爬壁蠕虫机器人构型初探

根据松毛虫和尺蠖蠕动前行的特点以及仿生学原理,基于模块化思路分别提出了松毛虫和尺蠖爬壁机器人运动学构型.针对两种模型,讨论比较了它们的安全性和可用步态.通过分析松毛虫的蠕动步态和尺蠖步态,发现基于全主动关节驱动的松毛虫模型中存在冗余驱动问题.但由于松毛虫模型具有更多的可用步态,因此比尺蠖模型具有更高的安全性.这两种模型的样机由若干吸附模块和关节模块构成,以验证两种蠕虫机器人的爬壁能力.试验表明由于松毛虫机器人运动时存在冗余驱动,导致吸盘出现侧滑力,同时验证了尺蠖机器人在竖直壁面上的爬壁能力.为了进一步改进尺蠖机器人的吸附能力,采用了一种非对称的运动步态.     

一种爬壁机器人的动力学建模

City-Climber是1台爬壁机器人,为研究该机器人的3D路径规划问题,建立了City-Climber在方形房间内运动的运动学模型和动力学模型,该动力学模型包括3个子模型,机器人在地面、墙壁和天花板的运动分别用1个子模型描述.引入无量纲变量分别对3个子模型进行简化,再用Matlab软件对模型进行仿真,验证了动力学模型的正确性.该模型可用于解决City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题.     

一种爬壁机器人的动力学建模

City-Climber是1台爬壁机器人,为研究该机器人的3D路径规划问题,建立了City-Climber在方形房间内运动的运动学模型和动力学模型,该动力学模型包括3个子模型,机器人在地面、墙壁和天花板的运动分别用1个子模型描述.引入无量纲变量分别对3个子模型进行简化,再用Matlab软件对模型进行仿真,验证了动力学模型的正确性.该模型可用于解决City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题.     

影响负压爬壁机器人性能的关键因素分析

介绍了一种基于负压吸附方式的小型爬壁机器人.详细介绍了机器人的负压发生装置,并根据负压控制过程中经历的负压形成和负压保持两个过程定性的分析了风机转速与负压值之间的关系,同时找到了密封气囊与壁面之间的间隙高度是影响机器人吸附稳定性的关键因素.在满足机器人稳定吸附的前提下,从能耗的角度分析了机器人密封气囊和驱动轮之间的压力分配关系,得到负压值、压力系数、机器人质量、密封气囊摩擦系数以及驱动轮摩擦系数之间的关系.从转弯性能的角度分析了机器人的移动机构.最后通过实验验证以上理论推导.     

仿生爬壁蠕虫运动步态控制算法

设计了一种基于仿生原理的爬壁蠕虫机器人,分析了这种机器人的结构,并利用仿生学原理设计了基于三角波和梯形波特点的两种运动步态.在分析现有神经中枢控制CPG(Central Pattern Generator)算法基础上,应用循环抑制CPG模型和相互抑制CPG模型,构建了爬壁蠕虫机器人的三角波步态CPG控制网络和梯形波步态CPG控制网络,并结合吸盘状态,加入反馈信号,实现了带有反馈的CPG控制算法.利用爬壁蠕虫机器人模型,仿真验证了这种控制算法对蠕动运动步态控制的有效性,通过在爬壁蠕虫机器人原理样机上的步态实验,证明了该算法的可行性.     

机器人预见控制方法的研究

提出了一种机器人高精度路径控制的有效方法－－以面积误差作为评价函数的预见控制方法。该方法从目标路径与实际路径之间的面积误差评价函数值最小化观点出发，运用逐次最优化原理来求取最优预见控制输入，它的特点是在每一采样时刻都要更新反馈系数和预见前馈系数，由于这些系数都是离线计算，因此并不影响实时控制速度，最后，通过实际机器人仿真，结果表明，该方法对于满足机器人高速度、高精度的要求是行之有效的。     

基于混合整数线性规划的爬壁机器人路径规划

为研究City-Climber爬壁机器人在3D建筑物环境中的路径规划问题,基于混合整数线性规划(MILP,Mixed Integer Linear Programming),提出了一种适用于City-Climber的路径规划方法.为了用MILP方法解决避障问题,首先用限制机器人控制输入的方法对City-Climber的数学模型进行解耦和线性化,再介绍了用MILP方法对控制输入进行描述的数学表达式,并提出了适用于爬壁机器人的新型代价函数,最后以一个方形房间为运动环境,用AMPL和CPLEX优化软件,以及Matlab软件解算路径规划问题.仿真结果表明:MILP方法较好地解决了City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题.     

