具有不确定滑转的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法

轮式移动机器人在松软复杂地形条件下容易发生车轮滑转,影响轨迹跟踪精度.为提高机器人在该情况下的轨迹跟踪准确性,提出了一种基于容错控制的自适应滑转补偿控制器.首先,考虑车轮滑转率建立了四轮移动机器人运动学模型,并构建了相应的轨迹跟踪误差模型;然后,根据容错控制方法设计了滑转补偿项,并基于Lyapunov稳定性理论证明了自适应滑转补偿控制器的稳定性,实现了对由车轮滑转引起的速度误差的准确补偿;最后,利用四轮移动机器人进行了两种工况下的实验验证.结果表明,设计的控制器能够使移动机器人在未知的车轮滑转率条件下准确跟踪理想路径,并且相较于常规控制器有更强的鲁棒性和更高的跟踪精度.

勺轮式蚕豆排种器设计与排种性能研究

为提升蚕豆机械化播种率,提出一种结构简单的勺轮式蚕豆排种器,分析不同排种转速与种子类型对排种性能的影响。首先,介绍勺轮式排种器结构与工作原理,统计分析蚕豆种子外形尺寸并划分为三类(小粒、中粒、大粒),设计蚕豆种子排种勺结构,理论分析排种器取种过程、清种过程与传种过程;然后,利用EDEM软件仿真排种器工作性能,建立排种器与三类蚕豆种子的仿真模型;最后,以合格指数、重播指数、漏播指数为排种性能评价标准,开展台架试验,验证勺轮式蚕豆排种器的可行性。结果表明:仿真环境下,排种器内蚕豆种子实际充种线的水平倾角与排种转速呈正相关。排种器适宜排种转速为10 r/min,中粒种子排种性能指标最优,其播种合格指数为90.3%,重播指数为6.9%,漏播指数为2.8%。当排种转速为10 r/min时,仿真试验的综合排种性能为:合格指数89.5%,重播指数6.25%,漏播指数4.25%;台架试验的综合排种性能为:合格指数89.2%、重播指数7.1%、漏播指数3.7%,与仿真试验结果基本一致,满足蚕豆播种要求,验证勺轮式蚕豆排种器的可行性。

正负气压组合滚轮式油菜精密排种器设计与试验

针对油菜种子粒径小、质量轻,单粒排种难度较大的问题,设计了一种正负气压组合滚轮式精密排种器。阐明了排种器工作原理,开展排种器吸种、携种和卸种环节受力分析和排种滚轮对种群拖带过程解析;提出了通过控制充种区种层高度和种群压力的防拖带堆积机理,设计了一种侧向充种、拖带种子自由回落的充种室结构,利用离散元仿真研究了充种种层高度和充种室结构对排种器充种区内充种性能的影响及对种群拖带堆积的解决情况;仿真结果表明,排种器内种子随着充种种层高度的增大,种群平均动能均值逐渐增大,对种群平均扰动能力逐渐增强;在充种种层高度50 mm条件下,设计的防拖带堆积充种室降低了充种区域底部种群所受的压力,未出现种群拖带堆积现象,且保持了对充种区域种群的扰动作用。在JPS-12型排种器检测试验台上进行了排种器性能试验,结果表明,当排种转速为15~30 r/min、吸种负压为1.0~1.2 kPa时,排种器合格指数均保持在90%以上;设计装配正负气压组合滚轮式精密排种器的播种机开展播种试验,田间实测出苗后株距稳定性变异系数为4.4%,各行苗数一致性变异系数为8.14%;研究结果表明设计的排种器满足精密播种要求。

