仿生水下机器人运动控制方法研究

近年来仿生技术在水下机器人上的应用已经成为水下机器人的重要研究方向之一。仿生水下机器人采用尾鳍提供前进动力和改变航向，比传统的桨舵具有高效性和高机动性。本文根据仿生水下机器人水池试验结果讨论了其运动性能，并在此基础上提出了仿生水下机器人运动控制方法，最后通过仿真试验验证了该方法的可行性。运动控制研究，是仿生水下机器人其它使命的基础，具有重要的意义。     

一种高效的开放式关节型机器人3D仿真环境构建方法

提出了一种高效地构建开放式的机器人3D仿真环境的方法.该方法以Matlab软件为平台,充分结合Pro/E等3D实体设计软件、Matlab机器人工具箱和Matlab 3D动画技术建立可视化程度高、细节显示逼真的机器人3D仿真研究平台.以应用广泛的VA1400弧焊机器人为例,详细介绍了机器人3D仿真模型的建立、仿真实体的数据导入和仿真系统的3D动画演示等步骤,最终得到一个系统软件开放程度高、可视化效果逼真的机器人3D仿真环境.给出了仿真系统的部分显示效果,验证了本方法的有效性.     

基于深度强化学习的欠驱动仿生机器鳗鱼控制研究

水下仿生机器人具有高效率、高机动性、低噪声等优点,针对仿生机器鳗鱼存在设计复杂、控制难度大等问题,该文提出了一种新型欠驱动机器鳗鱼的控制方法。首先,基于主动加被动的仿生机构推进原理,设计了两段主动体与两段被动顺从体相结合的机器鳗鱼仿生机构;然后,在仿真环境中进行建模,利用深度强化学习算法进行数据收集和训练,选择表现良好的神经网络在仿真环境中进行控制测试,从而得到机器鳗鱼的控制函数;最后,通过对比实验,验证了该文设计方法的可行性以及控制函数的有效性,实现了对机器鳗鱼的控制。     

自主水下机器人深海热液羽流追踪仿真环境

提出用自主水下机器人(autonomous underwateer vehicle,AUV)基于仿生行为追踪深海热液羽流,进而快速、精确定位海底热液喷口;并针对AUV追踪深海热液羽流的仿生控制策略研究需要,设计、实现了一个计算机仿真环境.首先介绍了基于AUV的深海热液羽流追踪和该仿真环境的模块化构成,然后给出了仿真环境中的流场和羽流仿真模块所采用的仿真模型及其高效的数值求解算法,和为便于蒙特卡洛仿真而设置的一组随机初始条件和边界条件,以及介绍了控制系统仿真模块采用的一种基于行为的模块化的AUV控制系统体系结构.该仿真环境体现了AUV追踪热液羽流的仿生控制策略研究的问题复杂性因素,包括流场非均匀和非定常,羽流分布不规则、不连续、空间尺度大,羽流轴线弯曲,以及羽流含有浮力上升部分和包含非守恒示踪物质,并且具有较好的可视化效果.同时,该仿真环境具有较高的计算效率,适合于实时仿真和蒙特卡洛仿真研究.分析和演示表明,该仿真环境满足研究需要,为AUV追踪深海热液羽流的仿生控制策略研究提供了有力的支持.     

基于大地形管理的水下机器人视景仿真系统

研究水下机器人视景系统优化设计,针对水下机器人的航行环境具有不可接近性和未知性的特点,为创建水下海洋生物和可观世界环境,利用虚拟的计算机仿真环境作为水下机器人初期调试的“平台”具有十分重要的意义.建立了基于大地形管理的水下机器人视景仿真系统.有关大地模型建立、场景效果等,利用函数变量方法自定义机器人运动引擎,采用粒子系统仿真了机器人尾流流场和低噪音的实现.依托软件平台MultiGen Creator和Vega,利用Vega与Visual C++混合编程实现LADBM模块的大地形管理,进行仿真验证.仿真结果表明,视景仿真系统逼真地再现了水下机器人在大范围区域探测目标及自主航行的过程,有效地解决了水下机器人长距离自主航行视景仿真中的大地形管理问题.     

