移动机器人定位算法研究与仿真

在蒙特卡罗定位的理论基础上,对于已知全局地图下移动机器人概率定位问题,提出基于高阶共轭粒子滤波的蒙特卡罗算法,主要利用高阶共轭无迹粒子滤波器精确设计滤波器的提议分布,使移动机器人的位置状态估计达到高阶精度;同时,结合移动机器人自身的航迹推算,来验证基于高阶共轭粒子滤波的蒙特卡罗算法的有效性。     

基于ISRCDKF的移动机器人同时定位与建图研究

为解决移动机器人在同时定位和建图(Simultaneous localization and mapping,SLAM)技术中普遍存在状态精度不高、稳定性差、计算复杂等问题,提出一种基于迭代平方根中心差分卡尔曼滤波(Iterated square root central difference Kalman filter,ISRCDKF)的SLAM自主定位算法,以满足SLAM过程中的实时性、准确性等要求。该算法使用中心差分变换处理SLAM的非线性问题,避免了泰勒公式展开中雅可比矩阵复杂运算;同时在滤波更新过程中,通过直接传递协方差矩阵的平方根因子减少算法的复杂度;在迭代观测更新过程中,使用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt,L-M)优化方法引入调节参数,实时修正协方差矩阵,达到提高算法精度、增强稳定性的目的。仿真结果表明,在相同的数据模型和噪声环境下,本文提出的ISRCDKF-SLAM算法与基于扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman filter,EKF)的SLAM算法、无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)的SLAM算法和容积卡尔曼滤波(Cubature Kalman filter,CKF)的SLAM算法相比,均方根误差分别降低了47.3%、32.7%和25.0%;与相同计算复杂度的UKF-SLAM算法和CKF-SLAM算法相比,新算法的运行时间分别减少了15.1%和10.8%。将新算法嵌入到移动机器人平台进行现场实验验证,进一步证明了该算法的实用性和有效性。     

移动机器人SLAM的系统建模研究

移动机器人同时定位与地图构建（SLAM）实现的过程,需要设计相关的系统模型,文章描述了二维空间SLAM过程的系统模型,其中包括坐标系统模型、环境地图模型、机器人位置模型、机器人运动模型、传感器观测模型以及环境特征的增广模型,为SLAM过程的实现提供借鉴。     

基于多策略差分布谷鸟算法的粒子滤波方法

为了提高标准布谷鸟算法的种群多样性和全局搜索效率,将多策略差分变异过程引入布谷鸟算法中。在布谷鸟的宿主发现过程中借助多策略差分操作来提高种群的多样性,同时,改进的布谷鸟在算法新解选择中增加排队优选机制,与贪心算法相结合以减少局部极值的不良吸引,加快搜索进程。将改进的布谷鸟算法应用到粒子滤波中,用布谷鸟的鸟巢来表征粒子,通过模拟布谷鸟群体搜索巢穴位置的过程来优化粒子分布。实验表明,改进的智能优化粒子滤波算法有效提高了粒子多样性和非线性系统状态的预测精度,并能在粒子数减少的情况下保持稳定估计。     

基于SLAM与声源定位的农业大棚服务系统

针对农业蔬菜大棚,设计了一套基于SLAM与声源定位的农业大棚服务系统,该系统利用采集到的图像数据并结合声波采集装置与其他外围传感器,利用数据融合与实时地图构建技术构建三维信息,从而为无人巡检与植保维护提供技术支持.该系统利用占据栅格地图模型、几何地图模型和拓扑地图模型等模型将数据整合,通过提供棚内高精度定位、多环境下避...     

基于改进ORB_SLAM2的机器人视觉导航方法

提出了一种基于改进ORB_SLAM2的视觉导航方法。针对ORB_SLAM2构建的稀疏地图信息不充分、缺少占据信息、复用性差而无法直接用于导航的问题,对ORB_SLAM2算法进行了改进,融合环境的3D、2D占据特征以及路标点空间位置、视觉特征等多模态信息构建了包含定位、规划、交互图层的多图层地图以支撑机器人的精准定位和最优路径规划;针对机器人的自主导航任务,基于先验多图层地图建立约束进行机器人的位姿估计,融合运动约束进行机器人位姿优化,实现了基于先验地图的机器人精准定位,同时基于规划图层进行机器人的最优路径规划,提升了机器人的自主导航能力。在TUM数据集及北京鹫峰国家森林公园进行实验,结果表明：所构建的多图层地图提升了机器人定位的精度和效率,性能明显优于RGB-D SLAM;基于先验地图的视觉定位方法能够进行机器人移动过程中精准、实时地定位,助力机器人按照所规划的路径实现准确的自主导航。     

