一种开放式的模块化自重构机器人

针对模块化机器人的控制和形态参数移植过程复杂的问题,提出了一种开放式的模块化自重构机器人EMERGE。首先基于自由度、外形特性和连接面的分类描述分析,确立了模块的基本特征。在此基础上,通过对模块的连接机制、控制系统的分析设计,给出了开放式的实体模块化机器人。然后在仿真环境中基于移动任务对由EMERGE模块所组建的机器人的形态参数和控制参数进行进化。最后将仿真中得到的模块化机器人的构型和控制参数移植到实体机器人上进行可移植性实验。实验测试表明,该机器人模块结构简单、组装容易、硬件开源、简单易用,具有快速构建、测试不同形态的机器人的能力,有效地减少了移植的时间成本和耗材成本。

MG561电磁调速采煤机遥控器研究与实现

以MG561电磁调速采煤机为对象,设计了以C8051F340和nRF24L01为核心的基于总线型的采煤机的遥控器系统,从硬件电路和软件设计两方面阐述了系统的组成和原理。系统在对采煤机控制的基础上增加了采煤机运行参数的显示功能,实现了闭环控制。此外设计了自定义的总线型的Modbus协议,通用性强、扩展性好。

具备分布式控制和环境感知能力的第二代模块化机器人EMERGE

针对第一代EMERGE模块化机器人控制系统和感知能力的局限性问题,在第一代基础上,提出了集成分布式和集中式控制方式的、具备周围环境感知能力的第二代EMERGE模块化机器人。首先分析了第一代机器人的基本性能特征,确立了模块升级改造的方向。在此基础上,通过对模块的连接机制、控制系统的分析设计,给出了具备控制方式切换功能的分布式和集中式的控制系统,实现了控制方式的灵活切换以及模块间自由通信的能力。此外,在模块的四个连接面上设计了接近距离传感器,实现对周围环境的感知能力。最后以第二代的机器人为实验对象,进行了蠕动和迷宫运动实验。实验结果表明,第二代EMERGE模块化机器人控制系统可靠、控制方式灵活,拓展了机器人执行不同任务的能力。

环形构型的模块化机器人系统动态运动规划

针对环形模块化机器人的静态运动存在着速度慢、易卡顿、灵活性低的问题,提出一种利用惯性和质心偏移来辅助完成移动的动态规划方式。首先对EMERGE模块的运动性能以及由此模块组成的环形构型拓扑进行分析,确立了动态运动规划方式的前提条件。然后在以平行四边形为核心的静态运动规划的基础上,加入惯性和质心偏移的辅助条件,并建立环形机器人动态运动模型。最后,以8个EMERGE模块组成的环形构型机器人为实验对象,进行了动态运动规划实验。实验结果表明:环形构型的动态运动方式能够以稳定的方式进行直线前行;拥有比静态运动方式更快的运动速度和机动性能,大幅度减少了模块前行所需的关节角变化,为模块化机器人的实际应用提供了更多可参考的运动方式。

电磁调速采煤机闭环控制系统参数辨识研究

针对电磁调速采煤机存在闭环PID,控制参数调整效率低,调试困难,从而影响采煤机工作性能的问题,进行了控制系统参数辨识技术研究。为高效调整电磁调速采煤机PID控制参数,使电磁调速采煤机在实际运行时达到预期的性能需求,提出了一种基于继电反馈自整定的电磁调速采煤机系统参数辨识方法,引入继电串级反馈控制,分别对速度外环和电流内环的控制参数在线优化,其更新控制器参数是在系统的稳定工作点附近,并且是在闭环的运行过程中完成的,可自动测定等幅振荡周期,缩短了调整时间,不影响正常的工作过程,系统不需要断电重启,有利于自适应参数电磁调速采煤机闭环控制系统的连续更新运行。仿真和试验结果验证了该方法的辨识参数结果的有效性,改善了控制系统的抗干扰能力。

