摆臂式全向移动机器人双模式轨迹跟踪研究

为了提升室外轮式移动机器人全向机动能力,文中提出一种通过普通轮作为驱动的移动机器人,根据不同动力分配及摆腿转角实现四轮转向(4WS)、斜行和原地转向模式。基于斜行及4WS模式设计了双模式混合控制器,其中,斜行模式采用多点预瞄模糊补偿轨迹跟踪控制,4WS模式采用增量线性时变模型预测控制(ILTV-MPC)。通过试验样机的横、纵向跟踪性能试验得到双模式混合控制器所需的约束条件。采用Simulink∕CarSim联合仿真平台对控制器的有效性进行验证。采用混合控制器的移动机器人底盘在低曲率跟踪时较4WS模式均方根误差相差0.18%,且横摆角与横摆角速度维持不变。结果表明:混合控制器保证全轮转向机器人低曲率跟踪精度的同时提升了其横摆稳定性。

场景目标的稀疏序列融合三维扫描重建

针对场景扫描深度图数据量大、匹配误差累积导致重建结果漂移以及耗时高的问题,提出一种场景级目标的稀疏序列融合三维扫描重建方法.首先,对深度图序列采样以筛选支撑深度图;其次,在支撑深度图子集上划分扫描片段,各扫描片段内执行深度图匹配融合生成表面片段;再次,利用表面片段几何特征执行局部多片段间的连续迭代配准,优化各扫描片段的相机位姿;最后,融合支撑深度图序列生成场景目标三维表面.在消费级深度相机采集的深度图序列和SceneNN与Stanford 3D Scene这2个公开数据集上进行测试,将稀疏序列融合与稠密序列融合方法进行比较.实验结果表明,该方法可将配准过程的均方根误差降低16%~28%,使用8%~54%的数据量即可完成稀疏序列融合,运行时间平均缩短56%;同时,增强了扫描过程的有效性和鲁棒性,显著地提高了扫描场景的重建质量.

基于地表扫描的轮腿式机器人轨迹生成方法

通过非铺装地面时,主动弯曲腿部以维持机身高度,是四足轮腿式机器人在遇到障碍时保持机身稳定、减小冲击震动的一个方法。四足轮腿式机器人独有的足端轮结构使得其能感应、主动贴合地形起伏。通过扫描地表高度生成贴合地表的轮轴运动轨迹,使机器人可以通过弯曲腿部的方式使机身保持固定高度,以提高机器人的运动稳定性。此外,通过检测机身高度的方法,验证了提出轨迹生成方法的可行性。

静电MEMS微镜谐振扭转角轨迹正弦估计的偏差研究

静电MEMS微镜扭转角实时获取通常是通过测量出微镜的谐振幅值和相位,按照正弦关系去估计任意时刻的扭转角数值,但关于这种正弦轨迹的假设存在多大的偏差的相关报道很少。使用显微激光多普勒方法,对C1100型MEMS微镜在不同驱动频率和驱动电压下的真实谐振扭转角轨迹进行了测量,并对比了真实轨迹和用正弦曲线拟合轨迹的偏差。结果证明,方波驱动下的MEMS微镜,其真实轨迹和正弦拟合轨迹并不完全符合,存在随扭转角振幅增大而增大的偏差。通过对真实轨迹时域信号进行快速傅里叶变换和频域分析,可以证明偏差存在的主要原因是实测轨迹除了有频率为驱动方波频率1/2倍的正弦信号以外,还叠加了频率为驱动方波频率1倍和3/2倍等高频正弦信号。研究结果表明,按照正弦曲线来估计光学角的方法仅适用于光学扫描角精度要求低于0.1°的场景。

振镜扫描激光清除电网异物数值仿真研究

针对振镜激光清除高压输电线异物二维扫描技术扫描不均匀的问题,结合振镜的扫描原理,通过简单的扫描理论推导和Matlab仿真分析,利用COMSOL有限元对激光扫描轨迹进行仿真模拟。设计X-Y检流计振镜扫描进行区域全覆盖扫描,得出X-Y检流计振镜扫描存在矩形失真特性,故通过三角函数变换的思路进行补偿修正,修正后的扫描轨迹效果较好,由上到下逐行扫描,且扫描较为完整,不存在漏扫。为实现振镜式激光光斑区域全覆盖扫描,进行扫描路径设计理论推导和仿真。结果表明:随着扫描线距的增加,漏扫率逐渐增大,重叠率逐渐减小;当扫描线距与光斑半径相等时,光斑恰好没有重叠区域,重叠率为0,漏扫率为27.37%。通过COMSOL有限元对光斑轨迹扫描进行仿真,进一步说明了所提扫描方法的可行性和正确性,在振镜激光扫描系统中有着重要的参考价值。