软体机械臂水下自适应鲁棒视觉伺服

水下仿生软体机器人在水底环境勘测,水下生物观测等方面具有极高的应用价值.为进一步提升仿章鱼臂软体机器人在特殊水下环境中控制效果,提出一种自适应鲁棒视觉伺服控制方法,实现其在干扰无标定环境中的高精度镇定控制.基于水底动力学模型,设计保证动力学稳定的控制器;针对柔性材料离线标定过程繁琐、成本高,提出材料参数自适应估计算法;针对水下特殊工作条件,设计自适应鲁棒视觉伺服控制器,实现折射效应的在线补偿,并通过自适应未知环境干扰上界,避免先验环境信息的求解.所提算法在软体机器人样机中验证其镇定控制性能,为仿生软体机器人的实际应用提供理论基础.     

水下机器人三维可视化控制系统

研究水下机器人可视化系统问题,由于海洋作业情况复杂,存在弱观测、大时滞环境中机器人的稳定性和实时性差,控制显得尤为困难。针对目前可视化系统开发难度大、周期长的缺点,提出了一种WPF技术的三维可视化系统的设计方案,包括3DSMAX几何建模,Expression Blend 2三维可视化实现和Visual Studio 2008控制代码设计。结果表明,采用改进的泛化图形环境的方法为水下机器人可视化系统的实现提供了一种高效、简易的途径。经水池实验证明,系统能够对水下机器人进行实时可视化显示并完成操控任务。     

基于增强学习控制器的仿生水下机器人姿态镇定研究

仿生水下机器人是水下机器人领域的一个重要研究方向;利用增强学习控制器对仿生水下机器人的姿态镇定问题进行了研究;增强学习控制器主要由回报函数、学习样本数据库、神经网络、动作选择以及Q学习算法等模块构成,可通过直接与环境交互生成最优动作选择策略;镇定仿生水下机器人的偏航角姿态镇定的仿真试验表明,增强学习控制器在偏航角姿态镇定方面的性能较为理想;学习样本数据库的引入显著提升了增强学习控制器的姿态镇定性能;学习样本数据库的容量对学习性能存在较大影响。     

四足仿生机器人单腿系统

为实现四足仿生机器人动步态行走,设计一款基于液压驱动方式的机器人仿生单腿系统.首先,在四足哺乳动物肌肉-骨骼结构分析的基础上,确定了机器人单腿的自由度配置;其次,通过机器人在平坦路面上的行走运动仿真,获得关节输出特性;随后,在仿真研究的基础上,完成了关节驱动机构设计、液压驱动器选型、4自由度单腿设计以及控制系统设计;最后,搭建单腿子系统性能测试平台,并完成了单腿纵向弹跳实验.弹跳实验验证了机械结构和控制系统设计的正确性和相关控制算法的有效性.     

基于MSC Adams的肌肉驱动可视化模型设计与实现

根据肌肉驱动机理提出1种简单高效的仿生机器人驱动技术,基于Hill力学模型,参考CHENG等建立的“虚拟肌肉”,设计1种在计算机环境下可视化的肌肉驱动模型.该模型应用MSCAdams的二次开发技术完成肌肉建模插件的开发;解决宏命令调用、参数传递、命名、动态显示、输出控制以及Simulink与MSC Adams联合仿真等问题;具有肌肉力学特征和三维可视化显示功能,可接受Matlab/Simulink控制系统联合控制,可耦合MSC Adams骨架机构进行多体动力学仿真,有助于在计算机环境下进行肌肉驱动机器人、仿生装置的设计和仿真.     

