基于PSO的空间机械臂轨迹规划技术研究

研究机器人的机械臂轨迹优化问题,空间机器人系统的机械臂和基座之间存在动力学耦合,基座姿态稳定性容易受到机械臂运动的反作用干扰.为了使空间机器人系统的姿态稳定性不受的影响,提出了一种基于PSO(粒子群优化算法)的参数化5-3-5轨迹规划方法.利用PSO的优化能力找到合适的参数组合,进行关节空间轨迹规划.通过对比实验,运用动力学仿真对方法的有效性进行了验证.仿真结果表明,方法规划出的轨迹运动光滑,且按段轨迹运动机械臂对基座姿态的扰动符合预期要求,证明规划轨迹的有效性.     

路网约束下异构机器人系统路径规划方法

由无人机(Unmanned aerial vehicles, UAV)和地面移动机器人组成的异构机器人系统在协作执行任务时,可以充分发挥两类机器人各自的优势.无人机运动灵活,但通常续航能力有限;地面机器人载荷多,适合作为无人机的着陆平台和移动补给站,但运动受路网约束.本文研究这类异构机器人系统协作路径规划问题.为了降低完成任务的时间代价,提出一种由蚁群算法(Ant colony optimization, ACO)和遗传算法(Genetic algorithm, GA)相结合的两步法对地面机器人和无人机的路线进行解耦,同时规划地面机器人和无人机的路线.第1步使用蚁群算法为地面机器人搜索可行路线.第2步对无人机的最优路径建模,采用遗传算法求解并将无人机路径长度返回至第1步中,用于更新路网的信息素参数,从而实现异构协作系统路径的整体优化.另外,为了进一步降低无人机的飞行时间代价,研究了无人机在其续航能力内连续完成多任务的协作路径规划问题.最后,通过大量仿真实验验证了所提方法的有效性.     

柔性仿生爬壁机器人控制系统研究

通过对壁虎运动机理以及柔性脚掌结构的理论分析和实验研究,文中提出一种新型柔性仿壁虎爬壁机器人的控制方法,该控制系统采用以MCU为核心控制器的分布式系统,依据精确的步态规划实现了机器人的稳定爬行,在实验环境下通过实物样机验证了该方法的可行性和有效性.     

焊接机器人运动学分析

为了研究焊缝轨迹跟踪的方法,以实验室专用HP-6焊接机器人系统为对象,对该机器人焊接系统进行了运动学分析.通过建立机器人焊接系统坐标系,导出机器人本体运动学方程和焊丝端头工具矢量齐次变换矩阵.接着,分析了焊接系统闭环运动学,求出机器人本体运动学逆解,从而得到机器人末端空间位姿.最后,通过试验分析,给出了机器人焊接系统整体运动方程.该方程为后续的焊缝轨迹规划提供可依据的数学模型,也为开展更深层次的机器人焊接系统智能化研究提供了可靠的运动学依据.     

基于LabVIEW的空间机器人通信协议集成研究

针对空间机器人,采用气浮台方式作为地面试验平台。空间机器人气浮式地面试验平台复杂度高、仿真性能要求严格,涉及众多仿真软硬件和多个分系统,如何实现各分系统、多个仿真软件及不同通信协议的集成将是一项极具挑战性的难题。详细分析了空间机器人气浮式地面试验平台中的集成需求,重点研究了通信协议集成,使用虚拟仪器软件框架（VISA）和数据整合等方式实现TCP/IP、CAN、RS232等不同的通信协议之间的集成。最后通过仿真试验对集成技术的运用进行验证,仿真结果表明该集成技术完全能够实现不同通信协议之间的集成,为下一步空间机器人气浮式地面试验提供支撑。     

脉冲推力作用下半被动双足机器人的行走动力学分析

为了提高半被动双足机器人在水平地面上行走的稳定性,研究一种脉冲推力作用下半被动双足机器人的行走动力学行为.以最简单的特殊行走模型为动力学模型,采用支撑腿脚后跟脉冲推力作为双足机器人行走动力源.鉴于系统模型的高度非线性,将连续阶段的非线性微分方程线性化;利用角动量守恒和脉冲推力构造一个二维离散映射;采用离散映射的不动点及其特征值分析系统周期步态的存在性和稳定性;接着讨论系统的倍周期分岔.在理论分析的基础上,通过Matlab软件对半被动双足机器人的行走动力学进行仿真实验. 仿真结果表明,在水平地面上行走的半被动双足机器人具有稳定的周期-1步态和周期-2步态.     

