数字液压缸驱动的六自由度并联机器人刚度特性研究

六自由度并联机器人采用数字液压缸驱动相比于采用电液伺服缸驱动,具有成本低、可靠性高、抗污能力强和结构简单等优点,为研究数字液压缸驱动的六自由度并联机器人刚度特性,首先建立数字液压缸的数学模型并推导出闭环刚度,然后基于全微分法建立六自由度并联机器人的误差传递模型,并结合数字液压缸的闭环刚度,推导出数字液压缸驱动的六自由度并联机器人的刚度矩阵,并分析了刚度矩阵的影响因素,建立AMESim仿真模型并进行仿真研究,揭示出并联机器人各自由度的刚度与正开口量、滚珠丝杠导程等系统固有参数以及与并联机器人位姿之间的关系,研究结果还表明,当并联机器人沿除升沉方向以外的其他方向运动时,升沉自由度和其他自由度之间存在耦合,且耦合刚度会随并联机器人位姿的变化而变化。该研究对数字液压缸驱动的六自由度并联机器人研制及应用有一定的理论价值和实际意义。

六自由度并联运动平台动力学建模及分析

通过分析液压驱动六自由度运动平台的运动学,给出了系统各部件的速度、加速度之间的关系。利用雅克比矩阵将各部分惯量影响投影到平台广义速度方向,运用凯恩方程建立了考虑支链液压缸惯性影响的系统完整的动力学模型。由动力学模型计算出平台在以不同的姿态运动时各支链的受力情况,为并联运动平台的设计优化以及动态分析提供了基础。最后运用所建立的动力学模型对实际运动平台的驱动力进行了仿真分析计算。

对接半物理仿真系统中的自适应柔顺力控制研究

为实现空间航天器对接过程中的强制校正和拉近阶段过程的半物理仿真,提出了一种六自由度并联运动平台的基于位置闭环的力控制方法。针对强制校正和拉近过程中两飞行器之间连接刚度大范围变化,设计自适应力控制器解决了刚度参数时变对系统性能的影响。试验结果表明自适应柔顺力控制可以实现强制校正和拉近阶段过程的有效模拟。

基于电液直驱的动力踝足假肢对行走步态的影响

针对传统被动式踝足假肢不具备主动出力功能,不能很好地满足下肢截肢患者需求的问题,本文提出了一种基于电液直驱系统的全主动液压驱动踝足假肢系统,并研究其对于下肢截肢患者行走步态的影响。该系统采用无刷直流伺服电机、双向齿轮泵、液压缸作为核心驱动部件,通过基于神经肌肉模型的前馈控制器实时拟合踝关节阻抗特性,实现踝关节的主动柔顺和主动出力功能。仿真结果表明:与传统被动假肢相比,该系统可以很好地拟合人体踝关节的动态特性,能够在行走过程中提供合适的缓冲和动力,能够有效地改善截肢患者的行走步态。

基于无阀直驱技术的坦克火炮高低向电液稳定器研究

运用无阀直驱技术设计了一种新型的坦克火炮高低向电液稳定器。论述其工作原理和特点，进行合理简化并建立系统模型，对系统进行了仿真分析。仿真结果表明，该系统具有良好的稳态和动态性能，对新型坦克火炮高低向电液稳定器设计具有实际意义。

Simulink和SimMechanics环境下并联机器人动力学建模与分析

为了对六自由度并联机器人动力学模型进行充分验证和分析,并提高建模与分析的效率,提出在Simulink和SimMechanics环境下进行动力学建模与分析的计算机辅助方法.将六自由度并联机器人描述为单个刚体,采用凯恩方法建立其单刚体动力学模型,设计了基于铰点空间控制策略的经典PID控制器,并在Simulink和SimMechanics这2种环境下进行了动力学建模仿真,六自由度并联机器人的动力学响应完全一致,说明了在Simulink和SimMechanics 2种环境下的动力学模型都是正确的,并且所提出的方法也可应用于所有机械系统的动力学建模与分析.

飞行模拟器视景系统的设计与实现

飞行模拟器视景系统是飞行模拟器的重要组成部分,和其它视景系统相比飞行模拟器视景系统具有其自身的特点,包括场景覆盖范围大、涉及的场景对象复杂、视场角较大、对虚拟环境模拟和系统实时性要求较高等特点。针对于这些特点以及整个模拟器应用对视景系统的要求,对飞行模拟视景系统的视景数据库、多通道组网结构以及仿真程序进行了设计,给出了基于Creator/CTS/VegaPrime实现整个系统的开发流程,并对系统实现中的关键技术,包括多通道同步技术、大场景数据库的调度和实时绘制技术、环境模拟技术等进行了较为深入的研究。整个视景系统应用于飞行模拟器平台,实现了对于飞行模拟视景系统特定功能和性能的要求,能够在保证实时性要求的前提下达到预期的视觉效果。