Reactive navigation of underwater mobile robot using ANFIS approach in a manifold manner

Learning and self-adaptation ability is highly required to be integrated in path planning algorithm for underwater robot during navigation through an unspecified underwater environment. High frequency oscillations during underwater motion are responsible for nonlinearities in dynamic behavior of underwater robot as well as uncertainties in hydrodynamic coefficients. Reactive behaviors of underwater robot are designed considering the position and orientation of both target and nearest obstacle from robot’s current position. Human like reasoning power and approximation based learning skill of neural based adaptive fuzzy inference system (ANFIS) has been found to be effective for underwater multivariable motion control. More than one ANFIS models are used here for achieving goal and obstacle avoidance while avoiding local minima situation in both horizontal and vertical plane of three dimensional workspace. An error gradient approach based on input-output training patterns for learning purpose has been promoted to spawn trajectory of underwater robot optimizing path length as well as time taken. The simulation and experimental results endorse sturdiness and viability of the proposed method in comparison with other navigational methodologies to negotiate with hectic conditions during motion of underwater mobile robot.     

基于LabVIEW的倒立摆控制系统的设计与实现

基于NI公司的PXI-1050工控机和PXI-7344运动控制卡,在LabVIEW环境下开发了直线二级倒立摆LQR控制系统的仿真与实时控制实验平台。该平台提供了LQR控制器的设计与仿真验证工具,以及实时监控环境,同时利用LabVIEW软件中的3D控件设计了可视化的人机交互界面。该平台可以为控制理论研究与教学提供良好的硬件在环实验环境,操作方便并且具有一定的开放性。     

An iterative linear quadratic regulator based trajectory tracking controller for wheeled mobile robot

We present an iterative linear quadratic regulator(ILQR) method for trajectory tracking control of a wheeled mobile robot system.The proposed scheme involves a kinematic model linearization technique,a global trajectory generation algorithm,and trajectory tracking controller design.A lattice planner,which searches over a 3D(x,y,θ) configuration space,is adopted to generate the global trajectory.The ILQR method is used to design a local trajectory tracking controller.The effectiveness of the proposed method is demonstrated in simulation and experiment with a significantly asymmetric differential drive robot.The performance of the local controller is analyzed and compared with that of the existing linear quadratic regulator(LQR) method.According to the experiments,the new controller improves the control sequences(v,ω) iteratively and produces slightly better results.Specifically,two trajectories,’S’ and ’8’ courses,are followed with sufficient accuracy using the proposed controller.     

基于模型预测—中枢模式发生器的六足机器人轨迹跟踪控制

为了模仿动物卓越的运动能力和环境适应能力,提出了六足仿生机器人的轨迹跟踪控制方法。首先建立了机器人的运动学模型,接着通过转向参数将机器人的速度和角速度与中枢模式发生器（CPG）参数结合起来,设计了转换函数。然后通过转换函数将模型预测控制器和CPG网络结合起来,提出了基于CPG的模型预测控制器（MPC-CPG）,并证明了其稳定性。最后对机器人跟踪圆周轨迹和直线轨迹进行了仿真和实验。实验表明,在有初始误差的条件下,机器人在MPC-CPG控制器的作用下能够快速地消除位置误差和航向角误差,跟踪上参考轨迹。轨迹跟踪的位置误差始终保持在-0.1～0.1 m,航向角误差保持在-27?～20?。在MPC-CPG控制器的作用下,机器人不仅具有较高的轨迹跟踪精度,同时还表现出良好的运动平滑性和协调性,进一步验证了所提出的MPC-CPG控制器的有效性。     

Single-actuator AUV performing 3-DOF motion

In this study, we aim to design, simulate and build an autonomous underwater robot with constrained number of control input. A one degree-of-freedom (DOF) input robot whose control output come in three-DOF underwater position is created and tested through simulation and experiment.

The robot has a tube-like shape with a vertical pathway inside for pushing water through using a motorized propeller as its only actuator, making ‘1-DOF input’. Despite constraining to one actuator, three different patterns of input by the difference of motor actuation are used to get various output underwater. When the motor rotates forward, the water is pushed upward and the robot moves downward. With backward rotation, the robot rotates around the vertical axis to change orientation. Lastly, when the motor stops, the robot floats with strong buoyancy. In addition, some weights are placed on its body for asymmetrical trajectory.