基于单目视觉的移动机器人SLAM系统构建

随着移动机器人相关关键技术的发展,室内移动机器人已经走进家庭,为人类提供清洁室内的服务。同步定位与地图构建是移动机器人研究的关键问题之一,同时也是增强现实技术的关键基础技术。本文构建基于单目视觉的移动机器人SLAM系统,远程主控机端主要完成位姿信息采集、图像采集、SLAM地图构建以及仿真等功能,移动机器人使用Turtle Bot3,使用激光距离传感器和Intel RealSense 200相机对周围环境信息进行采集,以实时调整自身位姿。研究了相机不同标定方法,构建了地图,通过仿真验证了该系统对周围环境信息的采集能力,对自身位姿的调整能力,使移动机器人具备了移动能力,实现了SLAM功能。     

果园机器人LiDAR/IMU紧耦合实时定位与建图方法

针对果园环境中GNSS定位信号易丢失和传统SLAM算法鲁棒性较差的问题，本文提出一种基于LiDAR/IMU紧耦合框架的全局无偏状态估计果园机器人定位与建图方法。LiDAR/IMU紧耦合框架基于因子图进行多源约束的IMU里程计构建，实时输出高频位姿信息，IMU里程计因子和预积分因子优化LiDAR里程计并提供位姿先验约束IMU零偏。引入局部点云地图参与特征点云粗匹配和非特征点云递进式匹配进一步稠密化源点云，改善LiDAR里程计的性能。融合GPS信号与LiDAR/IMU紧耦合框架的地图构建，能够得到准确且高频连续的位姿信息，提高点云地图的复用率。在果园和苗木等场景验证了该算法的性能，实验结果表明，与LIO-SAM等算法相比，定位精度维持在0.05 m左右，均方根误差为0.016 2 m。本文算法使机器人具有更高的精度、实时性和鲁棒性，有效降低了系统累积误差，保证了所构建地图的全局一致性。     

基于扩展Kalman粒子滤波的汽车行驶状态和参数估计

汽车行驶过程中的某些参数通常需要通过实验室内较为昂贵的试验设备获得,测量成本较高,而获取车辆的行驶状态和参数对于车辆行驶过程中的控制有着重要的意义。通常情况下,需要将车辆行驶状态变量和侧偏刚度等参数进行联合估计。这些参数将会被用于车辆动力学模型来分析汽车的操纵状态。本文建立了包含定常统计特性噪声的汽车动力学模型,利用龙格-库塔方法模拟模型,引入扩展Kalman滤波技术,生成粒子滤波重要性概率密度函数,对状态和参数同时进行估计,仿真结果表明,扩展Kalman粒子滤波技术改善了标准粒子滤波算法的精度,验证了算法的有效性。     

基于模型自适应粒子滤波的汽车状态估计

为准确实时获取汽车行驶过程中的状态变量,提出了一种模型自适应更新粒子滤波方法。建立了非高斯噪声和非线性轮胎的汽车动力学模型,并基于小波变换的方法,采用高频子带估计传感器量测噪声的实时方差,提高了观测似然函数的真实拟合程度,结合自适应自回归模型对整车系统的状态进行自适应更新,较好地克服了粒子权值的退化现象;基于ADAMS/Car的虚拟实验和实车实验验证了所提方法的有效性。实验结果表明该方法在估计精度和克服噪声方面均优于常用方法,满足汽车状态估计器的软件性能要求。     