空间绳系机器人大角度姿态机动控制

空间绳系机器人在非合作目标捕获/操作方面应用前景十分美好.研究绳系机器人优化控制问题,针对系绳干扰和大角度测量误差下的大角度姿态机动控制难题,建立包括运动学/动力学模型、执行机构模型、干扰模型的空间绳系机器人大角度姿态机动模型,并在Lyapunov原理的指导下,基于动态RBF神经网络理论和自适应控制理论设计了四元数反馈控制器,并进行仿真验证.仿真结果表明,机器人姿态机动速度快,稳态精度高,能够满足空间绳系机器人下一步操作的需求,为空间绳系机器人的精确操作提供了依据,为未来在轨服务技术的发展奠定理论基础.     

蚁群算法在移动机器人路径规划中的仿真研究

研究移动机器人路径规划问题.移动机器人路径规划是一个多目标优化问题,由于避障定位要求,传统机器人路径规划优化方法存在算法复杂、搜索空间大和效率低等难题,难以获得最优解.为了提高机器路径规划的效率和定位准确性,提出了一种蚁群算法的移动机器人路径规划方法.蚁群算法的路径规划方法首先采用栅格法对机器人工作环境进行建模,然后将机器人出发点作为蚁巢位置,路径规划最终目标点作为蚁群食物源,通过蚂蚁间相互协作找到-条避开障碍物的最优机器人移动路径.仿真实验结果证明,蚁群算法的路径规划方法提高了机器人路径规划的效率,能在最短时间找到机器人路径规划最优解,且能安全避开障碍物,为优化设计提供了依据.     

柔性蠕动管道机器人的牵引力及软轴结构稳定性分析

为解决柔性蠕动管道机器人的运动控制问题,提高机器人管内行走效率,对一种具有导向头和刹车轮结构的柔性蠕动管道机器人进行了深入分析和研究.通过对机器人进行管内受力分析,建立起机器人的牵引力模型;为提高机器人在不同管道环境中的运动性能,对软轴结构的运动稳定性进行了分析,提出了机器人蠕动运动失稳的概念,并采用长柱体的稳定性理论进行分析,推导出机器人在直管和L型管道中的临界失稳条件,为柔性蠕动管道机器人步距规划提供了理论依据.搭建管道实验环境进行机器人的牵引力和行走实验,测试值与理论分析基本一致,说明柔性蠕动管道机器人具有优良的牵引能力,行走过程中的运动失稳现象也验证了软轴临界失稳理论的正确性.     

理疗师交互下的下肢康复训练机器人个性化步态规划方法

针对偏瘫患者的个体差异及病况差异,提出了一种理疗师交互下的下肢康复训练机器人步态规划方法,在理疗师-减重悬吊式康复训练机器人-患者三者共存的复杂环境中,理疗师穿戴主控外骨骼直接行走实现步态时空参数规划,并融入理疗师的医学经验及对患者的评估.首先,基于旋量理论建立运动学模型,实现理疗师空间与机器人空间的运动映射;然后,统一规划机器人关节运动轨迹、减重机构重心调整轨迹及跑步机步速.最后,通过理疗师步态参数的实时采集、运动映射实验及机器人轨迹跟踪实验,验证了步态时空规划方法的有效性.结果表明,髋、膝关节规划角度在人体关节活动范围内,速度变化平稳,关节轨迹规划和重心调整规划均符合人体行走的生理特性.理疗师的参与实现了渐进康复训练中的个性化步态规划.     

