混合驱动水下滑翔机动力学建模与海试研究

从能量的角度出发,引入黎曼几何和仿射联络,基于微分几何理论建立混合驱动水下滑翔机动力学微分几何模型。基于上述模型,分析混合驱动水下滑翔机系统驱动方式、姿态调节方式及其航行过程中所受外部力与力矩作用,同时针对目前所研制的混合驱动水下滑翔机纵垂面"之"字形剖面滑翔运动进行数值模拟分析,得到控制输入量与混合驱动水下滑翔机运动特性之间关系,并将数值模拟结果与南海试验数据进行对比,验证了该动力学微分几何模型的有效性,为改善混合驱动水下滑翔机系统设计及其动力学行为预报提供参考依据。     

基于强化学习算法的水下滑翔机路径跟踪研究

针对洋流影响下水下滑翔机实际路径与预定路径偏差较大的问题，在传统的长短期记忆网络模型的基础上引入注意力机制，建立了具有长短期记忆与注意力机制的神经网络洋流预测模型；利用深度神经网络生成水下滑翔机运动的动态Q表，并通过强化学习算法选择最优运动姿态，同时考虑洋流的影响，构造了基于深度强化学习的水下滑翔机路径跟踪算法。结果表明，基于注意力机制的长短期记忆网络相较于传统的整合移动平均自回归模型与长短期记忆网络，其洋流预测具有更小的均方误差与均方根误差，具有良好的预测能力；相较于传统的PID控制，深度强化学习模型可使水下滑翔机轨迹均方根误差降低50.9%,显著提高了路径跟踪精度。     

混合驱动水下滑翔机动力学特性与效率分析

混合驱动水下滑翔机是兼有浮力驱动和螺旋桨驱动两种驱动模式的新型水下自航潜器。通过建立混合驱动水下滑翔机在3种驱动模式下纵垂面内定常运动的动力学模型,研究了不同驱动模式下攻角、速度、滑翔角之间的关系,对不同驱动模式下驱动系统的能耗进行分析比较。结果表明,在相同净排量和相同滑翔落差条件下,混合驱动模式单位航程能耗值大于纯滑翔模式,而净浮力为零时的水平直航模式下能耗最少,并通过水域试验进行了验证。根据所得结论,面向不同的任务、海况等可选择不同的驱动方式来节约电量,对混合驱动水下滑翔机的设计与应用有一定的指导意义。     

水下滑翔机纵垂面变浮力过程建模与控制优化

基于国产水下滑翔机"海燕-Ⅱ"的结构特点和控制特征,考虑不同深度下的海水密度和压强对水下滑翔机运动的影响,建立了一种精确的水下滑翔机动力学模型.该模型将水下滑翔机的前后导流罩和其他可浸水部分的海水质量作为水下滑翔机本身质量的一部分,并将水下滑翔机的回排油过程作为变质量过程,将海水的深度变化对其浮力的影响过程作为变浮力过...     

微结构湍流测量水下滑翔机设计与试验研究

湍流测量对研究海洋微观和宏观运动具有重要作用,翼型剪切流传感器是目前观测海洋湍流的有效工具。水下滑翔机由于运动稳定,是翼型剪切流传感器的理想搭载平台,可为海洋湍流测量提供新的技术途径。通过面向翼型剪切流传感器与水下滑翔机的集成开展研究,完成海洋微结构湍流测量水下滑翔机的设计,并进行南海测试。考虑剪切流传感器工作要求和滑翔机运动特点,面向滑翔机测量系统进行翼型剪切流传感器装载的约束条件分析。研究翼型剪切流传感器的搭载方式和位置对湍流测量的影响,确定翼型剪切流传感器在滑翔机上的优化装载方案,并进行微结构湍流测量水下滑翔机运动特性分析。通过海域试验验证滑翔机整体测量系统的运动性能及湍流测量的有效性。     

