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复杂环境下DWA与RRT算法融合的AUV局部路径规划

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智能系统学报 2024年

作者：李娟张子浩张宏瀚哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室哈尔滨工程大学智能科学与工程学院

针对复杂水下环境下的自主水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）局部路径规划问题，传统动态窗口法(dynamic window approach，DWA）存在复杂障碍物中陷入局部停滞，动态避障性能不佳等问题，本文提出了一种基于DWA与（rap... 详细信息

针对复杂水下环境下的自主水下航行器（autonomous underwater vehicle，AUV）局部路径规划问题，传统动态窗口法(dynamic window approach，DWA）存在复杂障碍物中陷入局部停滞，动态避障性能不佳等问题，本文提出了一种基于DWA与（rapid-exploration random tree，RRT)算法融合的路径规划算法。改进的DWA算法速度空间根据整个动态窗口的周期生成，重设了评价函数并结合AUV任务环境引入洋流能耗评价函数；改进的RRT算法在局部已知空间内规划导引点，帮助DWA脱离局部停滞状态并实现更安全的动态避障。将2种算法融合，实现了AUV在复杂水下环境中的局部路径规划。仿真表明，该融合算法能够降低AUV在洋流中的能耗代价，解决了DWA在复杂障碍物中陷入局部停滞的问题，能够安全有效地躲避动态避障物。

关键词：自主水下航行器路径规划动态窗口快速扩展随机树速度空间评价函数水下环境动态避障

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动态事件触发机制下的无人艇无模型控制

哈尔滨工程大学学报 2024年第1期45卷 85-92页

作者：张磊郑宇鑫黄兵苏玉民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黑龙江哈尔滨150001

针对复杂海洋环境下无人艇的轨迹跟踪控制问题,本文结合滑模变结构控制与自适应控制,设计了无模型控制器,基于此提出了动态事件触发机制,利用Lyapunov稳定性判据证明了闭环系统一致最终有界,且不存在Zeno现象。仿真试验结果表明:在模型... 详细信息

针对复杂海洋环境下无人艇的轨迹跟踪控制问题,本文结合滑模变结构控制与自适应控制,设计了无模型控制器,基于此提出了动态事件触发机制,利用Lyapunov稳定性判据证明了闭环系统一致最终有界,且不存在Zeno现象。仿真试验结果表明:在模型参数未知情况下,所提控制器具有良好的控制性能,可有效降低执行机构和能源消耗,为无人艇轨迹控制的实际应用提供了有效基础。

关键词：无人艇轨迹跟踪无模型动态事件触发滑模控制自适应控制 Lyapunov稳定性计算资源

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变输出无模型自适应无人艇艏向控制方法分析

中国舰船研究 2024年第1期19卷 75-83页

作者：廖煜雷陈聪聪杜廷朋王博李晔哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工程大学三亚南海创新发展基地海南三亚572024

[目的]针对无人艇(USV)艏向控制存在模型摄动、外部干扰等不确定性问题,提出一种适用于USV的改进无模型自适应控制(MFAC)方法。[方法]基于USV艏向控制子系统存在非自衡特性,直接使用紧格式MFAC方法讨论USV的艏向控制子系统在不确定影响... 详细信息

[目的]针对无人艇(USV)艏向控制存在模型摄动、外部干扰等不确定性问题,提出一种适用于USV的改进无模型自适应控制(MFAC)方法。[方法]基于USV艏向控制子系统存在非自衡特性,直接使用紧格式MFAC方法讨论USV的艏向控制子系统在不确定影响下的控制问题。在标准控制准则中引入历史输入项,提出一种变输出紧格式MFAC方法,削弱USV艏向控制子系统中存在的积分作用。最后,开展艏向控制仿真实验以及“海豚IB”小型USV的外场试验验证所提方法的有效性。[结果]结果显示,相比标准紧格式MFAC方法和PID方法,变输出紧格式MFAC方法的USV艏向控制更加稳定。[结论]所做研究可为USV提供一种对环境扰动、模型摄动等影响不敏感、具有较好自适应性及鲁棒性的艏向控制算法。