基于超二次曲线障碍描述的航天器交会对接地面实验研究

航天器交会对接技术是众多空间任务得以开展的关键性技术,在进行空间在轨飞行任务之前,需开展相应的地面实验研究.首先,基于二维交会对接模型,提出了一种基于势函数法的交会对接控制方法.其次,考虑与类矩形障碍物的避撞约束以及与心形目标航天器的安全对接区域约束,并采用超二次曲线去描述该障碍物外形.然后,基于花岗岩气浮平台搭建了二维交会对接地面实验系统,设计了航天器气浮模拟器以及电磁对接机构,并开展了交会对接地面实验研究.实验结果表明了所搭建实验系统的可行性,同时也验证了所提出交会对接控制方法的有效性.     

大型临近空间等离子体真空环境模拟技术研究

航天器在轨运行时会因与空间等离子体之间的相互作用而影响其在轨运行的可靠性,进而影响航天器各项性能。通过传统空间飞行的方法进行研究分析,其代价巨大且不易实现,而采用地面真空环境模拟系统来进行模拟试验具有不可替代的优势以及重要意义。通过对组成等离子体环境模拟系统的真空容器、真空获得以及测控等三个子系统进行结构设计、仿真分析和数值计算等研究分析,结果表明：当真空容器的最大应力为113.2MPa,最大变形为0.59mm时,容器的结构稳定性可以满足模拟试验的要求;真空获得系统的抽气时间可满足试验需求;测控系统的结构设计以及人机交互性能满足试验过程中的使用需求。     

On-orbit system identification experiments on Engineering Test Satellite-VI

On-orbit system identification experiments were performed using the Engineering Test Satellite-VI (ETS-VI), launched in 1994. The purpose of the experiments is to check the validity of a mathematical model for ETS-VI which was previously obtained by ground experiments. Two kinds of system identification schemes are utilized. One is a traditional scheme based on polynomial black-box models such as the prediction error method, and the other is a subspace method based on state-space models. The purpose of this paper is to compare these system identification schemes using experimental data. It will be shown that the subspace method proves to be promising for the system identification of large space structures typified by ETS-VI.     

Remote control of space robots

A method for the remote control of a space robot is proposed for the case of large delays in the transmission of control signals from the Earth to the local robot control system and in feedback signals. The method involves the use of the model of the space robot and its current environment with the simulation of gravity conditions at the ground control center. In this model environment, the operator should carry out the required actions by controlling the space robot model in the master-slave mode using an arm with six degrees of freedom capable of reflecting the interaction force of a model robot working tool with models of the objects of the environment. The arm movement trajectory and the law of time variation of the reflected interaction force vector are program-based for the local space robot control system and should be executed by it upon reception from the ground control center. The robot’s possible erroneous actions generated by the inevitable inaccuracy of the environment model are compensated by the proposed method of programmed trajectory correction. In accordance with it, in order to generate correction signals, additional information received from different sensors is used. These sensors can be installed on both the model and space robot itself. This information includes data on the mutual position of a robot’s working tool and models of the objects of the environment, as well as on the interaction forces between them. The paper presents a detailed theoretical justification of the proposed approach and experimental results that confirm the theoretical conclusions.     

城市地下管网增强现实系统研究

针对地下管网管理系统存在的管道图空间沉浸感不强,施工监控和碰撞检测等决策不灵活,地面建筑模型数据存储和渲染的问题,设计了城市地下管网增强现实系统。通过高精度定位服务来加载管道数据,采用七参数坐标转换方法将管道的经纬度坐标转换成Unity3D的数据;利用ARCore实现了管道模型的虚实融合;使用视觉惯性测距（Visual Inertial Odometry,VIO）算法实现对移动设备的跟踪。实验结果表明,该系统可实现管道模型与现实场景相融合,多方位实时查看,实时交互等功能,增强了管网管理的空间决策支持能力,降低了海量地面建筑数据处理的难度。     