基于分层结构的空间机械臂多约束任务规划

针对空间机械臂在轨环境复杂、约束繁多、任务多样的特点,提出了一种基于分层结构的多约束任务规划方法。将任务规划过程划分为任务剖面分析与任务中间点规划两个层次分别进行。根据空间机械臂的工作特点,提出一种采用状态矩阵结合状态掩码的工作环境表征方式。在此基础上,定义了三种空间机械臂原任务及其算子。基于分层任务网络(Hierarchical task network,HTN)进行任务剖面分析,将复杂任务拆解为原任务序列。系统梳理空间机械臂规划参数集,针对因各类约束条件导致无法直接执行的原任务,在考虑资源优化的同时利用改进的A*算法对原任务进一步划分为多段简单路径,并给出代价最小的任务中间点序列。以物体转移任务为例通过仿真试验验证了基于分层结构的空间机械臂任务规划方法的可行性与有效性。     

面向多运输任务的节能单负载AGV路径规划研究

节能路径规划已被证明是提高自动导引运输车(automated guided vehicle, AGV)使用过程能效,促进生产车间节能的一种可行方法。目前从路径规划角度开展的AGV能耗优化研究主要面向单项运输任务,很少涉及多项运输任务。为此,以单负载AGV为研究对象,建立了面向多运输任务,以运输距离和能耗为优化目标的节能AGV路径规划模型,进而提出了一种两阶段模型求解方法：阶段1针对各运输任务关联的负载运输阶段和可能的空载运输阶段进行节能路径规划,搜索其最优运输路径;阶段2利用非支配排序遗传算法确定最佳的运输任务执行顺序和各运输阶段的最佳运输路径。最后,案例研究验证了模型节能效果。     

基于代理模型的水下滑翔机机翼设计优化方法

在复杂工程系统的概念设计优化中,高精度数值分析方法得到广泛应用,将高精度数值分析与优化方法有机结合,对设计空间展开全面搜索与寻优,已经成为现代设计优化方法的重要发展方向。以水下滑翔机的概念设计为研究对象,引入代理模型,控制高精度分析试验的数量,有效地化解精度与效率之间的矛盾。将参数化几何建模、网格划分以及流体数值模拟分析集成为自动分析流程,并以此为基础采用试验设计理论,构建代理模型,解决水下滑翔机机翼的多目标设计优化问题。给出基于代理模型的设计优化过程,并系统地比较几种试验设计方法的适应性,重点讨论多项式响应面和径向基函数代理模型,所得代理模型相对误差小于2%。采用梯度寻优方法与遗传算法在给定设计空间内进行全面搜索,获得机翼的最佳平 面构形,水下滑翔机的升阻比提高6.76%,俯仰力矩的绝对值由0.276 0 N•m降低为0.001 5 N•m,提高水下滑翔机的运动性能。     

基于势场和运动约束的月面六足机器人路径规划算法

月球探测是我国航天工程的重要任务。受限于轮式月球车的运动能力,目前人类对月球的探测活动局限于较为平缓的月海地形,而六足机器人相较于月球车具备更优越的通过能力与冗余容错能力,在未来月面探测任务中有广阔的应用前景。针对我国未来月面探测任务需求和巡视及科学考察等目标,现有的六足机器人缺乏针对月面复杂地形环境的路径规划算法。为此通过分析月面地形,建立了二维月面仿真环境随机生成算法,并根据六足机器人运动学模型,分析路径规划问题中月面六足机器人的运动约束,结合人工势场方法,设计了月面六足机器人路径规划核心代价函数,提出了一种基于势场和运动约束的月面六足机器人路径规划算法,为我国未来极端星表环境下探测机器人研制提供技术基础。通过实验对比分析验证,相比于A^*算法和RRT算法,该算法规划路径短,运行效率高,相比于传统人工势场法,该算法具有更高的鲁棒性。     

