外骨骼机器人人体姿态解算算法研究

外骨骼机器人的人机协同控制因其自身特点,具有较大难度。目前,虚拟力矩控制是一种较为常见的控制方式,但其基于物理特性以及运动学参数预测人机作用力的原理决定了该方法必须依靠极其精确的惯性系参数预测才能实现(假设系统关节处无摩擦),大量的系统动力学方程运算也给控制器带来了较大负担。针对该问题提出了一种基于位置随动的控制算法,通过在人机接触点直接引入激光流式间距传感器测量人机(外骨骼)间距信息,结合外骨骼姿态信息计算由人体各关节角度构成的人体姿态,作为外骨骼随动的目标值,进而计算人体末端位置,最终解算出能达到同样末端位置的外骨骼姿态。该方法具有运算量下、稳定性好、控制精度高等特点。     

便携式移动机器人姿态解算方法

本文根据便携式移动机器人的特点，采用四元数法解算机器人导航系统的姿态，避免了在机器人运动角度较大时出现奇异点的问题。文中应用改进的四阶龙格-库塔算法解算四元数微分方程，经仿真实验，精度完全能够达到要求。给出了合理的变换公式．在机器人运动范围内，满足了四元教与欧拉角之间转换的一一对应。     

弹丸姿态解算方法研究

研究弹丸轨道优化问题,为提高有效命中率,对解算方法都需要确定有效的初值,以往设定初值时存在一定的盲目性,往往解算出来的值与方程组的最优解存在较大误差,需要多次校对才能得到较准确的解,无疑加大了工作量.针对上述问题,采用方向余弦法,利用三轴磁阻传感器测量地磁场在弹体坐标系三轴上的分量,通过Matlab仿真分析了初值设定对解算结果的影响,提出了一种通过逐步缩小初值范围提高解算精度的方法,使姿态解算误差可控制在0.3°以内,计算量也有了较大的减少.     

基于北斗/iNEMO惯性模块的机器人运动姿态解算方法

基于北斗/iNEMO惯性模块研究了一种组合式机器人运动姿态测量系统和解算方法。设计了以ARM为核心的嵌入式组合姿态解算平台,通过四元数法和卡尔曼滤波技术,对iNEMO惯性组件测量数据进行融合,进而在高动态环境中实时解算出机器人的运动姿态。同时,以北斗接收机输出的1PPS上升沿脉冲作为数据融合的同步信号,并利用其输出的导航信息辅助iNEMO惯性模块实现精对准。测试结果验证了设计方案的可行性和正确性,为机器人姿态解算提供了一种高精度、高稳定性、小体积、低功耗的解决方案。     

基于扩展卡尔曼滤波的球形机器人姿态解算

针对球形机器人在姿态解算的过程中,惯性测量元件精度不高、稳定性差和易受噪声干扰从而导致无法精确控制其运动姿态的问题,提出一种通过扩展卡尔曼滤波融合IMU(Inertial Measurement Unit)惯性测量元件数据来进行姿态解算的方法,利用多传感器测量数据进行融合,并使用扩展卡尔曼滤波得到精确的姿态信息。通过相关实验充分验证了基于扩展卡尔曼滤波的姿态解算方法的精度和鲁棒性明显提高,抗噪声干扰能力更强。实验表明,该姿态解算方法相比于互补滤波的姿态解算,全姿态角均方根误差和平均误差分别下降了0.0601和0.1984,可见其对于球形机器人的运动控制具有良好的适用性。     

基于Internet多操作者多机器人的遥操作系统的研究

近年来基于Internet多操作者多机器人MOMR(Multi-Operator-Multi-Robot)协作成 为许多学者关注的对象．相对于单操作者单机器人SOSR(Single-Operator-Single-Robot )遥操作任务的单一性和局限性，MOMR在群体作业如：设备维护、建筑建造、外科手术等许 多场合具有明显的优势．对于危险或难以到达的环境，MOMR遥操作系统的控制成为一个主要 问题． 本文综述了基于Internet 的MOMR系统的结构、概念以及国内外的研究现状，并讨论了MOMR 系统存在的主要问题和各种协调(或协作)控制方法．     

