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基于生成式对抗网络的气动外形优化方法研究

基于生成式对抗网络的气动外形优化方法研究

作者：吴秋雨电子科技大学

学位级别：硕士

随着人类对空间的探索以及对更快速交通工具的追求,更加高效和安全的飞行器设计变得更加被人们需要。飞行器设计作为空气动力学的一个应用,是当代最重要的学科领域之一。空气动力学是研究空气的运动规律以及空气与物体之间的相互作用力... 详细信息

随着人类对空间的探索以及对更快速交通工具的追求,更加高效和安全的飞行器设计变得更加被人们需要。飞行器设计作为空气动力学的一个应用,是当代最重要的学科领域之一。空气动力学是研究空气的运动规律以及空气与物体之间的相互作用力的科学。现代飞行器设计过程不仅运用到了空气动力学的基本原理,还和计算机相关技术进行了结合。机翼是飞行器产生向上升力的重要组件和来源,它通常具有以机身作为中轴的对称面。从垂直于机翼对称面的方向,截取得到的平面称为翼剖面（profile）或者翼型（airfoil）。由于翼型设计的好坏在很大程度上决定了机翼以及“机翼-机身”整体的气动性能,因此通常在飞行器设计前要进行的一项必不可少的工作就是翼型气动外形的设计和优化。空气动力学外形优化（Aerodynamic Shape Optimization,ASO）通常需要使用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）来进行数值模拟仿真,由于空气动力学外形的设计空间往往具有高维度的特征,而该过程通常会耗费巨大的计算机算力。解决此问题的一种方法是将设计空间进行降维处理——例如,过去传统方法通过构造低维度的参数方程,进而替换为对这些参数进行优化。然而这些方法通常不能准确地提取主要特征变量,其优化结果往往不够理想。相比之下,本文基于机器学习理论,采用了基于生成式对抗网络（Generative Adversarial Networks,GAN）进行气动外形降维的方法,该方法能够从UIUC翼型数据库中学习翼型形状的变化特征,从而达到降维和提取可解释特征变量的目的,最终加速气动外形的优化过程。本文方法和研究内容概括如下:1.翼型设计空间降维方法的探索。在传统气动外形优化方法面临需要耗费巨大计算力的难题下,探索了基于机器学习算法的翼型设计空间的降维方法。主要方法有基于主成分分析法（Principal Component Analysis,PCA）的线性降维方法以及基于生成式对抗网络的非线性降维方法,最终它们能够加速优化收敛的速度。2.在面临使用基于UIUC数据库的翼型数据集的场景下,探索适合气动外形作为输入数据的生成式对抗网络的结构。针对UIUC翼型曲线数据,结合Info GAN和翼型曲线参数化技术,构造创新的生成式对抗网络,从而能够生成逼真的翼型曲线,同时能够提取相关可解释的翼型特征,提升模型精度。3.探索能够对于GAN生成的翼型数据结果进行分析的方法。主要对GAN生产的翼型曲线进行分析,从而提取出具有物理意义的潜在编码（latent code）特征变量,在翼型设计空间降维的同时获得具有可解释性的潜在编码。

关键词：气动外形优化问题生成式对抗网络降维潜在编码曲线参数化

三维平动并联机器人机构的轨迹综合与规划仿真

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三维平动并联机器人机构的轨迹综合与规划仿真

作者：李连升山东理工大学

学位级别：硕士

三维平动并联机器人机构以其速度高、刚度大、精度高、动力性能好、驱动元件少、造价低和结构紧凑等优点,在工业领域正发挥着不可估量的作用,也日益受到人们的广泛关注。本文应用并联机器人机构拓扑学理论,在对并联机构的输出矩阵进行... 详细信息

三维平动并联机器人机构以其速度高、刚度大、精度高、动力性能好、驱动元件少、造价低和结构紧凑等优点,在工业领域正发挥着不可估量的作用,也日益受到人们的广泛关注。本文应用并联机器人机构拓扑学理论,在对并联机构的输出矩阵进行研究的基础上,对三维平动并联机器人机构的轨迹综合与规划进行了较为系统的研究。首先,对能实现给定空间曲线的并联机构进行了选型,建立了位置方程。利用全微分理论求得了三维平动并联机器人机构运动轨迹的影响矩阵,确定了影响其运动轨迹的五大影响因素并进行了深入分析。其次,基于给定的空间曲线,对三维平动并联机器人机构进行了轨迹综合。综合出了驱动杆的初始值、移动范围、圆柱副副的移动范围、转动副的转动范围以及奇异位等,最终确定了三维平动并联机器人机构的初始装配尺寸。第三,基于曲线参数化理论,对三维平动并联机器人机构的轨迹规划进行了研究,进一步完善了基于位置反解的并联机器人机构的轨迹规划方法,并提出了一种基于ADAMS点驱动的并联机器人机构轨迹规划方法。确定了并联机器人机构按照期望轨迹运动时驱动副上应施加的运动规律。第四,以3-RPC三维平动并联机器人机构为例,借助于计算机辅助设计软件设计了虚拟样机,并在样机上进行了仿真试验,对前述的计算和轨迹规划进行了验证。最后,对3-RPC并联机器人机构在康复医疗器械上的应用做了有意义的探讨。通过以上的分析和研究,对影响三维平动并联机器人机构运动轨迹的因素有了具体而深入的了解,综合出了初始装配尺寸,提出并完善了并联机器人机构的运动轨迹规划方法,确定了动平台按期望轨迹运动时驱动副上应施加的运动规律,为并联机器人物理样机的制造和控制奠定了良好的基础。