基于模糊PID的欠驱动水下机器人路径跟踪方法研究

针对不同环境和任务下欠驱动水下机器人的路径跟踪问题进行相关研究,在分析水下机器人控制模型的基础上,基于视线法提出了一种欠驱动水下机器人路径跟踪控制方法。基于模糊控制算法,设计了一种模糊PID控制器,并将其应用于欠驱动水下机器人的艏向跟踪控制。采用PC104设计了水下机器人的控制系统,并给出了硬件结构框图。最后,对水下机器人路径追踪效果进行了仿真和试验,结果表明基于模糊PID控制器的欠驱动水下机器人路径跟踪控制方法可保证机器人沿规划路径航行,而且该控制系统具有较强的鲁棒性。     

水下滑翔器浮力驱动效率分析

水下滑翔器作为一种新型水下机器人系统,由于采用了浮力驱动技术具有续航能力大、效率高、噪声低等优点,对于海洋环境监测与资源探测具有重要的应用前景.基于此,对做匀速滑翔运动的水下滑翔器驱动能量进行分析,给出水下滑翔器驱动效率的概念,并推导水下滑翔器在考虑额外能耗与不考虑额外能耗这两种情况下浮力驱动效率的计算方法,进一步分析影响驱动效率的相关因素和提高驱动效率的途径.通过分析可知,机翼的升阻比与滑翔额外能耗是影响浮力驱动效率的两个主要因素,其中机翼的升阻比是影响驱动效率的最重要因素.为揭示驱动效率和机翼结构参数和机翼形式之间的关系,采用经验公式分析机翼展弦比、后掠角对机翼升阻比的影响,采用流体力学计算软件Fluent6.2对相同面积的不同形式机翼的升阻比进行数值计算.研究结果为水下滑翔器设计提供了依据.     

基于变质心控制的低速水下航行器动力学建模

针对水下滑翔机器人在低速运动过程中常规鳍舵低的问题,提出了通过设在航行器内部的3个滑动质量块运动,改变机器人动力学系统质心,从而改变了作用在机器人上的流体动力力矩,进而改变其姿态角,从根本上克服了常规的鳍舵控制方法的不足。本文基于广义d’Alembert方程推导了基于变质心控制的水下滑翔机器人的4刚体9自由度动力学方程,进行了纵平面下的弹道仿真。     

水下滑翔机低功耗控制系统实现

水下滑翔机是一种低噪声、长续航力的新型水下机器人,是一种有效的海洋环境测量平台。以水下滑翔机为研究对象,分析了水下滑翔机作业过程中的能耗组成,重点研究了水下滑翔机嵌入式控制系统。详细介绍了适用于水下滑翔机的低功耗控制系统的软硬件设计与实现。通过实验对水下滑翔机低功耗控制系统的有效性和稳定性进行了测试。     

Heading tracking control with an adaptive hybrid control for under actuated underwater glider

The underwater glider changes its direction to follow the preset path in the horizontal plane only by flapping its vertical rudder. Heading tracking control plays the core role in the navigation process. To deal with non-linear flow disturbance and saturation in actuator, a new hybrid heading tracking control algorithm was presented, which integrated an adaptive fuzzy incremental PID (AFIPID) and an anti-windup (AW) compensator to improve the adaptability and robustness of underwater glider's heading control. The dynamic model of an underwater glider named as Petrel-II 200 was modeled to serve as a controlled plant. The proposed heading tracking control algorithm was described in detail, where the rudder angle, a control quantum to the controlled plant were calculated to get forces and moments required for the desired glider heading. A closed loop motion control system with desired heading angle as input and actual heading angle output was put forward, which included the dynamic model of the Petrel-II 200 and the given heading tracking control algorithm. The simulations followed three typical mathematical signals and the experimental tests were carried out by taking in the dynamic parameters of the controlled plant. And the effectiveness of the proposed control algorithm was assessed and verified.     

