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面向分体式飞行汽车自主对接的自动驾驶底盘运动规划方法研究

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机械工程学报 2024年第10期60卷 235-244页

作者：郄天琪王伟达杨超李颖项昌乐北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401122

飞行汽车是引领汽车行业未来技术发展的战略新兴方向,分体式飞行汽车作为飞行汽车的主流构型之一,由自动驾驶底盘、智能操控座舱和垂直起降飞行器三部分组成,为完成各部分的自主对接和组合,自动驾驶底盘需要沿规划的路径精确行驶至起飞... 详细信息

飞行汽车是引领汽车行业未来技术发展的战略新兴方向,分体式飞行汽车作为飞行汽车的主流构型之一,由自动驾驶底盘、智能操控座舱和垂直起降飞行器三部分组成,为完成各部分的自主对接和组合,自动驾驶底盘需要沿规划的路径精确行驶至起飞行器正下方。当前运动规划方法缺乏对来自传感器、控制器和执行器等诸多不确定因素的考虑,导致路径跟踪过程中底盘行驶轨迹偏离规划轨迹,难以精确行驶至预定位置,完成对接。为解决这一问题,提出一种基于长短期记忆网络(Long short-term memory,LSTM)车辆模型的自动驾驶底盘轨迹规划方法。采用LSTM网络表征自动驾驶底盘的运动学特性,在此基础上建立车辆运动学模型。基于该模型,构建模型预测控制架构下的滚动时域优化问题。进而采用基于向量加权平均值的优化方法求解该非线性优化问题,得到符合底盘运动学特性的行驶轨迹。基于团队研制的分体式飞行汽车样机,将提出的规划方法进行试验验证。在转弯场景中,采用提出的方法的底盘平均纵向位置偏差、最大纵向位置偏差与传统模型预测控制(Model predictive control,MPC)方法相比分别下降了78.89%、79.64%和86.67%。

关键词：分体式飞行汽车自主对接运动规划模型预测控制

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自重构机器人锁紧机构设计及自主对接研究

机械设计 2015年第4期32卷 46-51页

作者：葛为民张月王肖锋刘振民侯晓敏李强天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学自动化学院天津300384

自主对接是实现机器人自重构的关键技术。基于新型自重构模块化机器人M2SBot的结构,设计了独特的正弦加速度槽凸轮式对接锁紧机构,可实现可靠连接。同时提出一种新的三维空间对接算法,将基于罗德里格矩阵的公共点法与爬山搜索算法相结合... 详细信息

自主对接是实现机器人自重构的关键技术。基于新型自重构模块化机器人M2SBot的结构,设计了独特的正弦加速度槽凸轮式对接锁紧机构,可实现可靠连接。同时提出一种新的三维空间对接算法,将基于罗德里格矩阵的公共点法与爬山搜索算法相结合,扩大了两个待接面间空间偏移角的搜索范围。该算法利用红外线传感器计算两模块间的相对位姿偏差,通过逐步调整各个偏移量实现对接。最后分析了整个过程的对接策略。仿真结果表明,该锁紧机构和对接算法可以有效地实现模块间的对接。

关键词：自重构机器人自主对接公共点法位姿调整 RecurDyn仿真

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基于视觉和定位系统的无人艇自主对接系统

计算机工程与设计 2021年第9期42卷 2606-2613页

作者：徐海彬刘畅田建东李小毛上海大学机电工程与自动化学院上海200444 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016

为实现对无人艇的自主回收,通过无人艇和悬浮托架的双向视觉导引,构建基于视觉和定位系统的无人艇自主对接系统。视觉对接系统通过检测网络分别检测出图像中的无人艇和悬浮托架。针对托架视觉检测的目标,利用位置定位信息排除非目标艇,... 详细信息

为实现对无人艇的自主回收,通过无人艇和悬浮托架的双向视觉导引,构建基于视觉和定位系统的无人艇自主对接系统。视觉对接系统通过检测网络分别检测出图像中的无人艇和悬浮托架。针对托架视觉检测的目标,利用位置定位信息排除非目标艇,采用单目标跟踪算法(CSR-DCF)对目标艇进行跟踪。为实现无人艇和托架的高精度稳定检测,在Tiny-YOLOv3的基础上,基于细节特征的需求,构建小尺度检测分支,提出一种定位增强轻量级检测网络,对于艇、托架的定位性能分别提升3.48%mIOU、4.32%mIOU,检测精度分别提升4.97%AP、6.17%AP。自主对接系统在二级海况下对接成功率达到90.9%。