Following a formation of design and mechanism, a model is derived. A simulation is carried out to verify the ability of the proposed model. Then, a test robot is built and tested in a real water tank. Both the simulation and experiment results support the proposal, showing that the robot can travel in 3-DOF with the limited inputs.     

基于预测控制的非连续路段下移动机器人的轨迹跟踪

针对非连续路段下的轨迹跟踪问题,设计了基于观测型的预测控制器。首先建立了移动机器人的运动学模型,根据机器人的运动学模型得出了其位姿误差微分方程;然后在轨迹跟踪问题的基础上,设计了系统的观测模型,通过将预测控制器与系统的观测模型结合,设计了观测型预测控制器;最后再MATLAB环境下,利用本文所设计的控制器对移动机器人在非连续路段下的轨迹跟踪问题进行仿真,并将仿真结果与PID控制器控制的仿真结果进行对比,由仿真结果可以看出,本文所设计的控制器具有很好的鲁棒性、快速性及稳定性,可适用于移动机器人的轨迹跟踪的研究。     

Path planning of wheeled mobile robot with simultaneous free space locating capability

This paper presents a hybrid path planning algorithm for the design of autonomous vehicles such as mobile robots. The hybrid planner is based on Potential Field method and Voronoi Diagram approach and is represented with the ability of concurrent navigation and map building. The system controller (Look-ahead Control) with the Potential Field method guarantees the robot generate a smooth and safe path to an expected position. The Voronoi Diagram approach is adopted for the purpose of helping the mobile robot to avoid being trapped by concave environment while exploring a route to a target. This approach allows the mobile robot to accomplish an autonomous navigation task with only an essential exploration between a start and goal position. Based on the existing topological map the mobile robot is able to construct sub-goals between predefined start and goal, and follows a smooth and safe trajectory in a flexible manner when stationary and moving obstacles co-exist.     

Seamor300水下机器人的通信与控制系统

以Seamor300水下机器人为对象,研究水下机器人的通信协议和状态控制系统。控制技术是水下机器人研究的核心内容之一。Seamor300水下机器人通过RS485将机器人的运行状态的数据包传送到水面控制转换器,控制转换器再通过RS232与水面计算机实现通信;应用比例-积分-微分（PID）控制算法设计了水下机器人的状态控制系统,水池实验结果验证了控制算法的有效性。     

基于领航位置信息的AUV三维编队控制方法

研究了自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV）三维环境中编队控制问题,应用领航一跟随式队形控制方法,仅利用领航者的位置信息及期望编队队形得到虚拟机器人的航行轨迹及速度信息,作为跟随者的航行参考量,应用反步及滑模控制方法为跟随者设计自适应控制律,使其轨迹收敛于虚拟机器人的轨迹,从而与领航者保持期望位姿关系。随后,在具体AUV动力学模型上,利用MATLAB／SIMULINK平台进行了编队控制的仿真研究,实现了预期的控制效果,验证了算法的有效性及实用性。     

Maneuverability modeling and trajectory tracking for fish robot

This study develops a 6-DOF mathematical model for a robotic fish that considers surge, sway, heave, roll, pitch, and yaw. The model considers the conditions of a fish swimming in ocean current perturbations similar to the ocean current perturbations of the slender-body autonomous underwater vehicles. For swimming and turning behaviors, a nonlinear, dynamic, carangiform locomotion model is derived by using a planar four-link model. A 2-DOF barycenter mechanism is proposed to provide body stabilization and to serve as an actuating device for active control design. A barycenter control scheme is developed to change the center of gravity of the robot fish body by moving balancing masses along two axes. The projected torque on x and y axes propel pitch and roll angles to the desired settings. A Stabilizing controller, fish-tail mechanism, rigid body dynamics, and kinematics are incorporated to enable the fish robot to move in three dimensional space. Simulation results have demonstrated maneuverability and control system performance of the developed controller which is proposed to conduct path tracking of the robot fish as it swims under current perturbations.