面向操作可靠性提升的复合工业机器人运动规划

复合工业机器人的应用能够有效提升智能制造车间生产效率。而在其运动规划问题中,基于移动平台调整的机械臂初始站姿直接决定了目标任务是否能够可靠执行。为解决以上问题,提出一种考虑机械臂初始站姿的运动规划优化方法。基于前期基础,采用旋量描述和切片表征方法分别解决了复合工业机器人运动学建模和最小避障距离建模问题,为进行轨迹优化提供了模型基础;建立了最小化耗能当量和运动时间的运动规划优化模型,通过考虑初始站姿影响设计了包括移动运动参数、冗余关节角度和机械臂运动参数在内的混合优化变量集,同时考虑运动学约束和避障约束条件保证机械臂运动平稳性和安全性;结果表明,基于规划优化的复合工业机器人具有较高的操作可靠性。     

基于混合蜜獾算法的机械臂最优运动规划方法

针对六自由度机械臂末端执行器路径及关节空间下轨迹的规划问题,提出一种基于混合蜜獾算法和 3-5-3 分段多项 式插值的最优运动规划方法,实现机械臂末端执行器运动路径最短及关节运动时间最优,并有效降低优化路径与规划路径的差 异。 首先,以标准蜜獾算法框架为基础,在初始化、全局寻优与局部探索中采用混沌反向学习、转移算子、正弦余弦算子以及自 适应扰动系数策略,提高最优解质量与寻优能力,并据此设计机械臂末端执行器无碰撞、最短路径规划方法,引导关节轨迹规划 过程;其次,在关节空间下,利用混合蜜獾算法寻找各关节最优运动时间,在此基础上,利用 2 次 3-5-3 分段多项式插值算法, 在满足各关节位移、速度、加速度约束的条件下,完成机械臂关节平滑且时间最优的轨迹规划;最后,通过与其他规划方法仿真 对比,验证提出的方法能够使规划路径长度缩短,关节运动时间减少,优化路径与规划路径差异较小,并以 UR5 机械臂抓取实 验为例检验了该方法的可行性。     

基于Dijkstra算法的水下机器人路径规划

为了能够实现水下机器人ROV的作业要求,将其路径规划问题分为定深度二维最优路径和不定深度三维最优路径两部分,并分别采用多边形拟合和分层多面体拟合的方法建立障碍物模型,然后通过Dijkstra算法分别求出最优路径。本文用实例证明了该方法的正确性和有效性,从而为遥控水下机器人提供了路径指引和参考,实现了水下机器人从起始无碰撞到达目标点的路径规划,并为进一步实际应用奠定了理论基础。     

水下机器人-机械手系统的动力学分析

随着我国海洋开发事业的发展,水下机器人操作手在水下勘探、水下采矿、海洋石油工程等领域发挥着越来越重要的作用。本文提出了一种运用指数积公式和凯恩方程对水下机器人机械手系统进行了动力学建模的新方法。采用该方法可以在同一个坐标体系中描叙系统的运动学,而且在建立动力学模型中可以避免大量的求导运算,并可以得到最少数目的微分方程。模型中考虑了海水的拖曳阻力、机器人与机械手之间的相互作用、推进器推力等因素。研究表明指数积-凯恩方法是一种建立水下机器人-机械手的一种有效方法。     

基于控制变量参数化方法的自由漂浮空间机器人路径规划研究

针对自由漂浮空间机器人传统路径规划方法对基座卫星扰动较大的问题,提出了一种基于控制变量参数化的路径规划方法。该方法将路径规划问题转化成以基座姿态扰动最小为目标函数并满足一系列约束条件的最优控制问题,并采用控制变量参数化方法进行离散化处理,将最优控制问题转化成求解非线性规划问题,并给出了完整的理论收敛性证明,从而准确地估计出自由漂浮空间机器人末端执行器的最优路径。仿真结果表明,与传统的分解加速度方法相比,该方法得到的运动路径所引起的基座卫星姿态扰动为0.104rad,相比传统方法降低了17.53%,验证了所提路径规划方法的有效性与最优性。