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基于扰动观测器增强的同轴HAUV自适应反步跟踪控制

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航空学报 2024年

作者：逯明清廖飞高福奎邢贝贝吴世崇范召林苏玉民吴文华哈尔滨工程大学水下智能机器人技术国防科技重点实验室中国空气动力研究与发展中心跨域飞行交叉技术实验室上海交通大学海洋学院中山大学系统科学与工程学院

实现稳定且精确的轨迹跟踪是水空两栖航行器（Hybrid Aerial Underwater Vehicle, HAUV）实现跨介质运动操作的前提。为解决同轴HAUV在面临建模不确定性和外界环境复杂干扰的水空跨介质轨迹跟踪控制问题，一种非线性扰动观测器（Nonline... 详细信息

实现稳定且精确的轨迹跟踪是水空两栖航行器（Hybrid Aerial Underwater Vehicle, HAUV）实现跨介质运动操作的前提。为解决同轴HAUV在面临建模不确定性和外界环境复杂干扰的水空跨介质轨迹跟踪控制问题，一种非线性扰动观测器（NonlinearDisturbanceObserver, NDO）增强的自适应反步控制器（Adpative Backstepping Controller, ABSC）被设计出来。对同轴HAUV的介质跨越机理进行分析，充分考虑了如水体、风浪流等带来的附加变量，通过设计光滑的过渡函数建立了连续的动力学模型。在BSC构成的控制器基础框架上，通过集成NDO来估计难以测量的集总不确定性，并引入自适应算法补偿NDO的观测误差。自适应算法和NDO联合作用，共同提高了系统鲁棒性。通过李雅普诺夫理论证明了闭环系统稳定性。仿真结果表明，本文所设计的控制器对未知扰动具有较强抑制能力，能够实现对水-空跨越轨迹的有效跟踪。

关键词：水空两栖航行器水空跨越反步控制器非线性扰动观测器鲁棒控制

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北极双声道波导声传播特性分析

哈尔滨工程大学学报 2024年第7期45卷 1280-1287页

作者：李卿基韩笑曹然魏泽勋哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室黑龙江哈尔滨150001 海洋信息获取与安全工业和信息化重点实验室(哈尔滨工程大学) 黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工程大学水声工程学院黑龙江哈尔滨150001 自然资源部第一海洋研究所山东青岛266061

北极波弗特海域下特殊的双声道声速结构对水下声传播产生深刻影响,本文利用第9次北极科学考察数据,研究了双声道波导的声传播特性,分析了波弗特声道显著声捕获能力的机理。研究发现:当声源频率足够高时,一些模态会被捕获在波弗特声道中... 详细信息

北极波弗特海域下特殊的双声道声速结构对水下声传播产生深刻影响,本文利用第9次北极科学考察数据,研究了双声道波导的声传播特性,分析了波弗特声道显著声捕获能力的机理。研究发现:当声源频率足够高时,一些模态会被捕获在波弗特声道中,这些被捕获模态将不受海冰或海床影响,能量损失较小。当声源位于声道内时,激发出的被捕获模态使得声波能够远距离传播。另外,这些被捕获模态的声学特性仅与波弗特声道内的声速变化有关,在声场中传播较为稳定,能够形成稳定的干涉结构。

关键词：北极波弗特透镜声传播模态传播损失相速度群速度干涉结构

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辐射肋式空间可展开天线机构设计与分析

中国空间科学技术（中英文） 2024年第2期44卷 40-50页

作者：田大可宋玉群金路高海明刘荣强赵丙峰沈阳建筑大学机械工程学院沈阳110168 沈阳建筑大学土木工程学院沈阳110168 哈尔滨工业大学机器人技术与系统全国重点实验室哈尔滨150001 东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室沈阳110819

可展开天线机构是网面可展开天线的关键组成部分,对天线展开后结构的稳定性和刚度具有重要影响。针对空间可展开天线大型化、高收纳率、高精度化发展趋势,设计了一种辐射肋式空间可展开天线机构新构型。首先,开展了天线整体结构设计,根... 详细信息

可展开天线机构是网面可展开天线的关键组成部分,对天线展开后结构的稳定性和刚度具有重要影响。针对空间可展开天线大型化、高收纳率、高精度化发展趋势,设计了一种辐射肋式空间可展开天线机构新构型。首先,开展了天线整体结构设计,根据结构组成进行尺寸计算并建立了结构的三维模型;然后,采用数值仿真软件开展了机构运动学仿真研究,并分析了运动的变化规律;最后,建立了有限元模型,开展了结构模态分析。研究结果表明,所提出的机构能够实现由收拢至展开的运动变化,展开过程中机构具有良好的同步性,构件间无干涉,验证了结构方案及原理的正确性和可行性。研究结果对于空间可展开天线基础理论及工程应用等具有较高的参考价值。

关键词：空间折展机构可展开天线分叉结构机构设计运动学分析模态分析

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趋向性锁链式路径规划算法

机械工程学报 2024年

作者：王晓飞许家忠丁亮黄成杨怀广刘美军哈尔滨理工大学先进制造智能化技术教育部重点实验室哈尔滨理工大学黑龙江省复杂智能系统与集成重点实验室哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室