周向敏感子弹动力学建模及外弹道特性分析

为优化某周向敏感子弹药弹道方案并探索其运动特点,结合周向敏感子弹药的系统组成和特点,设计了弹道方案,基于经典牛顿力学方法和第一类拉格朗日力学方法分别建立了不同阶段的弹道模型,并推导了理论方程,对比分析了有无扰动条件下周向敏感子弹药的外弹道特性和扫描特性参数。结果表明,有扰动时子弹药系统在减速导旋段的扫描方向角产生大幅度的摆动,达到稳定扫描段后扫描方向角保持稳定,但与水平面有一定夹角;与理想情况相比,有扰动的系统达到稳定的时间延长、平衡落速略微减小、稳态扫描间距减小;所设计的弹道方案在实际有扰动的情况下仍然能有效捕获目标。

基于列车动态行进轨迹的铁路建筑限界检测方法研究

针对当前铁路建筑限界检测方法存在运营干扰大、断面非连续、与实际运行轨迹有差异的问题。提出了基于列车动态行进轨迹的铁路建筑限界检测方法研究。利用钢轨光带的反射特性与几何特性提取出钢轨光带点云,采用最小正交二乘法分别拟合左右股钢轨光带方程,推算出更加符合列车行进的轨迹线,通过点云与轨迹线和光带的空间位置判断是否发生建筑物侵限,完成铁路建筑限界检测方法的研究。通过实验表明方法的建筑限界检测更符合列车的实际运行轨迹,精度更高。

平面测量多项式扫描路径规划算法

轮廓测量作为垂向系统核心功能,根据不同测量平面尺寸,规划出相应的平面轮廓测量路径。现有的方法大多基于离散步进式方法进行测量,在测量效率和拟合精度上存在不足。针对效率和精度问题,提出了基于多项式的被测平面轮廓扫描路径规划算法,主要包含2个创新点:(1)使用扫描测量代替离散步进式测量,提升路径测量效率的同时提升测量精度;(2)使用拟合多项式曲线,进一步提升测量路径拟合精度。实验结果表明,与传统的离散采样方法相比,新方法在测量效率和拟合精度都有大幅提升。

邻井间最近距离扫描的快速算法

在钻井轨道设计、井间防碰计算、实钻轨迹监控等问题中,邻井之间的最近距离计算有很重要的意义。目前最近距离扫描算法使用迭代法来计算最近距离点,计算量较大,迭代算法的收敛性对扫描算法的整体性能有较大的影响。推导了点到线段和圆弧最近距离点的解析计算公式,使用该公式替换常规扫描算法中的迭代计算过程,得到了一个快速扫描算法,该算法的总计算量一般比常规算法低一个数量级,并且有非常好的收敛性能。该快速扫描算法只适用于井段曲线为直线段和圆弧的情形。

基于NURBS曲面的汽轮机叶片激光熔覆再制造路径规划

针对汽轮机叶片的复杂造型,提出一种基于NURBS曲面拟合的几何模型重构方法,得到了一种获取稳定的激光功率密度的路径规划方法。通过计算点在曲面上的曲率,将局部NURBS曲面拟合为曲率球,对激光束扫描面积进行简化计算。根据熔覆加工精度要求,调整激光头姿态沿曲面的法矢方向,约束激光束扫描面积,得到熔覆加工插补点,保证了基材表面获取稳定的激光功率密度。根据插补点的法向矢量计算得到机器人对应的位姿,利用CIMOCO软件验证熔覆轨迹的正确性;通过试验得到较好的熔覆层,证明了方法的可靠性和可行性,为复杂曲面的激光熔覆再制造提供了一种新方法。

