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基于深度强化学习的虚拟机器人采摘路径避障规划

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农业机械学报 2020年第S02期51卷 1-10页

作者：熊俊涛李中行陈淑绵郑镇辉华南农业大学数学与信息学院广州510642

针对采摘机器人在野外作业环境中,面临采摘任务数量多,目标与障碍物位置具有随机性和不确定性等问题,提出一种基于深度强化学习的虚拟机器人采摘路径避障规划方法,实现机器人在大量且不确定任务情况下的快速轨迹规划。根据机器人本体物... 详细信息

针对采摘机器人在野外作业环境中,面临采摘任务数量多,目标与障碍物位置具有随机性和不确定性等问题,提出一种基于深度强化学习的虚拟机器人采摘路径避障规划方法,实现机器人在大量且不确定任务情况下的快速轨迹规划。根据机器人本体物理结构设定虚拟机器人随机运动策略,通过对比分析不同网络输入观测值的优劣,结合实际采摘行为设置环境观测集合,作为网络的输入;引入人工势场法目标吸引和障碍排斥的思想建立奖惩函数,对虚拟机器人行为进行评价,提高避障成功率;针对人工势场法范围斥力影响最短路径规划的问题,提出了一种方向惩罚避障函数设置方法,将障碍物范围惩罚转换为单一方向惩罚,通过建立虚拟机器人运动碰撞模型,分析碰撞结果选择性给予方向惩罚,进一步优化了规划路径长度,提高采摘效率;在Unity内搭建仿真环境,使用MLAgents组件建立分布式近端策略优化算法及其与仿真环境的交互通信,对虚拟机器人进行采摘训练。仿真实验结果显示,不同位置障碍物设置情况下虚拟机器人完成采摘任务成功率达96.7%以上。在200次随机采摘实验中,方向惩罚避障函数方法采摘成功率为97.5%,比普通奖励函数方法提高了11个百分点,采摘轨迹规划平均耗时0.64 s/次,相较于基于人工势场法奖励函数方法降低了0.45 s/次,且在连续变动任务实验中具有更高的适应性和鲁棒性。研究结果表明,本系统能够高效引导虚拟机器人在避开障碍物的前提下快速到达随机采摘点,满足采摘任务要求,为真实机器人采摘路径规划提供理论与技术支撑。

关键词：采摘机器人路径规划避障深度强化学习人工势场法

基于探索性数据分析的柑橘部位颜色模型分析与识别

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农业机械学报 2013年第S1期44卷 253-259,235页

作者：彭红星邹湘军郭艾侠熊俊涛陈燕华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室广州510642 华南农业大学信息学院广州510642

针对成熟柑橘各部位特点、光照与环境的不确定性及多变性,对柑橘各部位的图像数据进行了探索性数据分析并进行了识别。分析了探索性数据分析方法的特点和基于色彩分通道的柑橘识别原理,给出了柑橘图像数据的探索性数据分析流程图。对采... 详细信息

针对成熟柑橘各部位特点、光照与环境的不确定性及多变性,对柑橘各部位的图像数据进行了探索性数据分析并进行了识别。分析了探索性数据分析方法的特点和基于色彩分通道的柑橘识别原理,给出了柑橘图像数据的探索性数据分析流程图。对采集的柑橘图像分成顺光、正常光、逆光3种不同光照情况,并分别采集其中的柑橘果实与果梗、叶子图像数据,根据这些图像数据生成柑橘果实与果梗、叶子在6种颜色模型下的颜色分量分布箱线图,通过图形启示的数据分析与探索,给出了基于I1I2I3颜色模型的I2分量的柑橘各部位分类识别的视觉模型,分析表明I2分量值为0.3能去除树枝、叶子和草地等复杂背景,实现柑橘果实与背景的分割。以300幅野外环境下采集的、不同光照下的柑橘图像为试验对象,成熟柑橘果实总体识别率达到了98.4%,同时证实果梗与叶子由于颜色的相似性,仅靠颜色特征无法对其进行区分。