基于互补滤波和粒子滤波融合的球形机器人姿态解算

针对球形机器人在运动控制中难以实时、准确地获取机器人的位置和姿态估计精度的问题,提出了一种基于互补滤波和粒子滤波相融合的姿态解算算法.为了避免使用磁力计数据参与四元数计算时俯仰角和横滚角误差较大的问题,使用陀螺仪和磁力计互补滤波算法单独对球形机器人的偏航角进行解算,同时,通过信息熵评估磁力计噪声大小,动态调整磁力计在互补滤波中的权值.实验结果表明,在外部磁场干扰实验中,偏航角误差在3?以内,在球形机器人动态和静态实验中,偏航角误差在0.3?左右,俯仰角和横滚角误差能够控制在0.1?之内.因此,该算法能够保证球形机器人姿态解算的实时性,增强准确性和和抗干扰能力,有效提高球形机器人运动控制的精度.     

主从遥操作下双臂机器人的阻抗控制策略研究

在遥操作机器人系统中,从端机器人不仅需准确地跟随主端设备的运动,还需与外界环境保持合适接触力,以避免因接触力过大对机器人和环境造成破坏.由于遥操作机器人系统中主从端设备是分离的,要实现遥操作下柔顺接触是极具挑战的.为了提高遥操作机器人系统任务执行的安全性,本文结合运动映射提出一种主从遥操作下阻抗控制策略.首先,通过提出主从端运动映射策略,将主从端设备联系起来,并获得从端机器人运动的目标位姿.接着,为了实现机器人末端执行器与环境的柔顺接触,提出阻抗控制策略,建立机器人与外界环境之间的位置和接触力的动态响应关系.同时,引入虚拟排斥力,让从端机器人的双臂在可行的空间中运动,从而提高了机器人操作的柔顺性和安全性.设计了机器人拖拽和白板擦拭两个实验来验证方法有效性.实验结果表明,所提出方法可实现机器人在具有接触的任务中的柔顺操作,可提高操作的安全性.     

蛇形机器人互补滤波和四元数的姿态解算

针对蛇形机器人姿态解算问题,陀螺存在漂移特性,加速度计的测量值包含重力加速度和运动加速度,磁强计易受周围环境地磁干扰,并且蛇形机器人采用嵌入式微处理器,需要减少计算量.设计了用互补滤波器来实现惯性传感器的数据融合,用四元数进行姿态解算的方法.经过实验验证表明：采用互补滤波和四元数进行姿态解算能有效融合各个惯性传感器的数据,计算量小,能够满足蛇形机器人对精度和实时性的要求.     

基于操作者表现的机器人遥操作方法

针对遥操作机器人,提出了一种操作者表现（PoT）的在线识别方法以及基于PoT的遥操作移动机器人控制框架.首先,通过分析遥操作者的EEG（脑电信号）获得5个PoT指标,并使用BP（反向传播）神经网络对其进行建模,从而实现对遥操作者表现的在线识别.随后,设计了一种基于PoT动态调节遥操作共享控制系统中的控制权重的策略.选取3名不同遥操作者进行了在线PoT识别及基于PoT的共享控制遥操作实验,实验结果证明该方法能够有效地在线识别PoT,同时基于PoT的控制框架提升了遥操作的效率和安全性.     

姿态误差算法的比较及研究

姿态解算一直以来都是导航系统研究的重点,保证被测量载体的姿态信息的精确解算则是一项重要的任务,由于刚体的不可交换性,导致误差的出现,在圆锥运动下产生的圆锥误差是惯导系统的重要误差源,对此提出一种改进的圆锥误差补偿算法并与捷联惯性导算法比较,并以典型圆锥运动做为输入,对其进行数字仿真分析,通过改变经典圆锥运动部分参数,检验圆锥误差补偿的解算过程精度,得出改进的圆锥误差补偿算法是解决圆锥误差的有效方法。     

基于Internet的实时机器人系统时延预测研究及算法

针对基于Internet实时机器人系统,提出了多尺度的时延预测算法,该算法是在线和实时的。基于网络结构分析了网络时延的主要组成及其时延特性。不同于传统的网络往返时延的预测,该算法预测的是能真实反映端对端数据包传递的单程时延,而且还提出了预测单向时延所需的时钟同步算法。理论分析和多点之间的网络实验验证了该算法的高效性。     