基于改进非线性滑模控制的轮式机器人轨迹跟踪

针对轮式机器人的轨迹跟踪控制存在的问题,设计了一种改进非线性快速终端滑模控制器(improved nonlinear fast terminal sliding mode controller,INFTSMC)的控制方案。首先,通过对轮式机器人运动学的分析建立了轨迹跟踪误差模型;其次,在设计滑模控制器阶段,针对非线性快速终端滑模控制器存在奇异点,采用一种新的滑模面幂指数时变策略来设计非奇异终端滑模控制器,解决了非线性快速终端滑模控制器奇异问题,通过构造Lyapunov函数进行稳定性分析证明了该策略的稳定性,并且进行收敛时间分析给出系统从任意初始状态收敛至平衡点所需要的时间;然后,在新的滑模面幂指数时变策略的基础上设计了轮式机器人线速度和角速度控制律,使得轮式机器人轨迹跟踪误差快速收敛至0,实现了移动机器人对期望轨迹的快速跟踪。通过仿真实验与非线性快速终端滑模控制器和传统滑模控制其进行对比,验证了改进非线性快速终端滑模控制器的优越性。

轮式起重机驾驶室俯仰控制策略设计研究

在面临超大服役空间的起升高度场合进行作业时,轮式起重机的驾驶室需要适时调整上仰下俯动作以适应升降变化。为获得稳定的驾驶室空间变化,采用物理拓扑结构解耦,构建液压系统的数学模型,并提出鲸鱼算法优化分数阶控制器(WOA-FOPID)的控制策略,重点分析对比控制策略优化前后的动态响应性和抗干扰性。结果表明,WOA-FOPID控制策略可以对驾驶室的俯仰进行准确、快速、稳定的控制,提高了驾驶室的舒适性和宜人性。

轮式动态模拟仪在高含水期原油不加热集输中的应用

随着不断深入开发,油田集油管线内产液的流变性逐渐转变为高含水期“水包油”为主的流态,因而管道内的流动条件得以改善。通过前期开展的季节性停掺冷输试验证实,高含水期集输进站温度可以接近凝固点甚至低于凝固点。因此提出利用临界粘壁温度作为采油井不加热集输边界条件,并利用轮式动态模拟分析仪测试单井临界粘壁温度,指导采油井平稳集输,应用后实现措施节气219.6×10^(4)m^(3),节电73.4×10^(4)kWh。

基于NDT配准与轮式里程计的激光雷达运动畸变补偿算法

激光雷达是广泛应用于同时定位与地图构建(SLAM)的测距传感器,普遍基于旋转机制收集周围环境的几何信息。当扫描期间激光雷达发生移动时,生成的点云会产生运动畸变,降低SLAM系统的准确性。在激光雷达SLAM算法设计中,为使雷达运动的估计结果更为精确,文中提出一种基于正态分布变换(NDT)和轮式里程计的激光雷达运动畸变补偿算法。首先,使用轮式里程计以高频测量方式对雷达运动进行估计,可补偿部分运动畸变。其次,设计一种基于NDT配准算法的误差处理方法,通过对点云的精准匹配降低里程计漂移的影响,实现雷达运动精确估计,进而精准补偿运动畸变。文中采用数据集以及真实场景实验对提出算法进行测试。实验结果表明,与传统里程计辅助方法相比,提出的算法能够优化运动畸变补偿效果,降低轨迹累积误差并生成全局一致地图。

田间轮式机器人的导航控制系统设计

设计了一种基于预瞄准纯追踪模型及模糊控制的轨迹追踪控制算法、基于液压系统及PID算法的自动转向控制系统。为测试轨迹追踪控制算法和自动转向控制系统的效果,以田间作业轮式机器人为试验平台,进行农机轨迹跟踪和转向控制试验。结果表明:轨迹追踪试验中车速为0.6m/s时,横向偏差最大为0.07m,平均横向偏差为0.05m左右;转向控制试验中,转向角响应时间不超过1.5s,超调量小于5%。

丘陵山地姿态调整轮式拖拉机运动控制研究

以丘陵山地姿态调整轮式拖拉机为研究对象,提出了一种基于改进遗传算法的运动控制方法,可根据地形条件实现对拖拉机的实时调平控制,提高其车身稳定性。首先,根据拖拉机机构间的运动关系,建立表征其轮心位置与车身姿态参数关系的运动学模型,并进行算例求解,验证了运动学模型的正确与准确性。然后,以提高拖拉机车身稳定性为控制目标,在运动学建模的基础上设计了一种基于改进遗传算法的运动控制方法。最后,对算法进行仿真验证,结果表明,使用算法进行运动控制可有效降低其车身姿态角,横向坡地最大侧倾角降低13.3°,纵向坡地最大俯仰角降低4.3°;在两种坡度兼有的路面上进行综合调整,其最大侧倾角和最大俯仰角分别降低13.8°和4°,极大提高了车身稳定性。同时将改进遗传算法与传统遗传算法进行对比,结果表明,改进遗传算法在响应时间和控制精度方面均优于传统遗传算法,其算法响应时间较传统遗传算法缩短63.93%,大幅提高了算法效率。