基于混合整数线性规划的爬壁机器人路径规划

为研究City-Climber爬壁机器人在3D建筑物环境中的路径规划问题,基于混合整数线性规划(MILP, Mixed Integer Linear Programming),提出了一种适用于City-Climber的路径规划方法.为了用MILP方法解决避障问题,首先用限制机器人控制输入的方法对City-Climber的数学模型进行解耦和线性化,再介绍了用MILP方法对控制输入进行描述的数学表达式,并提出了适用于爬壁机器人的新型代价函数,最后以一个方形房间为运动环境,用AMPL和CPLEX优化软件,以及Matlab软件解算路径规划问题.仿真结果表明:MILP方法较好地解决了City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题.     

脑外科机器人视觉伺服研究

定位精度是脑外科机器人系统一个最重要的指标.提出了利用视觉伺服提高脑外科机器人系统定位精度的方法.根据机器人辅助脑外科手术的特点,选择基于位置的末端点闭环的视觉伺服方式,提出了一种利用机器人运动信息对机器人的特征点进行视觉跟踪定位的稳定可靠的方法.针对病人体内病灶点在摄像机图像中不可见的问题,推导了脑外科机器人系统的视觉伺服控制律.采用视觉伺服的方法后,系统定位精度有了很大提高,系统定位误差主要由靶点映射误差引起,受机器人绝对定位误差的影响不大.手术过程模拟和定位精度测试验证了该方法的有效性.      

面向复杂曲面的爬壁机器人机构及运动学分析

针对表面附有轨道的复杂曲面,提出了一种能够沿轨道移动的爬壁机器人机构.由于环境约束的复杂性,提出了功能分离的模块化机构设计思想,将机器人的功能划分为攀爬及姿态调整和沿轨道移动两种功能,并相应地设计了两套运动机构.四足爬行机构实现机器人的攀爬及姿态调整功能;轮轨机构完成沿轨道快速移动功能.对抓持与姿态调整运动进行了详细分析,并以球形曲面为例,得出相关关节控制变量的解析表达式.定性地分析了机构在其它曲面下,相关关节的变化形式.理论分析及设计实例表明机构对布有轨道的复杂曲面具有较好的适应性.     

大型不规则曲面加工机器人系统控制设计

对在不规则曲面上进行规则图形的加工,基于三自由度直角坐标机器人及二自由度变位机的加工系统,构造了控制软件系统.该系统实现了工程数据库的管理,加工序列的规划,切削路径的生成,自动离线编程与仿真,实时监测与异常处理,工况预测与误差补偿等功能.试验证明,该控制软件能准确、有效、实时地控制加工过程.      

一种脉宽调制式舵系统舵机模拟器设计方法

针对脉宽调制式舵系统放大器电性能高效测试的问题,提出了一种基于移相脉冲计数的舵机模拟器设计方法。该模拟器硬件由电平转换单元、PWM占空比采集单元、数字PID控制单元和DAC单元四部分组成,软件主要采用移相脉冲计数法和数字PID控制算法,实现了对真实舵机电性能的替代。同时,由单通道扩展的多通道模拟器的应用,能够大幅节约舵机放置空间,缩短研制周期,在短时间内实现PWM放大器电性能大批量测试的目的。试验结果表明,该舵机模拟器能够模拟真实电动舵机的电性能特性,具有实时性好、测试效率高、操作性好的优点,且具有较高的应用价值。     

单相Z源逆变器控制策略

提出了一种单相Z源逆变器控制策略,该策略由Z源网络电压控制环、交流侧电压瞬时控制环和直流侧电压纹波前馈控制环3部分组成.由于Z源阻抗网络存在非最小相位效应,因此在Z源网络电压闭环控制基础上引入了交流侧瞬时控制,使逆变器获得了较快的响应速度.针对负载较重时Z源网络输出电压波动大的问题,通过电压纹波前馈控制修正调制比,有效抑制了直流侧电压纹波对交流侧的影响,提高了输出交流电压的波形质量.仿真及实验结果均证实了所提出的控制策略的有效性.     

阀控电液位置伺服系统非线性鲁棒控制方法

为了解决电液伺服跟踪控制中存在流量非线性以及参数不确定问题,以阀控液压马达为对象设计了一种非线性鲁棒控制器.该算法基于Back-Stepping的设计思想,将阀控电液系统的位置跟踪问题转化为系统负载流量规划问题,仅需一步反步递推,即可完成控制器设计,具有较强的工程实用性.该算法综合考虑了制约电液位置系统跟踪精度的流量非线性以及系统参数不确定性问题.理论证明了该算法的稳定性.通过和传统PID(Proportional-Integral-Derivative)控制器的对比试验表明,基于该控制器,系统跟踪性能得到了显著提升.     