基于DSP快速原型控制的道路模拟振动台控制系统

根据道路模拟振动台的试验要求,设计了控制系统的整体方案。为了提高控制系统的实时性和快速性,在硬件方面,采用了DSP TMS320C2812采集振动台反馈的模拟量和数字量,利用DSP TMS320C6713处理算法并且与嵌入式处理器S3C2410进行通讯。利用快速原型控制系统实现了该方案,利用Matlab/Simulink建立道路模拟振动台的控制系统模块,在CCS集成开发环境中可以自动生成代码,然后将可执行代码下载到DSPTMS320C2812和DSP TMS320C6713中,即可实现道路模拟振动台的控制系统设计。

遗传算法中两种学习机制的混合应用

在遗传算法中引入个体学习机制能够提高算法的性能,避免算法收敛过慢或陷入局部最优。常用的个体学习机制有两种,即拉马克学习与鲍德温学习,通过分析比较了两种学习机制在遗传算法中的性能差异,指出了它们各自的优势与不足。为进一步提高算法性能,基于"学习潜能"的新概念及利用鲍德温学习挖掘个体学习潜能的方法,将两种学习机制有机结合在一起,使学习的优势得到充分发挥,使其不足得到有效抑制。数值试验结果表明,包含两种学习机制的新算法取得了很好的效果。

基于位置控制的液压操纵负荷系统

从理论上分析了基于位置控制的液压操纵负荷系统的力感模拟原理,阐明了力感模拟效果的影响因素为位置控制回路的带宽、综合刚度及操纵力引起的位置扰动。在理论分析的基础上,借助计算机仿真方法,阐述了根据模拟对象的特性和仿真精度确定位置控制回路的带宽和综合刚度的方法,并提出了设计原则。指出位置控制回路的带宽应等于10倍仿真模型的转折频率,在满足二自由度系统模拟单自由度系统的模拟精度要求下,综合刚度应取3～10倍的液压弹簧刚度。通过时域和频域的计算机仿真证明了本文设计方法的可行性,仿真结果也证明了理论分析的结果是正确的。

复合单叶双曲面上广义Gough-Stewart并联机构加速度传感器各向同性优化设计

并联机构可作为六维加速度传感器的结构敏感元件,其各向同性特性直接影响测量精度及控制性能,然而满足标准Gough-Stewart并联机构加速度各向同性的负载物理上并不存在,为此提出基于广义Gough-Stewart并联机构的六维加速度传感器设计问题。通过引入具有最小结构几何参数描述集的复合单叶双曲面定义及描述,推导并建立数学描述封闭、解析的设计方法,证实广义Gough-Stewart并联机构加速度各向同性的存在性和可应用性。所提出的技术路线几何意义清晰,易于实现广义Gough-Stewart并联机构的构造及分类,是一种研制基于并联机构的六维加速度传感器结构构型的新方法。

基于COTS的飞行模拟器快速原型系统开发

基于商用货架产品(Commercial Off-The-Shelf)的思想,提出了一种开发飞行模拟器的快速原型系统。根据对原型系统基本组成的分析,采用商用货架硬件组建了基于以太网和CAN总线的分布式计算机系统,降低了硬件成本提高了可靠性和升级换代能力。根据原型系统的软件功能,确定了高效的商用开发软件,支持快速控制原型的Matlab/Simulink和RT-LAB的采用,不仅实现了复杂的飞行系统和操纵负荷系统软件的快速开发和调试,而且提高了系统开发效率,缩短了开发周期。最后结合开发的原型系统说明了采用COTS的优越性。

幅相控制策略在六自由度运动模拟器中的应用

由于六自由度运动模拟器自身的闭环频率特性及非线性等因素,对于正弦输入信号存在幅值衰减和相位滞后,很难实现对高频正弦信号的精确跟踪,针对这一问题采用基于Widrow-Hoff学习算法的幅相控制策略.利用运动学正解间接得到的运动模拟器上平台位姿的反馈信号,通过该控制策略迅速地调整系统输入正弦信号的幅值和相位,使系统输出在短时间内对设定信号进行精确跟踪.仿真和实验表明,该方法在实现六自由度运动模拟器对正弦信号的精确跟踪问题上明显优于常规的经典控制,对于其他正弦运动的精确跟踪系统同样具有普遍意义.