基于Cortex-M3的电磁调速采煤机软件升级研究

为实现综合自动化工作面的电磁调速采煤机远程升级维护,完成功能性迭代,以Cortex-M3内核为主控制器的电磁调速采煤机为例,分析BOOT Loader的启动原理,定制升级程序的存储器分配,实现用户软件的加载和卸载,并定义了高效的实时通信协议。在山西吕梁荣泰煤矿自动化工作面电磁调速采煤机中实践应用结果表明,一次性软件升级成功率达90%以上,通过多次加载完成可靠的软件升级,可大幅减轻井下机电工人的维护工作量。

模块化机器人的构型拓扑方法研究

针对EMERGE模块化机器人的结构特点和构型特性,提出了一种准确描述模块化机器人构型关系的构型拓扑描述方法。首先基于模块的自由度和外型特征,得到模块的运动特性,确立了构型组建过程中单个模块的状态表;然后对构型组建过程中相邻模块之间存在的不同连接方式及连接关系进行分析,提出了一种以二进制数为基础的状态表达法,并根据机器人的模块状态和连接状态建立了可以完整描述机器人构型的拓扑表达矩阵。最后,以EMERGE模块所组建的蛇形构型和双足构型机器人为算例,进行了拓扑描述实验。结果表明,该拓扑描述方法表述清晰,易于理解,简单易用,能够为后续模块化机器人的自重构策略研究提供理论基础。

嵌入式电磁调速采煤机速度反馈环节的实现

采煤机速度反馈在采煤机速度调节方面占有相当大的比重,而速度调节直接影响采煤机的工作状态。由于在采煤机速度反馈环节存在反馈的信号误差较大、响应速度慢、抗干扰能力差等问题且现阶段利用单片机、PLC、DSP等作为CPU控制速度反馈环节容易使反馈环节中参数漂移,控制精度相对而言不够精确,针对以上情况文章提出了以ARM11为控制核心,基于CANopen协议速度反馈环节的Linux嵌入式操作系统,同时采用PID双闭环调速控制。结果证明,采用此方案提高了采煤机速度反馈的准确度、速度的稳定性、加快了速度反馈的响应。

电磁调速采煤机电控系统防浪涌装置的设计

针对电磁调速采煤机电控系统在EMC试验中,因浪涌电压冲击引起系统通讯中断的问题,从浪涌电压幅值、能量、干扰方式以及保护策略等方面进行研究分析,结合实际需求选用限压型压敏电阻和瞬态抑制二极管作为浪涌抑制元件,设计了具有两级保护的防浪涌装置,并在两级间辅以退耦部分延缓后级响应时间,使两级配合更完善。经仿真与现场试验,其性能指标完全符合现场要求,对峰值为2 k V的1.2/50μs浪涌电压抑制效果良好,可将输出电压稳定在24 V,保证了电控系统在井下环境中安全稳定地运行。

时间触发以太网时钟同步协议攻击行为的性能评估方法

时间触发以太网时钟同步协议的PCF(protocal control frames)是决定该网络能否正常工作的核心要素,一旦发生针对PCF帧的攻击行为,可能会导致整个时间触发以太网的时序错乱和瘫痪。为了更好地深入分析这种攻击行为,提出一种针对PCF帧的攻击行为的性能评估方法,可对攻击者能力和攻击造成的影响进行有效评估。首先以不同阶段的时钟同步过程为考量依据,对攻击行为的实施过程和造成的影响进行详细分析,建立针对PCF帧的攻击行为分类框架。然后对攻击行为的要素进行分析提取,并结合量化参数,推导出攻击行为性能量化的数学表述。最后通过典型示例,对提出的方法进行应用说明,结果表明,本文方法可以较为合理地对攻击效能进行评估。

模块化机器人的模块形态特性

针对目前尚无一种通用的方法对模块形态与模块化机器人的性能关系进行分析研究,以EMERGE模块形态为目标对象,基于进化设计的思想,提出一种模块形态的评估方法。首先,依据模块可用的连接面数量及其相对位置对模块形态进行分类分析。然后采用结构化的进化设计策略,以平面的移动任务为算例,在机器人仿真平台中分别对由不同种类形态的模块组建的机器人进化,得到每种模块形态下性能最优的机器人,并比较各自的性能。最后,对不同种类的最优性能的仿真机器人进行实体机器人验证。结果表明该评估方法可有效提高设计高性能模块化机器人的效率,仿真和实体机器人试验验证了方法的有效性。