摒弃传统点生点式路径规划方法，提出一种受人脑思维启发的新型趋向性锁链式路径规划方法。通过构建直通不可达路径，并以旋转方向模量增殖该路径，从而实现线生点式路径规划。以锁链式增殖方式替代点阵搜索，依靠族树矩阵生长完成障碍... 详细信息

摒弃传统点生点式路径规划方法，提出一种受人脑思维启发的新型趋向性锁链式路径规划方法。通过构建直通不可达路径，并以旋转方向模量增殖该路径，从而实现线生点式路径规划。以锁链式增殖方式替代点阵搜索，依靠族树矩阵生长完成障碍物绕行，最终获得趋向性更显著的路径，同时实现栅格访问量从幂次级到倍数级的降级。结果表明，所设计的趋向性锁链式路径规划方法，在实际路径规划时，响应更快、距离更短、趋向性更显著。

关键词：路径规划可行族树矩阵二维栅格地图

聚丙烯酰胺/假酸浆复合材料制备及其对刚果红的吸附性能

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工程科学与技术 2024年

作者：郭万金孙浩曹雏清赵立军长三角哈特机器人产业技术研究院芜湖哈特机器人产业技术研究有限公司博士后工作站哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室

为去除染料废水中的刚果红（CR）分子，以假酸浆、聚丙烯酰胺（PAM）和改性石墨为原料，采用冷冻干燥法制备了一种复合材料吸附剂，通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Zeta电位对复合材料进行了表征，研究了pH、加入量... 详细信息

为去除染料废水中的刚果红（CR）分子，以假酸浆、聚丙烯酰胺（PAM）和改性石墨为原料，采用冷冻干燥法制备了一种复合材料吸附剂，通过扫描电镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和Zeta电位对复合材料进行了表征，研究了pH、加入量、吸附时间、温度与溶液浓度对其吸附CR性能的影响，并利用吸附等温线、吸附动力学和吸附热力学研究了吸附过程。材料表征结果表明：所制备复合材料具有较好的空间结构，表面粗糙不均且存在大量活性位点和多种官能团，有明显的褶皱，比表面积较大。吸附实验结果表明：pH是影响复合材料吸附CR的性能的主要因素，复合材料对CR的吸附性能在酸性和中性溶液中较好，碱性条件下较差；当溶液pH=7时，CR去除率可达89.6%；初始溶液浓度为80 mg/L时，CR去除率随吸附剂投入量增加由76.5%提高至86.6%；当初始溶液浓度100 mg/L及复合材料投入量100 mg时，吸附平衡时间约为826 min，CR去除率为84.5%；复合材料对CR的吸附属于放热过程，在303 ～323 K温度范围内，复合材料对CR的吸附性能随温度的增加而降低。吸附动力学分析结果表明，复合材料对CR的吸附符合伪一级动力学模型；等温线分析结果表明，吸附反应更加符合Freundlich等温线模型，吸附过程主要发生在复合材料的非均相吸附位点上且以化学吸附为主；热力学分析结果表明，复合材料对CR的吸附是自发的放热过程；研究表明复合材料具有良好的重复利用性。

关键词：假酸浆聚丙烯酰胺改性石墨吸附性能刚果红

液压轮腿机器人的轻量化设计与一体化制造方法（英文）

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Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering) 2024年第9期 701-715页

作者：李旭于淏阳纵怀志封海波付宜利哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室

目的：设计和制造方法对液压驱动机器人的研制至关重要。本文将建立液压轮腿机器人从概念模型到实际机器人的完整研制过程，所提出的轻量化设计与一体成型制造（LD&IM）方法使机器人研制过程更加高效，可实现45%的减重目标和0.45 m的竖... 详细信息

目的：设计和制造方法对液压驱动机器人的研制至关重要。本文将建立液压轮腿机器人从概念模型到实际机器人的完整研制过程，所提出的轻量化设计与一体成型制造（LD&IM）方法使机器人研制过程更加高效，可实现45%的减重目标和0.45 m的竖直跳跃。创新点：1.提出基于拓扑优化与衍生设计的液压轮腿机器人的轻量化设计方法和基于3D打印的一体成型制造方法；2.提出一种基于线性二次型调节器（LQR）的轮腿机器人跳跃控制方法。方法：1.采用基于拓扑优化和衍生设计的强量化设计方法，实现轮腿机器人结构45%的减重目标；2.结合选择性激光熔化工艺和相应的高精度抛光的一体成型制造工艺，快速高效地完成高质量零件的一体成形；3.在单轮腿机器人的平衡控制回路中使用LQR和基于零动态的控制器，将弹簧负载倒立摆（SLIP）模型应用于机器人跳跃运动的轨迹规划。结论：1.采用基于拓扑优化与衍生设计的液压轮腿机器人轻量化设计方法，实现了45%的减重目标；2.精密加工与3D打印相结合的一体成型制造方法使机器人研制过程更加高效；3.基于LQR的平衡控制器和基于SLIP的跳跃轨迹规划器应用于WLR-IV单腿，实现了0.45 m的竖直跳跃。