褐飞虱2009年秋季回迁的雷达监测及轨迹分析

褐飞虱Nilaparvata lugens(Stal)是水稻生产上重要的迁飞性害虫,研究其迁飞、扩散规律,为早期预警和有效防治提供科学依据。2009年4月27日至10月11日,在中国农业科学院植物保护研究所重大病虫害监测预警兴安雷达站内利用毫米波扫描昆虫雷达对褐飞虱的迁飞过程进行长期观测,高空探照灯诱虫器及佳多自动虫情测报灯诱虫器分别用来诱捕高空及地面的褐飞虱,对高空探照灯诱到的褐飞虱雌成虫随机挑选30头进行卵巢解剖,并结合大区环流和利用Hysplit_4模型进行轨迹分析,研究了褐飞虱的秋季回迁过程和虫源。结果表明:褐飞虱秋季回迁高峰期出现在9月28日至10月7日,高峰日为10月1日,高峰日内雷达回波主要在600～1100m范围内聚集成层,高空探照灯诱虫器内褐飞虱的数量达到了13620头;卵巢发育级别以1～2级为主。轨迹分析显示:本次回迁的褐飞虱主要来自湖南衡阳和永州等地,随东北气流向广西柳州、南宁和崇左等方向迁飞。轨迹推断与褐飞虱实发虫情基本吻合,通过毫米波扫描昆虫雷达确定了褐飞虱秋季回迁的高度,为毫米波扫描昆虫雷达早期投入到预测预报的实践中奠定了基础,对我国褐飞虱早期预警体系的建立将提供必要的技术支持。

步进扫描光刻机硅片台连续扫描时间优化算法

为减少步进扫描光刻机连续曝光扫描运动的扫描过渡时间(扫描时间和步进时间),将硅片台扫描方向曝光扫描运动分解为逻辑步进运动和逻辑扫描运动,提出扫描和步进运动时间重叠的轨迹规划算法(时间重叠算法)处理连续曝光扫描运动。在不破坏运动约束条件下(恒速运动要求以及速度、加速度边界限制),根据时间重叠算法重新计算并推导不同扫描运动路径下连续扫描运动过程的步进和扫描运动转折点。经理论分析和硅片曝光场连续曝光实例计算表明:基于时间重叠算法的轨迹规划可获得时间优化的硅片台连续曝光扫描,比传统扫描方法减少曝光扫描运动过程中的无效率时间,提高步进扫描光刻机生产率,为步进扫描光刻机工程实践提供理论基础。

用户星天线空间扫描策略

天线空间扫描过程是建立中继卫星系统星间链路的关键阶段之一。首先分析比较了水平行扫、螺旋扫描和分行螺旋扫描策略,并根据分析结果,结合轨迹预处理算法,设计了一种变速分行螺旋扫描策略。然后采用蒙特卡罗仿真分析了用户星天线开环回扫指向精度,近似确定了天线空间扫描的范围。最后通过仿真比较等速分行螺旋扫描和变速分行螺旋扫描策略,并仿真了用户星天线捕获中继卫星的过程,通过仿真结果证明所设计的变速分行螺旋扫描具有一定的工程应用价值。

步进扫描光刻机扫描运动轨迹规划及误差控制

研究一种步进扫描投影光刻机工作台扫描运动超精密轨迹规划算法及误差控制策略。在分析三阶扫描运动与步进运动轨迹规划异同点的基础上,提出三阶扫描运动轨迹规划算法。针对扫描运动精确性与严格同步性要求,分析扫描运动轨迹规划误差补偿的几个关键问题。根据扫描运动轨迹算法离散实现存在的误差,结合内部整数积分策略,提出扫描运动轨迹规划加减速段与扫描速度稳定段运动距离的离散积分策略误差控制方法。此外,为克服切换时间圆整引起的扫描曝光匀速段位置误差,提出一种基于常速扫描运动段位置修正因子的误差补偿方法。以上方法共同实现光刻机工作台扫描运动轨迹规划精度控制。实例证明提出算法是有效和精确的。该算法成功应用于100nm步进扫描投影光刻机工作台的超精密运动控制系统中。

机器人化纳米操作系统驱动器驱动与探针定位研究

对基于AFM的机器人化纳米操作系统而言,一个关键问题是如何实现纳米操作时探针的高精度驱动与定位。对此,本文基于对压电陶瓷驱动器的迟滞/非线性特性及现有驱动方法的详细分析,提出"基于复现扫描轨迹的驱动方法"来对操作时的驱动器进行驱动;另外,还对管式驱动器弯曲运动所产生的运动学耦合误差、探针悬臂变形所引起的针尖偏移误差进行了定量分析与补偿。采用上述驱动方法及进行误差补偿后,可以大大提高探针的定位精度,从而使纳米操作与装配得以高精度进行。纳米刻画实验验证了该新型驱动方法及误差补偿的有效性。