关键词：柑橘果实识别探索性数据分析颜色模型图像分类

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基于演化算法的水果图像分割

农业工程学报 2014年第18期30卷 294-301页

作者：彭红星邹湘军陈琰杨磊熊俊涛陈燕华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室广州510642 华南农业大学信息学院广州510642

为了满足水果采摘机器人对图像分割算法实时性和自适应性的要求,在传统演化算法的基础上,提出了一种基于蜂王交配结合精英选择、截断选择分阶段的改进演化算法对水果图像进行分割。在设计选择策略时,将迭代过程划分为前中后3个阶段,分... 详细信息

为了满足水果采摘机器人对图像分割算法实时性和自适应性的要求,在传统演化算法的基础上,提出了一种基于蜂王交配结合精英选择、截断选择分阶段的改进演化算法对水果图像进行分割。在设计选择策略时,将迭代过程划分为前中后3个阶段,分别采用蜂王交配算法、精英选择策略和截断选择策略来进行适应值的选择,这样既保证了种群的多样性,又克服了传统演化算法局部最优、收敛过快的缺点。试验结果表明,该文提出的水果图像演化分割算法无论从稳定性、分割效果,还是全局最优收敛速度上,都明显优于传统演化算法,分割的阈值稳定在3个像素之内;与Otsu算法、贝叶斯分类算法、K均值聚类算法、模糊C均值算法等其他算法相比,水果图像演化分割算法分割效果最好,对同一幅图像进行分割得到的分割识别面积参考值最大,而且运行速度最快,平均运行时间为0.08735 s,远少于其余4种算法;并能用于柑橘、荔枝、苹果等各种水果的图像分割,具有一定的通用性,达到水果采摘机器人视觉实时识别的要求,为水果图像分割及其实时获取提供了一种新的基础算法。

关键词：水果图像处理识别演化算法蜂王交配截断选择图像分割

车载摄像头激光焊接温度场模拟及其控制系统优化

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车载摄像头激光焊接温度场模拟及其控制系统优化

作者：熊俊涛江西理工大学

学位级别：硕士

随着我国步入工业4.0阶段,全国工业水平飞速发展,工业焊接领域对产品的精密性和轻量化要求不断提高。激光透射焊接工艺作为一种新型的非接触式焊接工艺,相对于传统塑料焊接工艺而言具有更高的焊接精度、焊接效率以及更高水准的焊缝质量... 详细信息

随着我国步入工业4.0阶段,全国工业水平飞速发展,工业焊接领域对产品的精密性和轻量化要求不断提高。激光透射焊接工艺作为一种新型的非接触式焊接工艺,相对于传统塑料焊接工艺而言具有更高的焊接精度、焊接效率以及更高水准的焊缝质量,广泛应用于汽车行业、医疗行业以及家电行业。为了提高车载摄像头的焊接质量,本文主要从焊接点的温度控制策略优化和焊接系统设计两个方面对车载摄像头激光焊接控制系统进行研究与设计。主要研究内容与成果如下所示:(1)基于激光焊接工艺流程与热力学公式,推导出车载摄像头激光焊接的热传导模型,构建焊接温度场。随后采用高级数值仿真软件COMSOL对车载摄像头焊接温度场进行仿真模拟,最终通过参数辨识的方法得到被控对象的传递函数模型。(2)针对传统PID控制算法在温度调节过程中控制参数调整困难、调节时间长、鲁棒性差等问题,通过引入改进蛇优化算法(ISO)对PID控制器进行参数优化。针对焊接过程中存在的系统滞后问题,引入动态矩阵控制算法(DMC)对车载摄像头激光焊接温控系统中的滞后特性进行改善。将DMC与ISO-PID控制器相结合,采用一种DMC-ISOPID控制策略对被控对象进行温度控制。通过MATLAB软件对每种控制算法进行仿真对比实验,实验结果表明DMC-ISO-PID控制算法具有收敛速度快、调节时间短、抗干扰性强等优点。(3)根据车载摄像头激光焊接设备的功能需求和焊接过程中的工艺需求,对焊接系统进行软硬件设计。硬件设计:从经济性和实用性考虑,完成整个硬件设备选型和控制电路设计。软件设计:从设备自动化和智能化程度考虑,采用博图V15.1和Visual studio2022软件对PLC控制程序、触摸屏界面和上位机界面进行设计。设计完成后,通过现场测试实验分析算法对焊接温度的控制效果,实验结果表明:DMC-ISO-PID控制算法对焊接温度有良好的控制效果。

