地面移动机器人越障动力学建模与分析

对采用轮—腿—履带复合型移动机构的地面移动机器人进行了研究,首先分别描述了机器人采用腿—履带、轮—腿—履带两种方式的越障过程,进而对腿—履带复合越障过程进行了动力学建模,分析了电机驱动力矩与机器人速度及障碍物高度等之间的关系,为确定机器人的复杂环境适应能力提供理论依据.     

履带动态张紧力的动力学仿真

履带车辆的履带动态张紧力在很大程度上决定行动部分各元件的载荷、履带寿命、功率损失和履带脱落的概率.该文用多体动力学软件RecurDyn,以某履带车辆为原形建立履带车辆的多刚体模型,并建立有效的不同等级的路面模型.模型中履带子系统有六个自由度,能够真实的模拟履带运动的实际情况.通过对车体上几个固定位置处履带张紧力的变化和履带上参考履带板的受力变化,来检测履带动态张紧力的变化.分别改变路面、速度、预张紧力等相关影响因素做多组计算,对比分析了履带动态张紧力的变化情况.     

摇杆式履带悬架的构型推衍及其在煤矿救灾机器人上的应用

为使机器人行走机构既能被动地适应崎岖的非结构地形,又能克服台阶、沟道等规则障碍,将履带行 走机构引入摇杆式移动系统中．通过增加摆臂履带和固定关节角,推衍了多种型式的摇杆式履带悬架构型,分析了 各悬架构型的特点．结合煤矿井下非结构的地形环境与爆炸性气体环境,提出了一种采用对称的W 形履带悬架的 摇杆式履带机器人移动系统,并制作了样机．分析了该移动系统的抗倾覆、攀爬台阶、下台阶、跨越沟道等越障特 性并进行了性能试验．性能分析与样机试验表明,摇杆式履带机器人移动平台可适应复杂的非结构地形,具有良好 的越障性能,可攀爬100 mm 高的台阶,下450 mm 高的台阶,跨越260 mm 宽的沟道．     

履带可变形机器人越障性能研究

将椭圆定理应用于履带机器人构型设计,研制了履带连续张紧且履带长度保持不变的履带可变形机器人.该机器人重心位置可以通过摆臂转动进行较大幅度的调节,具有较好的越障性能.为充分了解机器人的越障能力,对机器人跨越台阶和沟壑两种典型障碍的运动过程进行了分析.在机器人跨越障碍运动机理的基础上,对越障过程中的关键状态进行了运动学和动力学分析,根据实际情况,选择几何条件、打滑以及稳定性作为约束条件,得到了机器人能跨越的最大障碍的理论值.最后,建立机器人仿真平台,根据理论计算得到的障碍值,对攀爬台阶和跨越沟壑进行仿真实验,并进一步进行了样机实验,验证了机器人的越障能力.     

基于改进头姿估计方法的机器人轮椅交互控制

针对现有迭代最近点（ICP）头姿估计算法存在迭代次数偏多且易陷于局部最优、而随机森林（RF）头姿估计算法准确性和稳定性不高的问题,提出一种新的头姿估计改进方法,并基于该改进方法构建机器人轮椅实时交互控制接口．首先,分析现有迭代最近点头姿算法与随机森林头姿算法在准确性、实时性及稳定性方面存在的问题,并提出一种新的基于随机森林与迭代最近点算法融合的头姿估计改进方法;其次,为实现头姿估计到机器人轮椅交互控制的无缝连接,建立基于传统机器人轮椅操纵杆的头部姿态运动空间映射;最后,在基于标准头姿数据库分析改进头姿估计方法性能的基础上,构建机器人轮椅实验平台并规划运动轨迹,以进一步验证基于改进头姿估计方法的人机交互接口在机器人轮椅实时控制方面的有效性．实验结果表明,改进后的头姿估计方法较传统迭代最近点算法减少了迭代次数且避免了陷于局部最优,在仅增加少量运算时间的基础上,其准确性和稳定性都优于传统随机森林算法;同时,基于改进头姿估计方法的人机交互接口亦能实时平稳地控制机器人轮椅沿既定的轨迹运动．     

一种新型煤矿救援机器人履带行走机构设计

从履带机构的结构复杂度、越障性能、可操作性以及履带的接地比压4个方面分析了现有煤矿救援机器人履带行走机构的优缺点,针对现有履带结构的优缺点设计了一种新型履带行走机构的结构;结合煤矿救援机器人的相关要求,给出了该新型结构主要尺寸的优化计算公式;根据所提出的计算公式,设计了CUMT-5型煤矿救援机器人。CUMT-5机器人的实际运行结果表明,该新型履带行走机构结构简单,越障性能好,具有良好的可操作性。     

