nearest Near Joint Probabilistic Data Association,NN-JPDA）的多行人跟踪器估计干扰行人运动状态,进而生成动态行人代价地图。在此基础上,基于A^*的全局规划器结合静态障碍代价地图输出指向目标行人的全局路径,而基于时间弹性带（TEB）算法的局部规划器也将动态行人代价地图纳入考虑范围以规划优化的局部路径,这能够帮助机器人实现行人感知的避障且跟随全局路径。通过低频全局规划与高频局部规划结合的方式实现对目标行人安全无碰的跟随。实验验证了所提方法的有效性。     

面向月面探测的空间机器人-航天员手势交互方法的研究

针对月面探测机器人-航天员手势交互的问题,以航天员助手机器人(AAR-2)为实验平台,运用卷积神经网络模型,提出了一种静态手势识别方法。采用该方法对设计的8种空间人机交互手势进行了手势识别试验,并将试验结果与单通道的CNN等方法的结果进行对比,证明了该方法能在一定程度上提高静态手势识别率,识别准确率达到93.3%。并自制了一套小型空间人机交互的手势数据集,用以补充该方法在月面探测的实际任务中的不足。     

基于威胁网的飞行器航迹快速搜索算法

提出了一种基于威胁网的飞行器航迹快速搜索算法。该方法能够在具有未知威胁的飞行环境中在线进行实时航迹规划。首先根据获得的先验信息建立威胁网．其次在建立的威胁网上确定出一条安全走廊，最后在安全走廊的基础上进一步细化从而得到一条最优航迹。当飞行环境中有预先未知威胁出现时．该方法可根据更新后的信息局部修正受影响的航迹来获得新的全局最优航迹。仿真结果表明，该算法能够有效地进行实时规划，获得较满意的航迹。     

基于SAS算法的起飞一发失效应急路径规划方法

为解决起飞一发失效应急程序（EOSID）手动设计的不足,提出一种基于SRTM数据的稀疏A*搜索（SAS）算法的EOSID路径规划方法。首先采用航天飞机雷达地形测绘使命（SRTM）的网格地形数据,结合起飞一发失效相关规章,考虑爬升梯度与保护区限制确定可行搜索空间;然后基于可行搜索空间运用稀疏A*搜索算法搜索应急离场路径,在传统A*算法寻找扩展节点时加入起飞性能约束条件,同时利用地形高程数据进行地形和威胁回避,生成一条三维应急离场航迹;最后利用三次样条曲线对规划的应急离场航迹进行平滑处理。实验结果表明该方法能自动搜索出有效的EOSID三维航迹。     

基于滚动窗的元胞自动机实时航迹规划方法研究

为满足载机实时航迹规划中威胁环境不确定性和规划算法实时性的要求,基于预测控制滚动优化的思想和元胞自动机理论,提出一种适合载机实时航迹规划的算法一滚动窗元胞自动机实时航迹规划方法.仿真结果表明,该方法能够在预先未知威胁的飞行环境中有效规划出动态航迹.     

面向空间非合作航天器的空间爬壁机器人方案

针对空间非合作目标追踪附着任务的隐蔽性、无统一接口和低冲击着陆等特点,提出了一种基于粘附机理的微小型空间爬壁机器人的方案。考虑空间环境特性、附着目标表面特征等因素,确定了仿昆虫多足弹性多腿结合仿壁虎脚底刚毛干性粘合剂的总体构型,完成了足底刚毛结构微阵列参数的设计与刻蚀,设计了缓冲吸能部件,规划了步行和翻转的两种步态。原理样机验证表明方案可行,可为后续在轨非合作接近任务中微小型机器人的行为规划提供理论支持。     

空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点,讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法,论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法,重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术;并针对未来空间装备巨型化趋势,介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。     

无人机路径规划中的环境和威胁模型研究

为了提高无人机执行任务时的突防能力,在进行飞行路径规划时必须对战场环境中的威胁环境进行评估,而威胁环境中的威胁估计与飞机被雷达或类似的传感器探测出的风险度有关,需要考虑的信息包括无人机传感器范围内的威胁位置和强度.路径规划算法依赖于路径规划空间的建模方式,包括环境建模和威胁源建模.目前针对规划空间环境和威胁模型的建模方法缺乏系统分类和论述.分析了战场环境的建模方法,研究了规划空间的离散建模方式,根据无人机飞行过程中可能遭遇的威胁类型进行威胁源类型的划分,并针对三种威胁类型分别建立威胁风险模型,为无人机在复杂环境下的路径规划实现做了参数准备.     

一种多旋翼多功能空中机器人及其腿式壁面行走运动规划

 提出了一种既可实现飞行功能又可实现壁面运动的多旋翼多功能空中机器人。设计了机器人的结构,分析了其工作原理,研究了机器人腿式壁面行走模式下腿/足与壁面接触时的机体动力学。结合多旋翼推进的机理对机器人在壁面运动模式下的步态进行了规划,基于非线性轨迹线性化控制(TLC)法设计了空中机器人在步态过程中的姿态稳定控制器。在MATLAB环境下对机器人的腿式壁面运动进行了仿真分析研究,仿真结果表明了所设计的步态及其稳定控制方法的可行性。     

裂缝区域优化随机扩展航路规划方法

针对密集障碍代价空间中存在的局部裂缝区域,基于采样的路径规划方法随机生成的节点无法进行有效扩展,形成可行路径的概率极低的问题,采用电势原理建立环境威胁模型,提出局部区域启发模式转换机制及节点一步检测方法.采用路径代价改进Transition-based RRT算法的节点选择机制,实现节点扩展的双启发.仿真结果表明,该算法能够有效地解决上述问题,其算法性能和路径生成优于同类算法.     

一种空间吸附式爬行机器人设计及其步态规划

针对可在空间飞行器表面吸附爬行和自主可控飞行的空间机器人爬行过程进行控制与仿真问题,在某系统方案和机构设计基础上,基于机器人行走稳定裕度的要求,设计了一种稳定快速爬行的步态,对其足端步态运动轨迹采用三次多项式插值的方法进行规划,并通过逆运动学求解出各个关节的运动轨迹,基于Adams软件对机器人进行动力学建模及仿真,结果表明在空间零重力环境下,四足吸附式爬行机器人能够快速稳定的行走,验证其机构设计和步态规划的合理性。     

飞行器航迹规划中的规划区域建模方法

针对网格法用于规划区域建模的不足,提出了一种新的规划区域建模方法-多航迹区链接图法.该方法在对规划区域进行建模的过程中充分考虑飞行器的特性、飞行环境和使用特点,结合规划区域中障碍物的属性、形状和分布情况构造出航迹点的候选区域,从而得到规划空间的多路径区连接图的建模描述,基于这种建模描述使用优化算法来规划飞行器的较优或"可行"航迹.仿真结果表明,该算法有效的利用了背景知识,计算快,耗时少,搜索效率高,对于有效地解决战场环境下飞行器的航迹规划有工程实用价值.