关键词：激光透射焊接温度场模拟 PID控制器改进蛇优化算法动态矩阵控制算法

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基于响应面方法的气动优化设计

基于响应面方法的气动优化设计

作者：熊俊涛西北工业大学

学位级别：硕士

基于CFD的气动优化设计已成为当前计算流体力学研究的一个重要领域。近年来随着计算技术的飞速发展,许多直接优化方法被引入到优化设计上来。传统的确定性优化方法,其本质决定了优化设计结果的局部优化特点。响应面方法由于其高效、实... 详细信息

基于CFD的气动优化设计已成为当前计算流体力学研究的一个重要领域。近年来随着计算技术的飞速发展,许多直接优化方法被引入到优化设计上来。传统的确定性优化方法,其本质决定了优化设计结果的局部优化特点。响应面方法由于其高效、实用的特点,近年来在优化设计领域受到越来越多的重视。响应面方法是试验设计与数理统计相结合的方法,在数值分析的基础上对指定的设计点集合进行连续试验,达到在设计空间构造测定量的全局逼近。响应面方法计算简单,可仅采用简单的代数形式,依靠目标函数本身的性质确定最优解。通过响应面模型的合适选择,可以拟合复杂的响应关系,具有良好的鲁棒性。本文将响应面方法引入到气动数值优化设计中,以翼型、机翼气动优化设计为目标,发展了一种实用的气动优化设计方法。本文主要完成了以下几方面的工作: 1、发展了适用于气动优化设计的响应面优化方法,建立了一套完整优化设计程序。 2、进行了基于响应面方法的二维Navier—Stokes方程的翼型反设计研究。 3、进行了基于响应面方法的二维Navier—Stokes方程的跨声速翼型单、多目标多约束气动优化设计研究。 4、进行了基于响应面方法的三维Euler方程的跨声速机翼单、多目标多约束气动优化设计研究。 5、进行了基于响应面方法的三维Navier—Stokes方程的跨声速机翼单目标多约束气动优化设计研究。本文选用多个算例对本文的优化方法进行了验证。算例表明,本文所发展的响应面优化方法能有效的应用于跨声速翼型、机翼气动优化设计,设计质量高,方法实用可靠,有较高的工程应用前景。

关键词：响应面方法优化设计 Euler/Navier-Stokes方程跨声速翼型/机翼多目标优化

响应面方法在跨声速翼型气动优化设计中的应用研究

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西北工业大学学报 2006年第2期24卷 232-236页

作者：熊俊涛乔志德韩忠华西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室陕西西安710072

基于响应面方法进行了跨声速翼型的气动优化设计研究。通过采用分次优化、逐步逼近的方法有效地解决了应用响应面方法进行多变量优化设计时拟合精度较低的问题。首先进行了翼型的反设计来验证该方法的可靠性,然后进行了跨声速翼型减阻... 详细信息

基于响应面方法进行了跨声速翼型的气动优化设计研究。通过采用分次优化、逐步逼近的方法有效地解决了应用响应面方法进行多变量优化设计时拟合精度较低的问题。首先进行了翼型的反设计来验证该方法的可靠性,然后进行了跨声速翼型减阻优化设计。流场控制方程均采用N-S方程。响应面模型采用完全二阶多项式来构造,试验点的选取满足D优化准则。优化设计算例表明:进行分次优化所构造的模型精度满足设计要求,优化结果误差均小于1%;方法实用有效,减阻设计中阻力系数减少了19.34%。