基于并联机构运动范围的自适应洗出算法

由于传统的自适应洗出算法中各通道之间没有联系,只能以牺牲动感模拟逼真度为代价来保证运动平台在复合运动下各作动筒不超过其运动限制。为解决这一问题,提出了一种将运动平台在当前位姿下各自由度的运动范围引入到自适应洗出算法代价函数中的改进方法。该方法减小了由于复合运动造成的作动筒超限的可能性,使得洗出算法的参数能够更加开放,提高动感模拟的逼真度。通过起飞和着陆数据进行验证,结果表明该方法能够充分利用运动平台的运动空间,拓展了动感信号复现的频宽,提高了动感模拟的逼真度。

基于三坐标测量仪的Stewart平台标定技术

针对空间对接半物理仿真系统中Stewart平台的运动精度问题,提出一种基于三坐标测量仪的低成本标定方法。利用通用的三坐标测量仪获取运动平台的位姿信息,构造一个统一度量的残差方程,辨识出运动平台的几何参数并进行误差补偿。此方法的特点是能够保证所有几何参数的可辨识性,不再需要设计和加工专门用于标定的各种辅助机构和冗余传感器,具有较强的通用性和可操作性。本文阐述了该标定方法的标定过程,对残差方程的构造方式进行了讨论,仿真表明标定后平台的运动精度能够达到测量噪声的量级。最后将此方法用于某实际运动平台的标定,经过误差补偿后其精度提高了5倍以上。

基于提升小波的大地形累进压缩及实时渲染

为了减轻实时交互的大地形可视化系统面临的海量数据存储、传输及渲染压力,提出一种基于提升小波实现数据累进压缩与实时粗粒度LOD渲染结合的算法.首先建立地形块的提升小波变换模型,将其简化和精化操作映射为相应的小波变换;然后基于以地形块为单位的小波变换建立块的四叉树层次结构,将构建过程中产生的小波系数采用基于间接查表的方式累进压缩存储,以形成压缩的累进地形块层次结构.基于该结构,在实时递进构造视点相关的激活地形块的同时完成数据的累进载入与实时解压,实现大地形渲染,其中地形块数据的实时解压与小波变换基于GPU实现.实验结果表明,该算法实现了有效的数据压缩,具有很高的实时解压效率以及优化的实时渲染性能.

基于运动学正解的三转动并联机构迭代补偿控制

首先建立三转动并联机构的运动学方程,研究该并联机构的运动学反解和运动学正解,然后建立该机构的动力学方程并分析其动力学特性.基于该机构研制了能复现自行武器行进时的车体姿态变化过程的动态模拟器试验台.该试验台利用运动学反解算法进行闭环控制,并采用基于运动学正解的开环迭代补偿控制算法修正姿态驱动信号,使试验台的响应逐渐逼近期望的姿态指令.测试表明该系统时域波形复现精度优于95%,验证了迭代补偿控制的有效性.

基于DSP快速原型的淀粉生产线串级控制系统

在分析比较传统PID和Smith预估PID作为串级控制主回路控制器的基础上,提出了主回路采用Smith预估PID,副回路采用传统PID的串级控制策略调节淀粉生产线中的浓度。对淀粉生产线中串级控制闭环回路进行数学建模,并对主回路采用Smith预估PID和传统PID两种控制方案进行了设计与仿真。仿真结果表明,主回路采用Smith预估PID在控制效果上明显优于传统PID并且其鲁棒性优于传统PID。利用快速原型控制系统实现了该方案,利用Matlab/Simulink建立淀粉生产线的控制系统模块,在CCS集成开发环境中自动生成代码,然后将可执行代码下载到DSP TMS320C2812和TMS320C6713中,即可实现淀粉生产线的串级控制系统设计。

基于层次块的大地形实时细节合成及渲染算法

为解决渲染真实大地形场景面临的数据获取困难问题,减轻海量地形数据存储与调度的压力,提出了基于层次块实时生成可控的地形细节,完成地形渲染的新方法。采用了层次块结构组织采样数据。给出了基于层次块生成可控细节的方法,使用块网格细分增加采样点,提出了基于Perlin噪声的可控多重分形算法计算细节,保证了生成的细节受真实采样点属性控制。采用统一的细节选择标准完成了细节合成与LOD方法集成,其结果与原始地形块共同构成了动静结合的双层自适应层次结构,实现了视相关的大地形渲染。面向GPU实现了实时合成算法。实验分析表明了该方法能够利用有限的真实地形数据实时产生与实际地形特征相近的细节,完成大地形渲染。

基于DCS的淀粉生产线自动控制系统

在介绍了马铃薯淀粉生产线工艺流程的基础上,提出并设计整套控制系统的方案。针对该控制系统中的关键技术作了简要的分析与仿真。在淀粉浓度控制方面采用常规PID控制,把淀粉浓度控制在14Be左右。针对淀粉乳罐液位所出现的各种问题,提出利用小脑模型神经网络和传统PID复合控制的策略。仿真结果表明,该复合控制器算法减小了超调,提高了系统的控制精度,并且具备较强的抗干扰能力。现场运行结果表明,该控制系统完全达到该生产线的自动化要求,生产出来的淀粉达到了厂家的要求。