关键词：自主对接轻量级网络目标检测单目标跟踪无人艇

结合机器学习的无人机自主对接过程的目标识别定位

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电讯技术 2024年第9期64卷 1379-1385页

作者：姚垚李军府胡志勇艾俊强航空工业第一飞机设计研究院西安710089

针对无人机空中自主对接时,软式锥套受尾流场和牵引力强位置约束、锥套传递力等因素导致拖曳锥套运动复杂而存在扰动、鞭打等干扰的问题,提出一种基于机器视觉的单目视觉自主实时识别与定位方法,通过特征提取与分类器分类进行目标检测... 详细信息

针对无人机空中自主对接时,软式锥套受尾流场和牵引力强位置约束、锥套传递力等因素导致拖曳锥套运动复杂而存在扰动、鞭打等干扰的问题,提出一种基于机器视觉的单目视觉自主实时识别与定位方法,通过特征提取与分类器分类进行目标检测与识别,分阶段对无人机和靶标关键点进行实时相对位置测量。在机载探测与计算平台实验进行系统应用验证,完成了机动锥套自主对接地面实验,结果表明目标检测精度可达90%,平均响应帧率可达41.322 Hz,定位误差可达厘米量级,证明了所提的软式机动锥套空中自主对接方法的有效性。

关键词：无人机自主对接目标识别机器学习

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面向在轨服务的自主对接控制方法与试验研究

航天控制 2010年第4期28卷 35-39,53页

作者：杨维维陈小前赵勇黄奕勇国防科技大学航天与材料工程学院长沙410073

针对在轨服务地面演示试验系统,进行了对服务星自主对接控制方法的研究,利用光学测量对服务星进行相对导航,通过一类基于BP神经网络的鲁棒自适应PD联合控制算法使6个推力器对服务星的二维平动与一维转动进行联合控制。完成了在目标星静... 详细信息

针对在轨服务地面演示试验系统,进行了对服务星自主对接控制方法的研究,利用光学测量对服务星进行相对导航,通过一类基于BP神经网络的鲁棒自适应PD联合控制算法使6个推力器对服务星的二维平动与一维转动进行联合控制。完成了在目标星静止的情况下,服务星自主接近与对接试验。结果表明了所用控制方法的可行性。

关键词：在轨服务自主对接地面试验 BP网络

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基于视觉的水下机器人自主对接导引算法研究

基于视觉的水下机器人自主对接导引算法研究

作者：伊文康沈阳理工大学

学位级别：硕士

自主对接对于水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,以下简称AUV)来说意义重大,与海底基站对接意味着AUV可以实现水下常驻作业,与潜艇对接可以在危机时实现援潜救生,与回收装置对接可以实现AUV水下自主回收等等。和飞机空中自主加... 详细信息

自主对接对于水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,以下简称AUV)来说意义重大,与海底基站对接意味着AUV可以实现水下常驻作业,与潜艇对接可以在危机时实现援潜救生,与回收装置对接可以实现AUV水下自主回收等等。和飞机空中自主加油、神九与天宫一号交会对接一样,AUV自主对接也是AUV自主检测识别对接装置并逐渐向其靠近、直至进入对接装置的过程。本文重点关注AUV对接过程中的近距离导引定位问题,以中科院沈阳自动化所海洋信息装备中心的便携式AUV作为载体,从该AUV的实际硬件软件性能出发,提出一种基于视觉的导引定位算法。在AUV智能化要求越来越高的今天,视觉传感器作为AUV一种重要的感知器件起到至关重要的作用。由于水下特殊环境干扰,AUV视觉的发展比较缓慢,大多数的应用仅仅停留在近距离图像采集方面,而在智能化方面的应用较少,基于视觉的AUV水下对接就是其智能化的一次应用。针对水下光视觉感知有效距离短的难点,在对接装置上安装导引光源并对AUV设计一套独立的高清视觉采集和处理系统,结合MOOS通信机制与AUV完成信息交互。针对水下图像噪声较多的特点,采用形态学滤波的方法,并取得良好的效果。采用MATLAB标定工具箱对封装在AUV头部段的相机进行标定,得到可靠的相机畸变参数和内参数矩阵。针对水下图像目标与背景分割困难的问题,提出自整定阈值分割算法并完成导引灯与背景的分割。针对水下图像匹配难的问题,提出基于像素坐标归一化特征点匹配法,完成导引灯定位,并计算得到导引灯所在平面中心点与相机的相对位姿关系。最后设计水池对接实验,验证算法的可靠性。研究水下视觉的自主对接导引算法,该算法是实现AUV水下自主对接必不可少的软件模块,对于未来实现AUV水下自主对接具有重要意义和实用价值。