双腿轮式机器人运动控制研究

双腿轮式机器人融合了足式与轮式机器人的优势,展现出灵活性和高速高效特性。然而,精确控制这类机器人需要对运动学和动力学模型进行深入研究。此外,欠驱动、强耦合和非线性等控制难点也进一步加剧了机器人运动与自平衡控制的挑战。为应对这一挑战,本文提出一种分布式动力学建模策略,分别对机器人的躯干及腿轮子系统进行了精确建模,保留了机器人的所有动力学特性,并据此设计出以腿轮末端输出力矩为控制目标的力矩解算器。随后,基于该模型创新性地提出一种全身力矩控制框架,旨在实现双腿轮式机器人的运动控制和动态平衡。为进一步提升其运动性能,还规划了多运动模式,并成功地集成到全身力矩控制系统中。在MATLAB环境下搭建了双腿轮式机器人仿真实验平台,设计了两种行走实验方案和3种不同跳跃高度的仿真实验。实验结果表明,行走速度误差小于0.09 m/s,跳跃高度误差控制在0.02 m以内,验证了控制策略的可行性。最后,搭建了腿轮融接型复合结构的双腿轮式机器人,成功开展了机器人多运动模式实验,进一步证实了机器人在运动控制作业中的高精度表现,其躯干高度误差在3.38 mm以内,俯仰角误差不超过0.04 rad。研究结果充分验证了分布式全身动力学建模的精确性以及全身力矩控制系统的有效性,为双腿轮式机器人的运动控制研究提供了新的理论框架和实践指导。

轮式果园多功能自主导航作业平台设计

为实现果园作业机械的多功能应用,设计一款具备割草、喷药、搬运等功能的轮式果园多功能自主导航作业平台。根据作业需求对多功能平台进行总体设计,平台包括动力系统、行走系统、导航系统、控制系统、作业装置等。根据搬运需求计算确定整机驱动电机选型;对割刀进行运动和动力学分析,根据切削范围和稳定需求,计算确定割刀电机和电动推杆的型号;根据流体力学知识,计算确定满足喷药喷幅的药泵型号,并对其他关键部件进行计算选型。对样机进行最小转弯半径、割草性能、喷雾性能等基本性能试验。试验结果表明,所设计的平台最小转弯半径为120.75 cm,满足果园行间地头良好的通过性要求;割刀转速和高度可调,留茬高度可控制在5 cm以内,割草作业覆盖率在91.25%以上;喷药泵可根据车速、树形等进行压力调节,喷雾量均匀性变异系数在8.01%以内,保证喷雾均匀的同时减少农药浪费。

基于气动措施和滑轮式TMD的人行景观桥涡振混合控制研究

为了解决传统式调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)在控制低频桥梁结构中弹簧静伸长过长的问题,介绍了滑轮式TMD及其用于结构振动控制时的特点,指出滑轮式TMD可以有效减小弹簧静伸长量。以一座人行景观桥为例,研究了采用气动措施和滑轮式TMD对该桥的涡振控制效果。风洞试验结果显示,在最优气动措施下,主梁的涡振振幅减少了一半以上,但仍未达到行人舒适性要求。基于Scanlan线性涡激力模型进行滑轮式TMD的优化设计,在气动措施的基础上进一步辅以滑轮式TMD进行涡振控制。分析结果表明,气动措施结合滑轮式TMD进行涡振控制能够满足行人舒适性要求,并确保滑轮式TMD质量块的工作行程不超过限值。通过同时采用气动措施和滑轮式TMD,可以满足主梁涡振限值、TMD弹簧静伸长量和工作行程等多重要求,从而有效控制主梁的涡振现象。本文提出的混合控制方案为类似工程中的涡振控制提供了有益参考,可为工程实践提供指导。