关键词：轮腿机器人液压驱动拓扑优化增材制造跳跃控制

基于M元循环移位的MIMO扩频深海水声通信方法

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系统工程与电子技术 2024年

作者：程琳葛威门伟哈尔滨工程大学水声技术全国重点实验室极地海洋声学与技术应用教育部重点实验室(哈尔滨工程大学)教育部哈尔滨工程大学水声工程学院中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室清华大学电子工程系

针对传统扩频通信系统速率低，难以广泛应用于水下通信组网的问题，提出一种将M元循环移位(M-ary cyclic shift keying，MCSK)扩频与多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)通信系统相结合的高效水声通信方法，一方面利用M... 详细信息

针对传统扩频通信系统速率低，难以广泛应用于水下通信组网的问题，提出一种将M元循环移位(M-ary cyclic shift keying，MCSK)扩频与多输入多输出(multiple input multiple output，MIMO)通信系统相结合的高效水声通信方法，一方面利用MIMO系统的空分复用增益及MCSK编码增加信息调制维度，进而实现通信速率的显著提升；另一方面，接收端相应提出一种频域相位共轭能量检测算法抑制码间干扰和同信道干扰并进行低复杂度译码，并通过仿真验证其优越性。在南海南沙群岛以北海域开展的2发8收MIMO深海试验中，成功实现了通信距离为10km和20km处通信速率为257.8bps的低误码水声通信，验证了所提方法的有效性和稳健性。

关键词：扩频水声通信 M元循环移位 MIMO 被动相位共轭频域能量检测

一种考虑弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构的机器人刚度辨识方法

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中国机械工程 2024年

作者：郭万金李儒王利斌郝钦磊曹雏清赵立军长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室长三角哈特机器人产业技术研究院埃夫特智能装备股份有限公司哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室

为解决含有弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构的3T2R型高灵巧性机器人的刚度辨识问题，提出一种考虑弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构的机器人刚度辨识方法，研究弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构对机器人末端变形的影响，辨识机器人... 详细信息

为解决含有弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构的3T2R型高灵巧性机器人的刚度辨识问题，提出一种考虑弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构的机器人刚度辨识方法，研究弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构对机器人末端变形的影响，辨识机器人各关节刚度。首先，分析机器人紧凑性和经济性复合式构型设计的结构特点及作业姿态调整高灵巧性的运动特点，构建机器人雅可比矩阵，并建立机器人末端变形模型，分析机器人弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构对机器人末端变形的影响；其次，考虑机器人弱刚性关节传动链结构和柔性杆结构的共同作用影响及机器人弱刚性大变形的结构特征，进行机器人关节刚度辨识，并对移动关节3进行变刚度建模；最后，设计开展实验验证所提机器人刚度辨识方法的有效性。实验结果表明，所提刚度辨识方法比常规刚度辨识方法所辨识出的机器人关节3、关节4和关节5的刚度分别增大了146.59%、30.18%和36.07 %；在所选6组机器人位姿处末端综合变形实测值和理论计算值的误差率为4%～6％，验证所提刚度辨识方法能够有效辨识机器人各关节刚度。

关键词：刚度辨识弱刚性关节传动链柔性杆机器人末端变形高灵巧性机器人

索-梁-膜张拉式天线展开机构非线性动力学特性及参数优化分析

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机械工程学报 2024年

作者：刘瑞伟张碧峰范雅婷温兆麟肖体兵郭宏伟广州航海学院船舶与海洋工程学院广东工业大学机电工程学院哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室

索-梁-膜组合的张拉式复合结构，具有收纳比高、质量轻、刚柔耦合等特点，是空间可展天线发展方向之一。为研究索-梁-膜天线复杂柔性结构的非线性动力学特性，考虑预应力因素的影响，对一种新型的索-梁-膜张拉式天线进行非线性动力学特... 详细信息

索-梁-膜组合的张拉式复合结构，具有收纳比高、质量轻、刚柔耦合等特点，是空间可展天线发展方向之一。为研究索-梁-膜天线复杂柔性结构的非线性动力学特性，考虑预应力因素的影响，对一种新型的索-梁-膜张拉式天线进行非线性动力学特性分析和结构参数优化。基于非线性动力学理论，采用温度-结构预应力导入方法，建立了预应力作用下的天线展开机构非线性动力学模型。在此基础上，分析不同的预应力、材料参数和结构几何参数对天线展开机构动力学特性的影响规律。结果表明，天线固有频率随着预应力、拉索直径、梁截面面积的增大而增大，随着薄膜厚度的增大而减小，并给出了材料参数的优选值。根据敏感度分析结果，基于多目标遗传算法(MOGA)，进行了天线结构参数优化分析。该结果为该构型天线样机研制提供理论和工程应用基础。

关键词：索-梁-膜结构张拉式天线非线性动力学有限元分析结构参数优化