关键词：响应面方法翼型优化设计可靠性

基于Navier-Stokes方程跨声速翼型和机翼气动优化设计

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空气动力学学报 2007年第1期25卷 29-33,44页

作者：熊俊涛乔志德韩忠华西北工业大学翼型叶栅空气动力学国防科技重点实验室陕西西安710072

将响应面方法引入到气动优化设计上来,进行了基于N-S方程跨声速翼型、机翼气动优化设计。通过去掉完全二阶多项式响应面模型中的二阶交叉项,大大减少了构造高维响应面模型所需要的计算量。合理地选择优化设计空间,保证了构造的响应面模... 详细信息

将响应面方法引入到气动优化设计上来,进行了基于N-S方程跨声速翼型、机翼气动优化设计。通过去掉完全二阶多项式响应面模型中的二阶交叉项,大大减少了构造高维响应面模型所需要的计算量。合理地选择优化设计空间,保证了构造的响应面模型具有较高精度。跨声速翼型、机翼减阻优化算例结果表明该方法能有效地适用于气动优化设计问题,设计质量高,方法实用可靠,有较高的工程应用前景。

关键词： N—S方程响应面方法优化设计跨声速翼型/机翼

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基于主动轮廓模型的自动导引车视觉导航

农业机械学报 2017年第2期48卷 20-26页

作者：林桂潮邹湘军张青熊俊涛滁州学院机械与汽车工程学院滁州239000 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室广州510642

为解决工厂或农业非线性光照环境下视觉导航算法鲁棒性和实时性差的问题,提出基于主动轮廓模型的导航标识线检测与跟踪算法。首先用多项式曲线模型描述单向标识线,导航问题等价为计算多项式曲线参数;然后依据标识线颜色和边缘等特征,给... 详细信息

为解决工厂或农业非线性光照环境下视觉导航算法鲁棒性和实时性差的问题,提出基于主动轮廓模型的导航标识线检测与跟踪算法。首先用多项式曲线模型描述单向标识线,导航问题等价为计算多项式曲线参数;然后依据标识线颜色和边缘等特征,给出关于多项式曲线的主动轮廓模型的内、外部能量函数;最后将能量函数简化为非线性最小二乘问题,应用高斯牛顿法和Armijo-Goldstein不精确一维搜索方法求解曲线最优参数。采用自制视频和自主小车测试算法,结果表明:该算法对非线性光照条件下直线和弯曲标识线的导航正确率为98.96%,运算时间为40.18 ms。试验验证了该算法的鲁棒性和实时性。

关键词：自动导引车主动轮廓模型高斯牛顿法视觉导航

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多目标自然层流翼型反设计方法

航空学报 2010年第7期31卷 1373-1378页

作者：邓磊乔志德熊俊涛杨旭东西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室陕西西安710072 美国加州大学欧文分校机械与宇航工程系 ca926973975

进行了基于扰动放大N-因子的目标压力分布设计方法的多目标自然层流(NLF)翼型反设计方法研究。流场分析和转捩位置计算用XFOIL程序,大大减少了计算花费。用N-因子设计方法进行有NLF范围要求和满足气动约束的目标压力计算,压力恢复段的... 详细信息

进行了基于扰动放大N-因子的目标压力分布设计方法的多目标自然层流(NLF)翼型反设计方法研究。流场分析和转捩位置计算用XFOIL程序,大大减少了计算花费。用N-因子设计方法进行有NLF范围要求和满足气动约束的目标压力计算,压力恢复段的压力分布用Stratford分离准则来进行设计。用基于响应面方法的优化方法来进行反设计计算,使用不含二阶交叉项的二次多项式模型的响应面模型,大大减少了构造模型所需的试验次数;设计空间内试验点的选取满足D-优化准则。根据设计目标的设计状态,进行了多目标翼型反设计。计算结果表明,设计结果的层流范围和设计目标基本吻合,该方法可以用于NLF翼型的多目标反设计中。

关键词：自然层流翼型多目标响应面方法反设计