关键词：无人艇无模型自适应控制艏向控制非自衡特性变输出

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欠驱动无人艇固定时间轨迹跟踪控制

中国舰船研究 2024年第S1期19卷 10-17页

作者：王巍凯苏航张恩华哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室黑龙江哈尔滨150001 深圳大学电子与信息工程学院广东深圳518060

[目的]针对欠驱动无人艇系统内部存在模型参数不确定以及外部受到未知干扰等问题,提出一种具有抗干扰能力的固定时间轨迹跟踪控制策略。[方法]首先,通过模型转换将跟踪误差系统分为2个子系统,分别开展控制器设计;然后,为解决系统内外的... 详细信息

[目的]针对欠驱动无人艇系统内部存在模型参数不确定以及外部受到未知干扰等问题,提出一种具有抗干扰能力的固定时间轨迹跟踪控制策略。[方法]首先,通过模型转换将跟踪误差系统分为2个子系统,分别开展控制器设计;然后,为解决系统内外的未知干扰问题,基于径向基神经网络和最小参数学习法对不确定项进行估计,从而保证系统具有抗干扰能力;最后,将双曲正切函数与滑模控制相结合,提出一种基于固定时间的跟踪控制方法,以保证无人艇可在固定时间内快速跟踪期望轨迹。[结果]仿真结果表明,跟踪误差可在固定时间内实现收敛并保持稳定,且其收敛时间与初始状态无关。[结论]该控制策略可对系统中的不确定项进行有效估计,具有良好的抗干扰能力,可为欠驱动无人艇的固定时间控制提供参考。

关键词：欠驱动无人艇固定时间控制未知干扰滑模控制最小参数学习法

基于可操作度优化的冗余机械臂逆运动学求解方法

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机械工程学报 2024年第7期60卷 22-33页

作者：杨晓航赵智远李云涛徐梓淳赵京东哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

在运动规划和控制中提升机械臂的灵活性和避免奇异至关重要,一种有效的方法是使可操作度指标最大化。然而可操作度指标是关节角度的非凸函数,优化该指标是一个巨大的挑战,为此提出一种加速度级可操作度最大化(ALMM)方法。首先,通过一种... 详细信息

在运动规划和控制中提升机械臂的灵活性和避免奇异至关重要,一种有效的方法是使可操作度指标最大化。然而可操作度指标是关节角度的非凸函数,优化该指标是一个巨大的挑战,为此提出一种加速度级可操作度最大化(ALMM)方法。首先,通过一种新的多层次同时最小化方案将位置级别的非线性优化问题转化到速度级别和加速度级别,在加速度水平重构最大化可操作度问题。其次,引入最小化速度指标保证系统的稳定性,并使关节角速度维持在较低水平。然后,结合关节的物理极限,将上述问题表述为标准的二次规划(QP)形式进行求解。以SSRMS构型冗余空间机械臂为例进行仿真验证,实验结果表明ALMM方法可以在完成轨迹跟踪任务的同时实现可操作度优化,对比实验证明ALMM方法的有效性和优越性。

关键词：冗余机械臂逆运动学可操作度二次规划

面向在轨建造的空间机器人末端执行器及适配接口设计与验证

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机械工程学报 2024年第3期60卷 1-10页

作者：赵亮亮刘子毅赵京东段启帆王梓睿刘宏哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出... 详细信息

针对大型空间设施在轨建造任务需求,以空间多分支机器人为应用对象,设计了一种末端执行器及三种适配接口,用于完成识别、定位、捕获、搬运、装配、攀爬和探测等任务。通过分析在轨建造任务需求,以装配对象参数、机器人性能等为依据提出了设计指标。制定了末端执行器机械结构、电气系统的总体方案,并设计了三种适配接口;针对容差需求,分析了对接过程的容差条件和力学条件,优化了关键部件几何参数;针对锁紧需求,建立了锁紧过程运动学、力学模型,并采用组合运动规律,优化了圆柱凸轮曲线槽。通过仿真及试验,验证了容差、锁紧设计的正确性,并进行在轨装配、在轨攀爬的地面模拟试验,进一步验证了末端执行器及适配接口的性能,为大型空间设施的在轨建造奠定了基础。