四履带双摆臂机器人越障机理及越障能力

为发挥四履带双摆臂机器人的最佳越障性能,本文从运动学的角度,在固定双履带机器人越障机理的 基础上,分析了四履带双摆臂机器人克服台阶、斜坡、沟道等典型障碍的运动机理及其最大越障能力,重点研究了 四履带双摆臂机器人正向和反向两种攀越台阶方式的运动机理及其最大越障能力．以CUMT-II 型煤矿探测机器人 样机为例,绘制了机器人仰角、摆臂摆角与跨越台阶高度的3 维关系图,以及斜坡坡度与摆臂摆角关系曲线,并求 出了相应的最大越障能力的理论值,与实验室实测数据进行了对比分析．本文推导出机器人的最佳越障性能及对应 的质心和摆臂的位置,可为机器人越障时质心位置的控制提供理论依据．     

一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人的设计与研究

针对爬壁机器人在复杂壁面工作时越障能力弱、移动迟缓和吸附力不足等问题,设计了一种基于行星履带轮越障与混合双吸附补偿的爬壁机器人,并对壁面移动和越障的性能进行研究。首先根据机器人在壁面上的运动原理,建立其力学模型,计算出沿壁面移动和越障所需的吸附力;进一步结合其受力情况,对越障过程中爬升阶段和跨越阶段的吸附力补偿模型和行...     

高速履带车辆履带预紧张力对平顺性的影响

高速履带车辆的机动性、平顺性和可靠性研究是高速履带车辆机动性研究的重要内容。目前在理论分析中，通常不考虑履带预张紧力对车辆平顺性的影响，在工程实际中履带预张紧力常根据使用经验来确定，也不考虑对车辆平顺性的影响。因此，履带预张紧力对高速履带车辆的平顺性的影响不得而知。该文应用多刚体动力学软件ReeurDyn建立了某高速履带车辆的非线性实体模型、路面模型和履带模型。在同一车速、相同路面下，分别以6％、8％、10％、12％和14％的履带预张紧力进行了车辆行驶仿真计算。履带预紧力太小，履带容易脱带，履带预张紧力太大，履带和主动轮磨损剧烈，通过对计算结果比较分析，该高速履带车履带预张紧力取8％左右较为合适，而且随着履带预张紧力的增加，高速履带车辆振动加剧。     

动态环境中基于改进粒子群的机器人路径规划

提出一种模糊隶属度函数对动态环境中机器人的运动状况进行建模,该建模方法不会无谓地牺牲机器人的可运动空间,可尽量减少机器人路径规划的约束强度;同时提出通过调整位置加权趋向无约束最优解的算子改进粒子群算法,提高算法的寻优速度。仿真结果表明,通过两者结合,可快速获得动态环境中的优化路径。     

Active tension optimal control for WT wheelchair robot by using a novel control law for holonomic or nonholonomic systems

The characteristics of interaction between WT wheelchair robot and stair environments is analyzed and possible patterns of WT wheelchair robot during the stair-climbing process are summarized, with criteria to determine the pattern of the wheelchair robot proposed. Aiming at the complicated mechanism of WT wheelchair robot with holonomic constraints and combining it with the dynamic programming, namely the Hamilton-Jacobi equation, a new control law called active tension optimal control is presented for holonomic or nonholonomic robotic systems, based on which one can make the wheelchair robot with a holonomic or nonholonomic mechanism track the expected reference input of constraint forces of holonomic or nonholinomic constraints as well as track the expected reference input of the generalized coordinate of each joint. The module STATEFLOW in MATLAB is used to simulate the entire stair-climbing process of WT wheelchair robot, and comparison is made between the output curves of each joint and the tension of the track and the expected reference input curves, which verifies the effectiveness of the proposed control law.     

On Climbing Winding Stairs in an Open Mode for a New Robotic Wheelchair

This paper presents the mechanical design, locomotion and associated dynamic models of a new robotic wheelchair on climbing winding stairs. The prototype stair-climbing robotic wheelchair is constructed comprising a pair of rotational multi-limbed structures pivotally mounted on opposite sides of a support base so that the robotic wheelchair can ascend and descend stairs; in particular, the capability of climbing winding stairs is addressed. Based on the skid-steering analysis, the dynamic models for climbing winding stairs are developed for the trajectory planning and motion analyses. These models are required to ensure a passenger's safety in such a way that the robotic wheelchair is operated in an open mode. Moreover, an equivalent constraint method is proposed for the prescribed motion of the robotic wheelchair on climbing winding stairs. The results of the simulation and maneuver are reported that show the behavior of the prototype as it climbs winding stairs in a dynamic turning.     

