自主式水下机器人试验平台研制与实验研究

为了进行自主式水下机器人智能行为的研究,自行研制了“海狸”水下机器人试验平台.介绍了“海狸”水下机器人的系统结构,在分析推进器性能的基础上,通过数字罗盘、加速度计以及深度计等传感器获得的运行速度、角速度等位姿信息,建立了水下机器人前向运动模型,进行了水下机器人运动控制与状态监测系统的实验研究.水池实验结果表明,“海狸”水下机器人可实现自主式水下机器人的基本运动控制,所建立的水下机器人前向运动模型能够描述水下机器人试验平台的动态行为,状态监测算法能够识别水下机器人的典型故障,从而验证了所提算法的有效性,同时也验证了作为水下机器人智能行为研究载体的试验平台的有效性和可行性.

水下机器人广义预测控制算法及能耗问题研究

对水下机器人,本文把输出量的变化作为系统优化目标,提出了一种广义预测控制算法,使其能够抑制各种噪声引起的输出波动,从而减少了系统的能量消耗.水下机器人艏向速度在线控制水池实验的结果验证了在满足设定控制指标的条件下能够抑制水下机器人艏向速度波动和减少能量消耗.

移动机器人模糊PID运动控制技术研究

针对轮式移动机器人系统的非线性和常规PID控制方法的不足，将模糊推理与常规PID控制相结合，设计了一种基于参数自整定的模糊PID运动控制系统，给出了参数自整定规律，给出了以参数分配器实现移动机器人线速度和角速度的双闭环控制方法．在自行研制的移动机器人上进行了运动控制实验研究．结果表明，该运动控制系统比常规PID控制方法相比的机器人响应速度快，线速度和角速度控制的超调量及稳态误差等控制品质得到了明显改善，同时该运动控制系统具有较强的抗干扰能力．

被动式摆动水翼潮流能量获取技术实验研究

针对传统的旋转叶片式水轮机在潮流能量获取过程中存在的问题,提出一种模仿水中生物尾部摆动的被动式摆动水翼潮流能量获取技术。在分析水翼的运动规律和功率系数、效率、折算频率等各参数之间关系的基础上,设计了被动式摆动水翼潮流能量获取实验装置;在三套正反向曲柄摇杆机构的作用下,被动式摆动水翼实现了两自由度周期循环,利用飞轮克服曲柄摇杆机构运动中存在的死点问题,利用扭矩传感器实现了输出轴的转速信号和转矩信号提取;循环水槽环境下完成了被动式摆动水翼能量获取实验,实验结果表明利用被动式摆动水翼能够进行潮流能量获取,当折算频率为0.096时,最高能量获取效率达到18%。

水稻浸种催芽箱设计

为了提高水稻秧苗质量,设计了一种水浸入式水稻浸种催芽设备.该设计利用水作为导热介质,自动对水稻种子进行升温、降温、控温、保温等工艺控制,保证水稻种子在浸种催芽不同阶段所需的水分、温度,实现水稻种子在该设备内一次性完成标准化的浸种、破胸、催芽等生产过程.该系统采用以可编程逻辑控制器(PLC)作为控制器、触摸屏并采用人机界面的控制方式.触摸屏将系统操作状态以及温度当前值显示在界面上,并将各项设定值输入PLC中.系统工作时,PLC分析温度传感器模块返回的数据和电子式液位开关采集回来的信号,并且按照程序实现计算和控制的功能,实现水泵、电加热器和电动阀的开闭,以及水的加热和流向.同时,系统还配有报警装置,以保证系统安全正常的运行.

基于VisualC++6.0的多层前馈神经网络训练系统的实现

基于VisualC ++6 .0软件 ,开发了多层前馈神经网络训练系统 ,通过参数设置 ,该系统可以对教师样本进行学习 ,具有参数调整方便、界面友好等特点 ,通过对电火花线切割加工状态的识别 ,证明了本训练系统是有效和可行的 .