基于神经网络的轮式移动机器人非线性模型预测控制研究

针对轮式移动机器人受到障碍物干扰导致运动轨迹跟踪误差较大问题,提出了神经网络非线性模型预测(NN-NMP)控制方法,并对轮式移动机器人避障效果进行仿真验证。建立了轮式移动机器人运动模型,并且定义了机器人运动方程式。设计非线性模型预测控制方法,引用神经网络算法,通过训练多层神经网络对非线性模型预测控制误差进行逼近,从而使轮式移动机器人控制系统具有更好的避障能力。设置3种不同环境,利用Matlab软件对轮式移动机器人避障结果进行仿真,对比和分析轮式移动机器人采用2种控制方法的输出结果。结果显示:在无障碍物环境中,采用传统比例-积分-微分(PID)控制方法和NN-NMP控制方法,轮式移动机器人均能较好地按照期望轨迹进行移动。在有障碍物环境中,采用传统PID控制方法,轮式移动机器人虽然能够躲避障碍物,但是跟踪误差较大。采用NN-NMP控制方法,轮式移动机器人不仅能够躲避障碍物,而且跟踪误差相对较小。采用NN-NMP控制方法,能够降低轮式移动机器人跟踪误差,具有较好的避障能力。

基于改进ACO-DWA算法的轮式植保机器人避障路径研究

山地非标准果园内大型植保机械通行性差,小型轮式植保机器人有广阔的应用前景。为解决因果园枝叶郁闭所造成的视觉信息误判,作业地形复杂所造成的机器人避障不及时等问题,提出了一种基于改进ACO-DWA算法的轮式植保机器人路径规划算法。首先通过激光雷达获取果园环境信息,应用体素化网格法精简点云密度,利用栅格法分割地面点云,采用K-means算法提取机器人行间通行区域;再结合植保机器人的运动学模型及作业规范约束,采用基于模型预测算法(SBMPO)生成一系列待选轨迹集合;然后采用改进的ACO-DWA算法,将机器人的通行成本融入搜索节点的目标函数,根据环境地图在线进行路径规划;最后,利用MATLAB R2021仿真平台和机器人ROS操作系统分别进行了仿真验证和实景布置试验。试验结果表明,该方法可以明显改善机器人在果园复杂场景下的通行能力,算法路径规划效果和运行效率明显提高。

轮式移动机器人的反演二次滑模优化轨迹跟踪控制策略研究

为提高轮式移动机器人(WMR)轨迹跟踪控制的精度,提出一种反演二次滑模优化控制策略。首先,基于WMR的运动学与动力学模型,设计运动学反演滑模控制器和动力学反演积分滑模控制器,并通过Lya-punov稳定性理论证明控制器的稳定性。然后,利用粒子群优化(PSO)算法,对控制器的参数寻优。最后,考虑外部扰动以及系统输入饱和的情况,利用Matlab/Simulink对该控制策略进行仿真验证。结果表明,所提出的控制策略在保证系统鲁棒性和实时性的同时,还提高了系统的控制精度。

基于MPC和PID的脚轮式全向移动平台轨迹跟踪

针对现有运动控制策略无法保证独立驱动脚轮式全向移动平台位姿的高精度控制问题,提出一种基于模型预测控制(MPC)和PID控制相结合的双闭环轨迹跟踪控制策略。首先,利用运动学几何关系建立独立驱动脚轮式全向移动平台在世界坐标系下的三自由度运动学模型,基于正交分解法建立平台在机器人坐标系下的逆运动学模型,以反映平台中心点速度与各个脚轮转速间的关系;其次,采用MPC并基于三自由度运动学模型设计位姿控制器,使平台对期望轨迹进行位姿跟踪,并在考虑多目标约束条件的情况下通过位姿控制器求解出最优控制量;最后,采用PID设计速度控制器,用于跟踪位姿控制器输出的期望速度,通过平台逆运动学模型计算得到期望轮速,从而驱动平台实现全向运动。通过仿真验证了所提控制策略的有效性,平台能有效跟踪直线轨迹和圆形轨迹。仿真结果表明,与通过平台转角逆运动学模型解耦驱动轮速的位置单环轨迹跟踪控制策略相比,加入速度内环后系统超调量下降97.23%,响应时间缩短36.84%。