保证智能轮椅平滑通过狭窄通道的路径曲率优化算法

为了使用户更感舒适,智能轮椅应该能在具有复杂几何约束的室内环境下平滑地通过狭窄通道.本文提出一个基于路径曲率优化的算法以确保智能轮椅平滑地通过狭窄过道.考虑到路径平滑度取决于路径曲率及其变化率,在通过传感器数据计算出狭窄通道相对于轮椅的位置后,算法以贝塞尔曲线的曲率及其变化率最小为优化目标,以轮椅过通道时的方向及贝塞尔多边形应为凸多边形作为约束,规划出一条平滑的最优路径,然后控制轮椅实时跟踪这条路径.上述过程动态循环运行,实现了智能轮椅平滑通过狭窄通道.仿真中将本文算法同基于A*的路径规划导航算法进行了对比,结果表明本文提出的基于曲率优化的算法可以实现比A*算法路径曲率更小且更加平滑的过狭窄通道过程,并且即使在没有全局地图和定位信息情况下,算法也能控制轮椅平滑地通过狭窄过道.实验中详细阐述了算法的实现过程,实验结果也证实了算法的有效性.     

Stair-climbing wheelchair with lever propulsion control of rotary legs

This paper describes a novel stair-climbing wheelchair operated by human upper body using lever propelled rotary-legs with posture transition mechanism. The design principle of this wheelchair is to make use of the user's latent upper body capability, with appropriate mechanisms to enable extended functionality of the regular wheelchair without the need of heavy, expensive mechanisms or electric motors. An arm-operated mechanism allows the user to overcome steps and stairs independently without any external power source. The developed wheelchair consists of manual wheels with casters for planar locomotion, which provides capabilities equivalent to a regular manual wheelchair. In addition, the wheelchair has a rotary-legs mechanism based on lever propulsion control for climbing stairs. It also has a passive mechanism powered by gas springs for posture transition to shift the user's center of gravity between two positions for planar locomotion and for stair-climbing. The proposed design consists of only passive components, which makes the wheelchair more compact and lightweight. In this paper we describe in detail the development of this wheelchair and an investigation of how users can climb stairs independently. We also present evaluation experiments with a healthy participant and a dummy to investigate the feasibility of the proposed design.     

高效能云计算虚拟机优化部署策略

针对云计算应用负载需求的动态变化特性,提出了一种自适应虚拟机优化部署策略。算法通过基于强局部加权回归的热点发现机制,可以根据负载所体现的资源占用历史信息动态决策主机的超载时机;通过迁移周期最优算法MPM和迁移量最少算法MNM进行超载主机的迁移虚拟机选择;提出基于功耗感知的PBFDH算法对迁移虚拟机再次优化部署。实验结果表明,算法不仅可以降低能耗,还可以降低SLA违例率。     

无人机辅助的双层深度强化学习任务卸载算法

为了解决无人机轨迹优化、用户功率分配和任务卸载策略问题,提出了一种双层深度强化学习任务卸载算法。上层采用多智能体深度强化学习来优化无人机的轨迹,并动态分配用户的传输功率以提高网络传输速率;下层采用多个并行的深度神经网络来求解最优卸载决策以最小化网络的时延和能耗。仿真结果表明,该算法使得无人机能够跟踪用户的移动,显著降低系统的时延和能耗,能够给用户提供更优质的任务卸载服务。     

Constrained Markov control model and online stochastic optimization algorithm for power conservation in multimedia server cluster systems

This paper presents a novel Markov switching state space control model for dynamically switching resource configuration scheme to achieve power conservation for multimedia server cluster systems. This model exploits the hierarchical dynamic structure of network system and its construction is flexible and scalable. Using this analytical model, the problem of power conservation is posed as a constrained stochastic optimization problem with the goal of minimizing the average power consumption subject to the constraint on the average blocking ratio. Applying Lagrange approach and online estimation of the performance gradient, a policy iteration algorithm is proposed to search the optimal policy online. This algorithm does not depend on any prior knowledge of system parameters, and converges to the optimal solution. Simulation results demonstrate the convergence of the proposed algorithm and effectiveness to different access workloads.     

基于粒子滤波的非线性系统静态参数估计方法*

针对基于滤波方法的最大似然参数估计步长序列过于单一,算法收敛缓慢并很容易收敛于局部最优解的问题,提出了基于似然权值的在线EM参数估计算法(LWOEM)。通过粒子滤波方法实时估计系统的状态值变化,结合最大似然方法计算静态参数的点估计,然后通过计算更新参数的似然值来动态更新步长序列.与在线EM参数估计算法(OEM)的实验结果比较,表明该算法具有更好的适应性和收敛效果。     

结合粒子滤波与Mean shift的高速运动目标跟踪

Mean shift跟踪算法能够有效跟踪视频序列中的各种运动目标,但是该算法无法准确地跟踪视频中高速运动目标.通过分析mean shift算法的原理,指出mean shift对高速运动目标跟踪失效的原因,提出一种基于mean shift的粒子滤波跟踪的新算法.通过实验比较,该算法能改善了Mean shift算法对高速运动目标的效果,并且在存在干扰目标的情况下具备良好的跟踪效果.