中国华南地区稻纵卷叶螟迁飞的一次雷达观测

【目的】研究稻纵卷叶螟(Cnaphalocrocis medinalis Guenée)在华南地区的迁飞行为参数,为其早期预警及有效防控提供依据。【方法】利用毫米波扫描昆虫雷达及相关辅助设备对中国华南地区稻纵卷叶螟的空中飞行参数进行研究,并运用HYSPLIT平台对监测到的迁出种群进行迁飞轨迹分析。【结果】在中国华南地区,稻纵卷叶螟在日落后起飞,20:00左右达到起飞高峰,起飞可持续1 h左右;稻纵卷叶螟迁飞高度主要在1 000 m以下,具有聚集成层现象,可形成2—3层,100—300、400—500 m成层密度较大。成层现象与局部风速极值有关,与风向关系不大,但最大密度并不总是出现在最大风速处。轨迹分析显示,此次从兴安迁出的稻纵卷叶螟蛾经过3次再迁飞,可到达广西河池地区继续繁殖危害,而到达贵州遵义、黔南地区的虫群由于缺乏食物来源无法生存。【结论】稻纵卷叶螟在华南地区的迁飞行为参数与华东地区有所不同。

2015年吉林省公主岭三代黏虫的虫源分析

为了揭示2015年吉林省公主岭三代黏虫的虫源,为其预测预报及综合防控提供科学依据,本文基于扫描昆虫雷达观测、常规监测、轨迹模拟及天气背景学分析等研究方法,对吉林省公主岭三代黏虫的虫源来源进行了分析。结果表明:(1)因虫源基数及增殖倍数较高,二代黏虫蛾种群数量较高;(2)二代黏虫蛾迁飞以不利其回迁的西南风、南风为主;(3)观测初期未见黏虫聚集成层迁飞的现象,直至后期才见黏虫向西南方向迁飞;(4)气流和降雨是二代黏虫蛾未能有效回迁的主要原因,三代黏虫发生的虫源,是北迁的种群和本地种群共同繁殖的结果。

基于转角增量关系的FDK锥束重建改进算法

单圆形轨迹不能满足锥束投影精确重建的充要条件是经典FDK算法出现锥向衰减伪像的根本原因.通过斜平面转角增量关系的分析,推导出同锥角斜平面间转角及其增量的计算关系,进而得出FDK算法是对同锥角斜平面族上有限视角的投影数据进行重建,并且在滤波反投影重建过程中存在转角关系不匹配问题.针对上述两个问题,提出了一种利用转角及其增量关系对FDK算法进行改进的新方法,改进思路也进一步推广到T-FDK算法中.Shepp-Logan模型的仿真实验结果表明在适中或较大锥角情况下,改进算法显著改善了FDK算法所存在的锥向衰减伪像.

法面扫描井间距离的解析算法

法面扫描是分析实钻轨迹偏离程度、邻井防碰、定向井中靶等井间关系的重要方法。然而,传统方法存在2个主要缺陷:一是采用比较井段两端点是否位于法面异侧来判别法面与比较井是否存在交点的方法不具有普遍适用性,可能会遗漏掉邻井防碰的危险点;二是用迭代法来求解法面与比较井的交点,需要进行大量的轨迹插值与比较等方面的计算,计算量大、收敛性差。为此,基于井眼轨迹的空间圆弧模型,发展完善了法面与比较井是否相交的判别方法,并研究提出了求解其交点的解析法。这些方法不需要对比较井进行插值计算,仅需要比较井的设计轨道节点或实钻轨迹测点数据就能得到准确的计算结果,大大减小了计算量。应用实例验证了研究结果的科学性和适用性。

基于相轨迹凹凸性的暂态失稳判据准确性验证

已有研究证明基于相轨迹凹凸性的暂态失稳判据在二阶单机无穷大自治系统中严格成立,但将该判据推广到多机非自治时变系统中时,难以从理论上严格证明其正确性,因此通过大量暂态算例来验证凹凸性失稳判据在多机系统中的准确性和适用性。给出并详细阐述基于相轨迹凹凸性的暂态失稳识别流程,该流程改进了已有文献的实时分群方法,并补充了2个辅助判据,然后分别在IEEE 39节点系统和IEEE 145节点系统不同潮流方式、故障位置和故障持续时间下总计64566个算例进行扫描,结果表明,凹凸性判据的动作正确率高于99.9%,能够可靠、准确、快速地启动紧急控制。