微灌条件下三种过滤器过滤效果试验研究

为了探索砂石、筛网和叠片过滤器对黄河泥沙的过滤效果及其差异性,在不同过滤流量下进行了室内模型试验,并对比分析了过滤后水浊度、颗粒质量浓度、水头损失、瞬时流量等指标。结果表明,砂石过滤器过滤后水浊度和颗粒质量浓度低于筛网和叠片过滤器,且砂石过滤器过滤后水的水浊度和颗粒质量浓度变化曲线较为稳定,筛网和叠片过滤器的浊度滤除比率和颗粒质量浓度滤除比率均低于砂石过滤器。砂石过滤器截留的泥沙粒径分布均匀,而筛网和叠片过滤器截留能力体现在大粒径,因而砂石过滤器更能充分实现过滤功能。砂石过滤器水头损失随时间呈现递增趋势,而筛网和叠片过滤器变化幅度不大,分析认为后者未能充分截留泥沙,判定水头损失小不代表过滤效果好。综合可知,砂石过滤器过滤黄河泥沙效果优于筛网和叠片过滤器。     

大田滴灌用网式过滤器滤网堵塞成因分析

过滤器是滴灌系统中最核心的设备,其中网式过滤器以其良好的过滤性能保障了滴灌系统的正常运行,在我国新疆等西北地区农业滴灌系统中应用最广泛。但其应用过程中也存在滤网清洗不彻底以及堵塞的问题,为此,在对网式过滤器滤网堵塞成因及机理进行全面论述基础上,分别从水源水质、不同滤网类型、反清洗设计问题以及水肥一体化对滤网的化学影响等方面对滤网堵塞成因进行了详细的分析,并提出相应对策;这为今后深入研究滤网堵塞机理、解决滤网堵塞问题提供一种思路,为进一步研制更适用西北地区的农业滴灌过滤设备提供理论依据。     

基于自适应滤波算法的树木年轮测量方法

为提高树木年轮测量仪的测量精度,提出了一种自适应低通滤波算法对年轮测量仪的直流电机电流信号进行滤波处理。普通低通滤波算法滤波系数固定,当树木年轮宽度发生变化时,既可能保留了部分噪声信号,又可能滤去部分有效的树木年轮信号,因此降低了年轮测量仪的测量精度。自适应低通滤波算法的滤波系数可随滤波器输入值和输出值的变化自动进行调整,提高了噪声滤除效果,减少了有效信号损失。使用自主研发的年轮测量仪测量了大、中、小3种径阶的60个落叶松圆盘,记录直流电机原始电流信号,分别采用自适应低通滤波算法和普通低通滤波算法对原始电流进行滤波处理,根据滤波后的电流波形图,预估圆盘年龄,并计算2种滤波算法的年轮识别正确率。结果表明,自适应低通滤波器年轮识别正确率的平均值为89. 66%,普通低通滤波器年轮识别正确率的平均值为75. 84%;当平均年轮宽度变窄时,自适应低通滤波器的年轮识别正确率从95. 61%下降到82. 02%,下降了13. 59个百分点,而普通低通滤波器的年轮识别正确率从86. 37%下降到62. 30%,下降了24. 07个百分点。表明自适应低通滤波器年轮识别正确率高,自适应能力强,年轮识别精度稳定。     

沙漠空滤器原理及应用

对沙漠空滤器的构成、工作原理、主要特点作了简要介绍。     

微灌用砂过滤器水力性能研究

本文对在微灌工程中广泛使用的压力式砂过滤器，从过滤器机理开始，分析、介绍了过滤层截留污物规律、滤层水头损失变化和影响水头损失的因素，并推求出用碎石英砂作滤层的微灌用砂过滤器的水力学公式。     

离心筛网一体式微灌式过滤器的试验研究

含砂水流是微灌水源中一种常见的水质形式，目前国内对于含砂水流的过滤主要采用的是离心筛网组合式过滤器，但此种过滤器普遍存在构造复杂、水力损失大、造价较高等不足．针对其不足，通过试验对比，研究出了一种适于Q=80—140m^3／h流量范围段应用的新的一体式结构过滤器．测试结果表明，该过滤器的滤砂效果达到了国内同类产品的水平，而水力损失仅相当于同类产品的32．5％-68．6％，成本仅为同类产品的30％-40％．考核结果表明，使用情况与试验结果相符。可以推广应用．     