航空供电系统交流负载的半实物仿真技术

为方便航空供电系统交流负载用电性能的研究,提出了交流负载的半实物仿真技术.以电压型脉冲宽度调制整流拓扑结构和三相电流的解耦控制为基础,采用复合补偿结构保证快速性;增加一组桥臂为中线电流提供通路;在电网端加入滤波器滤除开关谐波以得到更真实的负载特性.交流负载的半实物仿真技术在115 V,400 Hz的航空电源系统中实现了网侧电流跟踪上位机数字仿真后的给定电流的功能,模拟了交流负载的功率因数、电流谐波和不平衡性的动态变化过程.通过仿真实验结果表明了提出的半实物仿真技术的精度和快速性都达到了要求,为航空供电系统交流负载用电性能的研究提供了工具.      

非连续系统控制的研究

综述Ｂａｎｇ－Ｂａｎｇ控制、变结构控制、模糊控制、ＰＷＭ及ＰＣＭ（脉冲码控制）等非连续系统控制的原理及设计方法与近期研究成果，这些控制方法简化了机械结构并可达到复杂的控制，故具有广阔的应用前景。     

基于(w,z)参数化的微小卫星喷气欠驱动控制

针对欠驱动微小卫星的姿态稳定问题,提出了基于( w,z )参数化的稳定控制方案.( w,z )参数化是一种新的姿态描述方法,它通过两次垂直的旋转来表示卫星的姿态,补充了一次旋转的四元数法和三次旋转的欧拉角法等姿态描述的完整性.采用( w,z )参数化法建立了微小卫星的运动学和动力学模型,并设计了旋转轴稳定、角速率稳定以及姿态稳定等控制律,应用于非对称欠驱动卫星的稳定控制.以采用PWM(Pulse Width Modulation)技术的微型喷气系统作为执行机构进行欠驱动控制的仿真实验,表明了所提出控制方法的有效性.     

气动式座舱压力调节系统稳定性的分析与优化

为了解决气动式座舱压力调节系统装配飞机时出现的座舱压力波动现象,分析了座舱压力控制系统的组成,根据余压段实际参与压力调制的组件,对控制系统进行了简化,以此为例分析系统的稳定性。首先对系统中的非线性环节进行了详细分析,得到其描述函数和负导描述函数曲线。比较了小孔-气容结构在常压、小幅充放气条件下的过渡过程,发现在该使用条件下的充放气时间基本相等,据此将小孔-气容结构的传递函数建模为一阶环节,指出了二者的相同及不同之处。使用描述函数的方法对系统的稳定性进行判断,提出了实现稳定的可行性方法。全物理仿真结果表明,使用该方法可使座舱压力调节系统的性能达到规范所要求的指标。      

航天器精确节能模糊脉冲调宽控制器的设计

为实现航天器精确、节能的姿态或轨道控制,提出一种采用脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation)与模糊比例微分PD(Proportional Differential)控制相结合的模糊PD-PWM控制器.其中PWM能将开关型控制转化为相应的精确线性控制,而模糊PD控制在能量消耗限制不同情况下可实现两种快速、节能的控制过程.在分析大气层外拦截器EKV(Extra-atmospheric Kill Vehicle)处于目标捕获和末制导阶段对姿控系统的不同性能要求的基础上,以EKV姿控系统为例介绍了模糊PD-PWM控制器的设计和优化过程.说明了模糊PD控制器隶属度函数的设计、待优化参数的选择以及模糊控制规则的设计,重点叙述了遗传算法GA(Genetic Algorithms)中适应度函数的设计方法,并对隶属度函数进行了优化.仿真结果证明优化后的控制器能满足EKV不同阶段姿态控制要求,具有精确、节能的特点.      

电液负载敏感位置伺服系统自抗扰控制方法

针对电液负载敏感系统中泵阀控制的耦合问题,提出了一种基于自抗扰算法的解耦控制方法。首先,根据系统原理建立了负载敏感系统的状态空间模型。其次,针对阀控和泵控子系统分别设计了位置自抗扰控制器（ADRC）和压力自抗扰控制器,将2个系统间的动态耦合作用以及外部干扰和不确定性视作总扰动进行估计并给予补偿。最后,基于AMESim和MATLAB联合仿真平台进行了仿真分析。结果表明:所提的控制方法能够消除阀控子系统和泵控子系统的强耦合作用,提高系统的控制精度和鲁棒性。另外,在动态性能和节能效率方面与纯阀控和泵控系统进行对比分析,仿真结果表明:基于自抗扰控制的负载敏感系统的动态性能优于泵控系统,系统能效相对于阀控系统也有较大提升。