关键词： AUV 自主对接水下视觉相机标定图像分割

基于视觉和力反馈的大型舱段自主对接关键技术研究

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基于视觉和力反馈的大型舱段自主对接关键技术研究

作者：王小涵燕山大学

学位级别：硕士

随着我国航空航天领域的飞速发展,各种航空装备的应用越来越广泛。大型航空航天设备往往由多个部件段对接集成,而且质量及尺寸较大,对装配过程安全、集成精度有较高的要求,因此对接工艺与装备技术水平决定航天器装配质量、安全和效率的... 详细信息

随着我国航空航天领域的飞速发展,各种航空装备的应用越来越广泛。大型航空航天设备往往由多个部件段对接集成,而且质量及尺寸较大,对装配过程安全、集成精度有较高的要求,因此对接工艺与装备技术水平决定航天器装配质量、安全和效率的核心。为了实现大型舱段的自主对接,提高装配精度、生产安全和效率,本文提出并设计了自主对接操控与检测系统,并对装配过程中的关建技术进行系统深入研究。针对大型舱段装配过程中的相对位置检测和自主对接需求,提出并搭建了自主对接系统,包括双目相机、六自由度机械臂、六维力传感器和十字形轴-孔对位器,并制定了新的舱段自主对接工艺流程:基于双目视觉技术完成十字孔位姿初定位、机械臂运动对接插孔;基于力反馈技术检测两单元车之间相对位姿;基于单元车之间的精确定位位姿对单元车进行位姿调整,并循环检测和调姿过程,完成舱段对接。通过双目视觉传感器测量、图像处理得到十字孔区域特征;基于双目视觉三维重建原理得到十字孔坐标系的初步定位位姿;在此基础上,对机械臂进行插值轨迹规划,控制机械臂运动、接近目标位姿并对初定位过程进行仿真验证。分析十字形轴孔在装配过程中的不同接触状态与六维力关系;基于BP神经网络建立六维力与轴孔相对误差之间关系的数学模型,确定神经网络中的相关参数和训练数据、进行网络模型训练及结果验证。利用机械臂主动运动完成十字型轴-孔装配及末端位姿检测,通过矩阵变换确定对接舱段之间的相对位姿并对十字形轴孔的装配过程进行仿真验证。基于单元车之间位姿和精确定位要求,利用并联单元车对两舱段进行调姿对接即端面平行且轴线共线。采用被动机械臂、跟随调姿过程、检测舱段之间的定位位姿、计算舱段待调位姿量,并根据相对差值再次规划单元车的调姿轨迹,分步进行姿态调整、位置调整;利用计算机械臂随动过程中的关节角变化,基于牛顿-欧拉法对机械臂进行动力学分析、实现机械臂的力矩控制。最后对单元车调姿过程进行仿真验证。

关键词：自主对接双目视觉力反馈柔顺装配

模块化弹复性机器人原型设计及其自主对接技术实现

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模块化弹复性机器人原型设计及其自主对接技术实现

作者：吴镜清华东理工大学

学位级别：硕士

机器人的弹复性是受生物自修复行为的启发而来。弹复性机器人是指机器人在系统发生部分故障而丧失功能时,能够通过自身改变来恢复原有的功能。机器人的弹复性能够提高机器人系统的生存能力。本课题旨在研究一种模块化的弹复性机器人系统... 详细信息