扬州沿运灌区暗管排水土工布外包滤料的水力性能试验研究

农田暗管排水系统建设是提高农业机械化作业效率的有效措施之一.土工布作为排水暗管外包滤料时,需要具有良好的透水性能和抗淤堵能力.文中以扬州段沿运灌区为例,针对当地土壤中粉粒含量较高,土工布外包滤料筛选困难等实际问题,参考相关技术准则,选用2种开孔率和厚度不同的土工布进行了水力渗透试验,并与传统的河砂反滤材料进行了对比,筛选出适合当地土壤的土工布外包材料.研究结果显示,所选用的2种土工布透水性能存在较大差异,其中厚度较大(0.41 mm)、孔径较小(180 μm)的土工布A的透水性能较好,渗透系数为初始值的54.1%,高于河砂滤层的46.1%,而厚度为0.35 mm、孔径为227 μm的土工布B渗透系数仅为初始值的30.2%.相比于土工布B,土工布A具有更好的抗淤堵能力,长期使用后淤堵率比土工布B低16%.通过对土工布表面形成的、透水性较低的滤饼分析发现,土工布B不但自身发生了较大程度淤堵,其表面形成的滤饼较为密实,是影响其渗透性能的直接原因.     

网式旋流自清洗过滤器流场分析与试验

为分析网式旋流自清洗过滤器过滤性能的影响因素、过滤器和吸污器内部流场分布规律,对过滤器结构和工作原理进行了分析,并利用Gambit软件建立过滤器和吸污器仿真简化模型,运用Fluent软件对过滤器和吸污器内部流场分布进行了数值模拟。以过滤器出口大小、吸污器转速、吸污口宽度为影响因子,除杂率为评价指标,采用三因素三水平正交组合试验方法,分析各影响因子对过滤性能的影响规律。试验结果表明:影响过滤性能的主次因素为过滤器出口大小、吸污器转速、吸污口宽度;最优参数组合:过滤器出口大小为300mm、吸污器转速为30r/min、吸污口宽度为20mm时,除杂率为87.4%,过滤器过滤性能性最佳。     

不同工况下砂石过滤器对黄河水和再生水过滤性能影响

为了了解不同水源条件下砂石过滤器的过滤性能,选取黄河水及再生水2种典型滴灌水源,测试了3种粒径石英砂滤料,5种滤速条件下砂石过滤器颗粒物去除率和水头损失,重点对比了2种水源下砂石过滤器过滤性能的差异.研究发现:砂石过滤器对再生水的浊度去除效果优于黄河水,浊度去除率提高5.95%~65.30%.在黄河水条件下,砂石过滤器水头损失大于再生水,水头损失增加了34.90%~68.40%;随着运行时间的增加,砂石过滤器对再生水的浊度去除率缓慢上升,而对黄河水的浊度去除率呈先升后降趋势;随过滤流速增加,砂石过滤器对再生水的浊度去除率呈先增后减趋势,而对黄河水的浊度去除率随流速增加并未有明显变化;黄河水条件下砂石过滤器的过滤参数建议选择粒径1.00~1.70 mm,过滤流速0.012 m/s,再生水建议选择粒径1.70~2.35 mm,过滤流速0.015 m/s.结果为不同水质条件下过滤器的选择提供一定参考.     

不同工况下Y型网式过滤器流场数值模拟分析

为探究网式过滤器的水力性能,充分了解网式过滤器内部最初流场、滤芯网面流量分布情况,应用计算流体动力学方法对网式过滤器3种入口流速(0.5、1.5、2.5 m/s)以及3种滤网目数(60、80、100目)对过滤器流场进行数值模拟。通过试验对模拟结果的可靠性进行验证,结果表明：过滤器的水头损失集中在出口侧滤芯上,该部分水头损失占总损失的87%;水流在腔体内可分为出口侧加速区、出口侧减速区、堵头回流区和漩涡区4部分;滤网面流量分布严重不均,高流量区域主要分布在出口侧,入口流速由0.5 m/s增至2.5 m/s过程中,网面最大与最小流量均相差3.3倍,滤网目数为60、80、100目时,网面最大与最小流量相差3.3、3.1、2.3倍,且滤网目数增至100目时,最大与最小流量位置向两侧偏移;堵头处死水区压力大、流速低,泥沙易于沉淀,建议扩大堵头容积以承接更多的泥沙;可以考虑增大腔体体积、改变腔体角度、在入口处设置导流片,从而改善流场分布;建议在滤网上增加环状片体,改善网面流量分布,从而提高过滤器的使用寿命以及过滤效率。