关键词：在轨建造空间机器人末端执行器适配接口对接锁紧

基于CFD的仿生水动力学数值计算方法及其验证

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船舶力学 2024年第2期28卷 204-219页

作者：冯亿坤苏玉民徐小军刘焕兴王兆立国防科技大学智能科学学院长沙410073 哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室哈尔滨150001 北京特种机械研究所北京100143 北京控制工程研究所北京100094

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以... 详细信息

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略,对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明:基于CFD方法,采用结构与非结构混合的网格划分策略,应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟,通过与实验结果进行对比,验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

关键词：仿生水动力尾鳍胸鳍仿生鱼自主游动

响应型固体功能表面的浸润性可逆调控研究进展

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机械工程学报 2024年第7期60卷 144-173页

作者：吴春亚孙瑞江侯博李曦光吴佳昊刘畅陈明君哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室哈尔滨150080 哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150001

浸润性可逆调控响应型表面是一种通过外部刺激响应材料或形貌可控微观结构实现静态/动态浸润性可逆转换的固体表面,可有效解决传统特殊浸润表面性能单一、结构固定等问题,更符合基础研究和工程现场的多样化、时变性应用需求。着眼于表... 详细信息

浸润性可逆调控响应型表面是一种通过外部刺激响应材料或形貌可控微观结构实现静态/动态浸润性可逆转换的固体表面,可有效解决传统特殊浸润表面性能单一、结构固定等问题,更符合基础研究和工程现场的多样化、时变性应用需求。着眼于表面浸润性能主观调控中关键技术的发展态势,综述分析了响应型固体表面的类型特征、制备方法和应用前景。根据外部刺激类型,将响应型功能表面归纳为基于化学组成和基于微观结构两大类,重点围绕光响应型、温度响应型、pH响应型和磁场响应型等功能表面的响应材料、响应原理、调控机制及性能特点展开系统分析,聚焦于两类响应功能表面制备方法,梳理其基本原理、技术特色及其优劣性,并深入探讨了两类表面在可控油水分离、微液滴/流体操控等领域的潜在应用价值。最后指出了浸润性可逆调控表面在发展过程中需要面临的挑战和仍需注重解决的问题,希望能为后续人工响应型功能表面研究工作的大规模推进提供参考。

关键词：功能表面可逆调控浸润性响应类型制备方法应用前景

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3D打印制备金属盐掺杂熔石英玻璃

硅酸盐学报 2024年第5期52卷 1562-1569页

作者：彭可付华龙于天宇吴攀姚佳慧陈明君哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨工业大学机电工程学院

增材制造技术在制造复杂形状零件方面具有显着的优势，然而熔石英玻璃的3D打印技术仍有待开发。基于液晶显示3D打印成型技术，研究了脱脂、金属掺杂、烧结等工艺，并制备了致密透明的熔石英玻璃样件，研究掺杂Cr3+、Co2+2种金属离子的... 详细信息

增材制造技术在制造复杂形状零件方面具有显着的优势，然而熔石英玻璃的3D打印技术仍有待开发。基于液晶显示3D打印成型技术，研究了脱脂、金属掺杂、烧结等工艺，并制备了致密透明的熔石英玻璃样件，研究掺杂Cr3+、Co2+2种金属离子的熔石英玻璃致密化和光学吸收特性。研究发现掺杂含Cr3+、Co2+2种金属离子的熔石英玻璃具有独特的光学吸收性能，掺杂熔石英玻璃能保持无定型结构，可对特定波段光谱进行过滤，掺杂Cr3+的绿色熔石英玻璃对波长471nm的蓝光和波长660 nm的红光过滤明显；掺杂Co2+的蓝色熔石英玻璃对波长597 nm的黄光和波长662 nm的红光过滤明显，在集成复杂光学元件结构应用方面拥有一定的潜力。

关键词：熔石英玻璃液晶显示成型 3D打印金属盐掺杂