机器人的弹复性是受生物自修复行为的启发而来。弹复性机器人是指机器人在系统发生部分故障而丧失功能时,能够通过自身改变来恢复原有的功能。机器人的弹复性能够提高机器人系统的生存能力。本课题旨在研究一种模块化的弹复性机器人系统,主要研究内容包括:（1）研发了一种双方块式的弹复性机器人模块Rebot。Rebot模块由一个公方块,一个母方块和一个连杆组成。公方块能够与其他模块的母方块通过一种钩式对接装置进行对接。Rebot模块还设有一种齿合式离合器,使机器人具有欠驱动,被动关节和被动连杆等特性。此外,还设计了 Rebot模块的驱动系统,控制系统和通讯系统。（2）研究了 Rebot模块组成机器人系统的正运动学和逆运动学。通过D-H参数法建立机器人模型,分别对模型进行正运动和逆运动分析。并使用MATLAB中的Robotic Tool Box对机器人系统的正运动学和逆运动学进行求解以及轨迹生成。（3）分析机器人通过自主对接方法实现自修复的方法。提出一种降维策略,使机器人借助环境帮助将三维空间的对接转换成二维平面内的对接。此外,还提出一种新颖的模块化机器人自主对接方案。该方法采用了基于目标检测算法对接目标模块进行搜索,并通过激光,红外传感器进行对接面之间的偏距测量,并基于逆运动学方法实现模块间的自主对接。（4）使用3D打印制造了 Rebot的原型,并搭建了 Rebot通过自主对接实现自修复的实验平台。通过仿真和实验,验证自主对接算法的可行性。

关键词：弹复性自主对接运动学机器人

基于激光雷达和视觉融合的无人艇自主对接技术研究

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基于激光雷达和视觉融合的无人艇自主对接技术研究

作者：贾文超重庆大学

学位级别：硕士

无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)作为一种典型的海洋无人系统,具有高自动化、高灵活性、高效率等特点,可以代替人类执行一些危险、枯燥的海上任务。USV的布放回收是影响系统运行效率、成本与安全的重要环节,USV布放回收的自... 详细信息

无人水面艇(Unmanned Surface Vehicle,USV)作为一种典型的海洋无人系统,具有高自动化、高灵活性、高效率等特点,可以代替人类执行一些危险、枯燥的海上任务。USV的布放回收是影响系统运行效率、成本与安全的重要环节,USV布放回收的自动化更是目前亟待解决的技术难题。因此,开展USV自主对接回收技术的研究具有重要价值。本文以USV的自主对接任务作为研究目标,提出基于激光雷达和视觉引导的自主对接方案,设计自主对接机构。针对自主对接过程中的位姿检测问题,提出激光雷达和视觉融合的位姿检测方法,为海洋无人系统的自主对接研究提供了参考。首先,针对无人水面艇自主对接这一核心目标,设计自主对接系统。分析对接目标特征和对接难点,构建自主对接系统方案,确立自主对接系统的对接流程,设计自主对接系统的总体结构,并对重要结构的零件进行优化和强度分析。其次,分析自主对接系统的检测需求,研究针对接收装置的位姿检测方法。针对单目位姿检测中位置检测精度较低的问题,结合激光雷达位置检测精度较高的优势,应用激光雷达和视觉融合技术,提出激光雷达和相机融合的位姿检测方法,实验结果表明,融合检测方法大大提高了位姿检测的精度和稳定性,满足自主对接系统对检测精度的要求。最后,搭建实验所需的硬件平台与软件平台,进行激光雷达和相机融合的位姿检测实验和对接仿真实验。通过对比试验和水上实验验证所提融合位姿检测算法的可行性,搭建对接机构运动仿真系统验证对接过程的可行性。实验结果表明,在模拟海浪波动场景和实际水面场景中,接收装置的位姿能够被准确且稳定地检测,检测结果的位置和姿态角误差均在对接任务允许的误差范围内,满足自主对接系统的检测要求。对接机构运动仿真实验结果证明发射装置能够完成跟随瞄准任务,满足对接要求。

关键词：无人水面艇自主对接对接机构信息融合位姿检测