关键词：轨迹综合曲线参数化轨迹规划虚拟样机运动仿真

对称型3-PCR并联机构的运动学分析及应用

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对称型3-PCR并联机构的运动学分析及应用

作者：孙磊山东理工大学

学位级别：硕士

少自由度并联机构与传统的六自由度并联机构相比,具有结构简单、控制容易、造价低廉等优点,具有良好的应用前景,特别是分支相同、结构对称、具有各向同性的对称三维平动并联机构更具应用潜力,受到国内外学者的广泛关注。本文运用螺旋理... 详细信息

少自由度并联机构与传统的六自由度并联机构相比,具有结构简单、控制容易、造价低廉等优点,具有良好的应用前景,特别是分支相同、结构对称、具有各向同性的对称三维平动并联机构更具应用潜力,受到国内外学者的广泛关注。本文运用螺旋理论对三维平动并联机构进行了系统的型综合,在此基础上选取具有代表性的对称型3-PCR并联机构作为研究对象进行了深入研究,研究内容主要包括以下5个方面:首先,根据螺旋理论中约束螺旋和运动螺旋的互逆性,确定了三维平动并联机构分支约束螺旋系的类型,在此基础上,运用约束螺旋综合理论对三维平动并联机构进行了型综合。其次,依据初始设计目标,从所综合出的三维平动并联机构中选择具有代表性的对称型3-PCR并联机构进行了运动学分析。第三,运用Unigraphics和ADAMS软件构造了3-PCR并联机构的三维虚拟样机,并运用仿真分析软件ADAMS在样机上进行了各类型轨迹曲线的仿真试验。第四,基于曲线参数化理论和运动学逆向分析理论,对3-PCR并联机构的轨迹规划进行了研究,基于两种不同类型的轨迹曲线提出了相应的轨迹规划方法,确定了3-PCR并联机构按照期望轨迹运动时驱动件上应施加的运动规律。最后,对3-PCR并联机构在高压水射流切割机上的应用做了有意义的探索,并结合两个切割实例验证了该应用的可行性。通过以上分析和研究,对3-PCR并联机构的结构性能和运动学性能有了深入的了解,并进一步完善了基于运动学逆向分析理论的轨迹规划方法,同时为3-PCR并联机构物理样机的试制及控制策略的研究奠定了坚实的基础,也为其作为高压水射流切割机的实质性研制做了较好的前期准备工作。

关键词：并联机构螺旋理论型综合曲线参数化轨迹规划虚拟样机

3RRC并联机器人机构的运动分析及控制研究

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3RRC并联机器人机构的运动分析及控制研究

作者：陈建涛山东理工大学

学位级别：硕士

并联机器人机构由于具有速度高、刚度大和承载能力强等优点,受到人们的广泛关注。3RRC是一种新型并联机器人机构,能够实现空间的三维平移运动。本文针对3RRC并联机器人机构进行了以下研究:首先,根据3RRC并联机器人机构的结构特点,给定... 详细信息

并联机器人机构由于具有速度高、刚度大和承载能力强等优点,受到人们的广泛关注。3RRC是一种新型并联机器人机构,能够实现空间的三维平移运动。本文针对3RRC并联机器人机构进行了以下研究:首先,根据3RRC并联机器人机构的结构特点,给定了所要研究的机器人的具体结构,并应用螺旋理论对其进行了自由度和约束的分析。其次,建立了位置方程,并对位置方程的正反解进行了数值计算和图解计算;应用圆弧相交法确定了3RRC并联机器人机构的工作空间。第三,建立了速度方程,并对其正反解进行了数值求解;通过分析速度一阶影响系数矩阵,确定了机构发生奇异位形的位置。第四,基于曲线参数化的理论,对3RRC并联机器人机构的轨迹规划进行了研究,求出了位置控制的输入函数。最后,借助于计算机辅助设计软件设计了虚拟样机,并在样机上进行了仿真试验,对前面的计算和分析进行了验证。通过以上的分析和研究,对3RRC并联机器人机构的结构和运动性能有了具体而深入的了解,这为3RRC并联机器人物理样机的制造奠定了良好的基础。

关键词： 3RRC 并联机器人机构曲线参数化轨迹规划虚拟样机