空间站科学实验载荷通用地面检测系统设计

目前空间站各科学实验载荷地面检测系统不通用,同时在轨开展实验可调参数众多,且天地数据交互存在延时,使得在轨实验耗时长.为解决上述问题,提出了一种基于Qt、SQLite3、Python的通用地面检测系统设计.采用了软件模块化思想,通过修改配置文件满足不同科学实验载荷的地面测试需求.同时该设计基于人工智能技术,通过遥科学手段与在轨载荷实时通信,将载荷的科学实验当作黑盒函数,利用遥科学回传的实验结果来构建目标函数.运用神经网络算法拟合科学实验、SciPy调用L-BFGS-B预测参数的方法优化载荷的在轨实验.目前该设计已在空间站超冷原子实验和空间站高精度时频柜冷原子微波钟实验设备的地面调试中开展应用,预计载荷在轨开展实验后,能将在轨调试参数的时间从数个月缩短至几周内完成.     

基于单目视觉的室内机器人障碍检测方案

为提高室内移动机器人障碍物检测能力,提出了一套基于单目视觉的检测方案。该方案首先对拍摄的图像进行色度、饱和度、亮度(HSI)颜色空间转换;然后,针对室内图像中目标和背景的分割,提出了小目标阈值选取法,提高了特定环境下图像分割的准确性;最后,用目标场景匹配法和目标投影匹配法相结合,计算分割后目标像素的变化和投影的变化,从而判别出目标是具有高度的障碍物还是地面图形。实验结果表明该方案的有效性和可行性,可为室内小型移动机器人提供良好的导航信息。     

Photogrammetric processing of high-resolution airborne and satellite linear array stereo images for mapping applications

This article introduces a mathematical model for photogrammetric processing of linear array stereo images acquired by high-resolution satellite imaging systems such as IKONOS. The experimental result of the generation of simulated IKONOS stereo images based on photogrammetric principles, IKONOS imaging geometry and a set of georeferenced aerial images is presented. An accuracy analysis of ground points derived from the simulated IKONOS stereo images is performed. The impact of the number of GCPs (ground control points), distribution of GCPs, and image measurement errors on the ground point accuracy is investigated. It is concluded that an accuracy of ground coordinates from 2 m to 3 m is attainable with GCPs, and 5 m to 12 m without GCPs. Two data sets of HRSC (high resolution stereo camera) and MOMS (modular opto-electronic multispectral stereo-scanner)-2P are also utilized to test the model and system. The presented data processing method is a key to the generation of mapping products such as digital terrain models (DEM) and digitial shorelines from high-resolution satellite images.     

Virtex-5系列SRAM型FPGA单粒子效应重离子辐照试验技术研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下易发生单粒子效应,影响星载设备正常工作甚至导致功能中断的问题,开展了SRAM型FPGA单粒子效应地面辐照试验方法研究,提出了配置寄存器和BRAM的单粒子翻转效应测试方法,并以Xilinx公司工业级Virtex-5系列SRAM型FPGA为测试对象,设计了单粒子效应测试系统,开展了重离子辐照试验,获取了配置寄存器、BRAM以及典型用户电路三模冗余前与三模冗余后的单粒子翻转效应试验数据和器件单粒子闩锁试验数据,最后利用在轨预示分析软件针对高轨环境进行了在轨翻转率分析计算,可为该器件的空间应用辐射敏感性分析提供基础数据与加固设计指导。     

基于Matlab的越野汽车非线性悬架系统仿真

建立了考虑刚度和阻尼非线性的两自由度越野汽车悬架系统的仿真模型。用谐波叠加法构成的路面不平度作为路面激励,并利用半波正弦信号模拟越野汽车通过半圆形路障时的激励,在这些激励下,用数值方法获得了车身加速度,车轮动载,悬架动挠度的响应以及冲击作用下车身加速度的模拟响应。根据随机振动理论谱估计方法,由输入输出信号获得非线性悬架系统传递函数的数值解。以此为基础分析了非线性悬架系统在不同行驶工况下的表现出的传递特性的差异。