多分辨率算法在磁强计辅助GPS定向测姿中的应用

基于多分辨率算法的姿态角搜索算法，能够提高模糊度的计算成功率，但基于多分辨率算法的姿态角搜索算法需要先验的姿态角信息，而电子磁强计能提供较为准确的姿态角信息，所以我们可以利用其姿态角信息来应用到GPS快速定姿中。将其姿态角信息应用到多分辨率算法中，这样能够大大提高系统的快速性和姿态角的精度。     

Attitude guidance and tracking for spacecraft with two reaction wheels

This paper addresses the guidance and tracking problem for a rigid-spacecraft using two reaction wheels (RWs). The guidance problem is formulated as an optimal control problem on the special orthogonal group SO(3). The optimal motion is solved analytically as a function of time and is used to reduce the original guidance problem to one of computing the minimum of a nonlinear function. A tracking control using two RWs is developed that extends previous singular quaternion stabilisation controls to tracking controls on the rotation group. The controller is proved to locally asymptotically track the generated reference motions using Lyapunov's direct method. Simulations of a 3U CubeSat demonstrate that this tracking control is robust to initial rotation errors and angular velocity errors in the controlled axis. For initial angular velocity errors in the uncontrolled axis and under significant disturbances the control fails to track. However, the singular tracking control is combined with a nano-magnetic torquer which simply damps the angular velocity in the uncontrolled axis and is shown to provide a practical control method for tracking in the presence of disturbances and initial condition errors.     

航天器姿态跟踪系统的自适应滑模控制

针对存在不确定惯量矩阵和外干扰的刚体航天器姿态跟踪系统,提出了一种自适应滑模控制方法。首先建立了姿态跟踪误差动力学方程,并对刚体航天器跟踪误差动力学定义了滑模,设计了自适应滑模控制律,该控制律的优点在于可以估计系统不确定块,消除了传统滑模控制中对不确定界的要求。Lyapunov分析表明了提出的自适应滑模控制器确保闭环系统取得渐近稳定性。仿真结果验证了提出的控制策略的有效性。     

基于DSP的三维测姿系统硬件设计和算法实现

对于微小型无人直升机系统,本文介绍了基于DSP的三维测姿系统的硬件电路设计和四元数解算算法的实现及验证.该系统的硬件部分由角速率陀螺、滤波电路和DSP系统板等组成.角速率陀螺输出信号经过硬件滤波后由AD通道采集,经过数字滤波后,利用四元数算法解算出姿态数据.文中提出了硬件设计和实现及解算算法实现中需要注意的问题和相应的解决方案,测试结果表明该系统是有效的.     

捷联惯导系统姿态更新旋转矢量算法的优化

本文研究了捷联惯导系统姿态更新的旋转矢量算法,并以圆锥运动为条件,对旋转矢量算法进行了优化和仿真,分析了锥运动环境下数学平台的算法漂移。     

基于矩阵星图识别算法的卫星三轴姿态确定方法研究

针对基于星敏感器的三轴稳定卫星姿态确定系统,总结比较了目前用于姿态确定的常用姿态敏感器的性能,引出了星敏感器的核心-星图识别算法,进而分析比较了当前星敏感器星图识别相关的几种算法的优缺点,重点研究了栅格算法;并在此基础上,提出用矩阵星图识别算法,建立了基于矩阵星图识别算法进行卫星三轴姿态确定的数学模型,从而简便、快捷地求出卫星任意时刻的三轴姿态参数;最后利用Matlab分别实现了用栅格算法和矩阵法进行星图识别的仿真,验证了矩阵识别算法的优点,对于研究卫星姿态确定和提高星图识别算法的效率和精度有一定的参考价值.     

基于特征匹配的单目相机姿态解算

本文采用了一种基于AKAZE特征检测和PnP算法的单目视觉测量方法对相机的相对姿态进行解算,用于快速准确地确定空间中两个目标间的位姿关系.采集合作目标的模板图像,提取附加到合作目标上的4个特征点的像素坐标,利用AKAZE关键点对模板图像和待测图像进行匹配并计算映射矩阵,通过映射矩阵得到4个特征点在待测图像中的像素坐标,然后结合合作目标的尺寸信息求解基于4个共面特征点的PnP问题,解算相机与合作目标的相对位置.实验分析表明该方法计算的实时图像相机位姿与真实结果接近,验证了本文方法的有效性.