基于多目标拓扑优化的拖缆机机架结构优化

针对现有船用大型拖缆机结构优化问题,采用多目标拓扑优化方法对大型拖缆机机架进行概念设计。拖缆机机架的优化目标主要有重量、刚度、固有频率3个方面,分别求得各个目标的最优解和最差解,并且利用折衷规划法求出目标函数,实现了复杂工况下的拖缆机机架结构的多目标拓扑优化。经过优化后的拖缆机机架在质量、刚度和固有频率各方面都得到了一定程度的改善。优化结果表明了基于动态和静态的多工况多目标拓扑优化方法在海工装备设计过程中的实用性,为海工装备的结构优化设计提供了理论参考。

基于浮力调节的AUV升沉运动控制技术

研究基于浮力调节的自主式水下机器人(Autonomous underwater vehicle,AUV)升沉运动控制问题。分析了海水密度与深度的关系,研究了潜深对AUV升沉运动及浮力调节系统的影响,建立了基于浮力调节的AUV升沉运动动力学模型,提出了一种基于浮力调节的AUV滑模模糊控制方法,进行了基于浮力调节的AUV升沉运动控制仿真研究和定深控制水池实验验证,讨论了基于垂推和浮力调节进行升沉控制的能耗对比。

基于多轴运动控制器的二轴转台控制系统

为了实现二轴试验转台的控制系统,采用工业计算机为上位机,采用开放式多轴运动控制器为下位机,建立速度内环和位置外环的双闭环结构,分析了转台核心部件的选用原则和方法.针对转台运行中负载力矩的不确定性,利用多轴运动控制器的PLC程序实现转台状态信息的监控,提出了应用自适应PID控制技术动态调整PID控制器的比例、微分、积分参数.实验结果表明:它能够有效地抑制变负载对系统的影响,提高了转台的快速响应性能和跟随误差.

海龟柔性前肢仿生推进研究

为探讨水翼法推进方式,进行了海龟柔性前肢仿生技术研究.基于水翼法运动解析,研究了海龟柔性水翼的弦向形变特征、反卡门涡街脱泻及斯特劳哈尔数等,推算出水翼尾涡脱泻的斯特劳哈尔数位于0.2～0.45之间,雷诺数位于3×10~2～3×10~4之间;根据海龟水翼粘弹本构特性,研制了半骼式仿生柔性水翼,并对其进行柔性形变和组织模态分析.通过水下仿生实验平台进行了半骼式柔性水翼和全骼式刚性水翼推进的直航、转艏性能对比实验,实验结果显示,虽然柔性水翼只有在较高ω_1值拍动时的推进效率才高于刚性水翼,但其速度增长率却始终高于刚性水翼;并且随着ω_1值的增长,柔性水翼对于样机速度减振方面的作用一直存在且越来越明显.实验研究结果为柔性水翼操纵与控制研究提供了技术基础.

基于神经网络的自治水下机器人广义预测控制

针对自治式水下机器人高度非线性和时变性的特点,提出了一种基于神经网络的水下机器人广义预测控制策略.利用改进型Elman网络作为多步预测模型,在对网络学习算法进行改进的基础上,实现了Elman网络的在线学习,并提出了用于求解神经广义预测控制律的灵敏度公式.进行了具有神经网络在线学习功能和不具有在线学习功能的水下机器人的速度控制实验,并就预测控制效果进行了对比分析.实验结果表明,具有自适应学习功能的水下机器人速度控制法的精度要优于不具有在线学习功能的速度控制法,且当水下机器人动态特性发生变化时具有较强的自适应能力.

水翼法推进机理及操纵技术研究

研究了水翼法推进机理和操纵技术。通过海龟运动实时状态监测,分析了水翼法推进运动特性,从水动力、流场等角度探讨了水翼法推进机理和多元协调操纵方式,建立了水翼推进水动力表达式。为研究水翼运动时流场演变及作用机理,利用Fluent软件进行了水翼运动流体动力学数值模拟,分析了流场和水翼几何参数的变化对推进作用的影响,得出了水翼运动轨迹的形态特征。研制了模块化仿水翼推进载体,进行了载体运动性能试验研究,探讨了载体运动的操纵技术。试验结果验证了水翼法推进的可实现性和仿水翼操纵技术的可行性。