磁性液态金属驱动微型轮式机器人设计与运动研究

将磁性粉末(Fe/Ni混合粉末)引入镓基液态金属中,使其具有良好的磁性,并最大程度地保留其流动性。将磁性液态金属用作轮式机器人的驱动部件,结合变重心理论,使其成为轮式机器人的动力来源,设计微小型轮式机器人结构,并通过三维软件Solidworks建立机器人模型,分析磁性液态金属和轮式机构的受力情况,只要驱动力大于摩擦阻力,可实现轮式机器人直线运动。采用仿真模拟方式,利用Adams软件对轮式机器人在驱动力F=2.1×10^(-3)N的作用下进行运动分析,此驱动力大于摩擦阻力,轮式机器人在0~10 s的运动区间内做匀加速直线运动,且平均速度为330.48 mm/s;在F=1×10^(-4)N的作用下,此驱动力等于摩擦阻力,2.65 s后轮式机器人做匀速直线运动,其速度为150 mm/s,驱动力F的大小可通过调节磁场强度进行调控,以满足各种运动速度大小的需求。

转轮式日粮混合机叶板结构优化设计

试验旨在对有效容积为0.5 m^(3)的转轮式日粮混合机的叶板结构进行优化设计,以提高其混合均匀性。利用Solid works软件建立整机模型,通过改变搅拌架叶板形状的方式进行优化设计,分别将优化前后的模型导入ANSYS软件进行有限元分析和利用EDEM软件进行离散元仿真分析;并搭建台架试验,通过叶板所承受最大转矩及离散系数两个评价指标来验证优化的可行性。有限元分析结果表明:叶板形状优化后最大应力较优化前下降40.38%;最大结点位移较优化前下降40.42%;对优化前后的转轮式日粮混合机进行离散元仿真,计算优化前后的离散系数。从整体数据上看,优化后结构的离散系数较小,即优化后日粮混合机的混合均匀度更高,且进行台架试验得出的结果符合上述分析。得出优化后结构的刚度和混合均匀性均优于优化前,验证了结构优化的可靠性。

槽轮式黄芪移栽机关键部件设计与试验

黄芪开沟覆膜露头农艺高产优势明显,但在实际生产中移栽环节主要依靠人工来完成,导致种植成本快速攀升,是制约根茎类中药材产业持续发展的“短板”。针对这一问题,设计槽轮式移栽机点苗机构和覆土机构2个关键部件。盛苗槽采用正反两个方向在沿槽轮圆周方向倾斜排列的方式,通过地轮带动槽轮转动,可实现盛苗槽内的黄芪种苗按照正确的姿态投置在苗沟之中,且满足种苗向苗沟内侧两边交替投置的农艺要求;覆土机构采用螺旋绞龙结构,这样有利于实现苗沟覆土厚度均匀一致,为苗沟回填后保持土壤的平整度提供保障。通过田间试验,样机出苗整齐、长势良好、单株茁壮,无漏苗现象。在综合效益方面,相比对照机具,项目样机可节约地膜用量52 kg/hm^(2),减少用工20人/hm^(2),移栽环节可节省支出2000元/hm^(2),同时为秋季机械化挖掘收获作业创造有利条件。

基于CFD的轮式两栖车减阻方案研究

文中针对将两栖车车轮收起但未达到全封闭状态,存在开口时的几何结构,提出了不同的改型减阻方案.基于CFD软件STAR-CCM+,采用重叠网格技术构建数值模型.根据国际拖曳水池会议(ITTC)的不确定度分析规程进行数值不确定度分析,计算每种方案的阻力、纵倾,以及升沉数据,并与原车方案的数据进行对比.结果显示:数值的不确定度满足UV>E,表明数值模拟在UV层次上得到确认.结果表明:对两栖车不同轮桥位增加挡板,对其减阻效果和运动姿态的影响差异较大;减阻率最高可达25.4%;纵倾角变化幅度在1.8%~32.8%,对两栖车升沉状态影响较大.