基于稳态自适应技术的水下机器人系统在线辨识

针对水下机器人运动和作业过程中的有效载荷变化使得机器人动态特性也相应地发生变化的特点,以开架式无缆水下机器人为研究对象,在对其动力学模型进行简化的基础上,提出了一种基于稳态自适应技术的在线参数辨识方法,进行了与基于最小二乘法的离线参数辨识的对比实验以及水下机器人特性发生变化时的在线辨识实验,水池实验结果验证了基于稳态自适应技术的参数在线辨识方法对开架式水下机器人进行系统辨识的有效性和可行性。

基于自校正神经网络的预测控制系统设计

为改善数控线切割加工过程伺服控制性能,提出了一种基于自校正神经网络预测控制系统总体结构,建立了用于离线训练控制器的对象模型以及可以进行多步前向预测的预测模型,设计了基于预测模型提供的梯度信息进行学习训练的神经网络控制器.以数控线切割机床加工过程控制为研究对象,对该系统进行了计算机仿真并进行了结果分析,结果表明本文所提出的基于自校正神经网络预测控制系统具有较好的控制效果.

仿生水翼推进系统研制与实验研究

为探讨水下非螺旋桨推进方式,进行了海龟水翼法推进仿生技术研究.研制了"Leonardo"号仿生水翼推进系统,包括推进执行系统、控制与感知系统和通讯与能源系统等,并进行仿生水翼推进系统直航和原地转艏运动的变参数测试实验,验证了数值模拟试验中水翼运动水动力对于系统运动的影响.实验结果表明,水翼拍旋角速度对于系统的直航速度呈降加速度正比影响;位旋幅值对于系统运行的速度稳定性有一定影响,并能对系统直航速度和加速度产生先增后抑的作用;蹼翼偏置角度对于系统转艏速度的影响呈余弦波形式分布等.这些仿水翼法推进水动力性能的研究为仿生水翼推进系统运动控制策略研究提供了依据.

半主动升沉补偿系统的非线性建模与仿真

为验证液压缸非线性力对半主动升沉补偿系统的影响,设计了一种半主动升沉补偿系统的非线性模型,并提出了提高系统补偿效率的方法。首先建立液压缸受到的非线性摩擦力和非线性弹簧力的仿真模型,然后将非线性力的影响加入到被动和半主动升沉补偿仿真模型中,最后提出了增大液压缸和蓄能器之间的油管直径的方法以提高半主动升沉系统补偿效率。仿真结果表明:在峰值为6 m,周期为10 s的规则正弦波浪作为船舶升沉位移输入时,非线性摩擦力会使被动和半主动升沉补偿系统的补偿效率降低,而非线性弹簧力对系统的影响较小,可以忽略不计。提出的方法能有效提高半主动升沉补偿系统补偿效率。

基于PID算法的船舶航迹自动控制

为实现船舶的航迹自动控制,利用视线引导策略,建立了航迹跟踪方法,在推导船舶动力学模型的基础上,设计了船舶航向PID控制器。海上航迹自动控制实验表明该方法能够用于船舶的航迹控制,实现了船舶航迹自动控制的目标。

基于神经网络的数控线切割加工状态建模技术研究

研制了一种数控线切割机床智能状态监测系统,实现了特征信号的实时采集与处理,基于人工神经网络技术建立了数控线切割加工状态模型,提出了运行状态综合劣化度的概念及其量化方法,实现了数控线切割加工状态在线辨识与运行状态在线监控.实验证明,该系统能够快速采集特征信号并进行去噪声处理,所建立的加工状态模型能够正确地识别加工状态,运行状态劣化度实时客观地评价了数控线切割机床的运行状态,从而有效地避免了机床严重故障的发生.

基于改进水平集结构拓扑优化方法的理论研究

通过水平集拓扑优化方法建立了以结构的刚度最大化为目标函数、以结构的体积为约束条件的优化问题数学模型;通过反应扩散方程来更新水平集函数,同时实现了结构的形状和拓扑优化。针对水平集拓扑优化方法在求解优化模型时出现的体积约束不收敛的问题,分析了问题产生的原因,提出了拉格朗日乘子的直接与间接控制方式来控制体积约束收敛的方法,并通过相关算例验证了两种方法的有效性。