农业机器人运动轨迹控制仿真分析——基于遗传算法优化和RBF网络逼近

随着国力的不断增长,我国科技产业发展突飞猛进,机械自动化、计算机控制系统和测试计量行业的不断发展,使得移动机器人的研究也达到了一个前所未有的高度,机器人已经被广泛地应用到农业生产、工业生产、国家安全、生活服务和高等研究设计等领域的各个方面。移动机器人作为机器人的一部分,集中了智能传感技术、机械制造、电子无线通信技术、智能仪器和自动化控制工程等多学科的研究成果,是当前科技研究与设计最前沿的领域之一。为此,基于遗传算法优化RBF网络逼近算法,根据机器人运动轨迹的特性,研究了机器人运动轨迹控制技术,通过实时传感器在线感知系统,为智能机器人实时规划出无碰撞、路线短的运动轨迹。实验结果表明:所研究的机器人运动轨迹优化技术,具有较好的控制作用,其在行进过程中能及时、有效避地开前方障碍,可靠性强,稳定性好,应用前景非常广阔。     

基于节曲线凸性判别的行星轮系移栽机构解析

为了建立非圆齿轮凸性与理想移栽轨迹之间的直接联系,使行星轮系移栽机构更好地满足作业要求,提出一种基于非圆齿轮节曲线凸性指标的不等速行星轮系机构参数求解方法。根据给定的运动轨迹,建立全局坐标系;将轮系简化为二杆二自由度开链机构（2R机构）,建立基于移栽轨迹的机构运动求解模型,提出非圆齿轮节曲线凸性判定指标,确立轮系中心位置变化范围即解析区域。根据运动学原理,由二杆二自由度开链机构复演理想移栽轨迹,求解轮系传动比,建立不等速传动比计算与分配模型,得到杆长、杆长比、轮系传动比、非圆齿轮节曲线凸性值等移栽机构参数,建立可以形成给定移栽轨迹的移栽机构参数信息图。避免了调试非圆齿轮节曲线的盲目性、优化机构尺寸和结构设计中双臂干涉等问题,为设计可形成特定轨迹的轮系机构提供参考。对几种常见移栽轨迹进行计算分析,以“鹰嘴形”水稻钵苗移栽轨迹为例进行非圆齿轮行星轮系钵苗移栽机构的设计仿真与样机试验,仿真轨迹、试验轨迹与给定理想轨迹基本一致,验证了计算模型的正确性与设计机构的可行性。     

基于空间轨迹的行星轮系移栽机构设计方法研究

为使行星轮系移栽机构能够实现复杂空间轨迹、更好地满足水稻宽窄行钵苗移栽的农艺要求,提出一种基于一般空间连续封闭轨迹的不等速行星轮系移栽机构逆向设计方法。首先,将行星轮系移栽机构简化为空间开链三杆二自由度（2R）机构,以3次非均匀B样条曲线拟合的理想轨迹曲线为约束,建立空间开链2R机构运动学模型,分析其末端轨迹形成机理,利用空间几何关系求解机构的杆长和输出轴的相对位置;然后,由输入与输出轴间的相对角位移关系得到轮系机构的总传动比,通过依附不等速齿轮副缩减开链机构自由度,并根据齿轮副组合类型进行传动比分配与非圆齿轮节曲线的设计。在应用实例中,基于空间“8”字形移栽轨迹设计了一种由平面非圆齿轮与圆锥齿轮组合传动的水稻钵苗宽窄行移栽机构,并进行了虚拟样机仿真与物理样机试验,结果表明：仿真轨迹、样机测试轨迹与拟合轨迹基本一致,验证了理论方法的正确性和可行性。     

同步转向高地隙喷雾机模糊自适应轨迹跟踪预测控制

为提高同步转向高地隙喷雾机轨迹跟踪的稳定性与鲁棒性,提出一种基于模型预测控制理论的模糊自适应轨迹跟踪方法。首先,基于刚体运动学以及几何约束推导出喷雾机的非线性运动学模型,并对该运动学模型进行简化;然后,基于简化的运动学模型建立喷雾机的状态预测模型;最后,结合实际工况设计了模糊自适应预测控制器。仿真试验表明：与传统的预测控制器相比,模糊自适应预测控制器的跟踪速度更快、稳定性更好。场地试验表明：在进行初始误差2.5、5m的直线轨迹跟踪以及无初始误差的圆形轨迹跟踪时,其平均误差分别为0.0442、0.0602、0.0901m。本文建立的喷雾机运动学模型可以很好地体现同步转向高地隙喷雾机的运动特点,设计的模糊自适应预测控制器可以保证喷雾机路径跟踪的准确性和鲁棒性。     

移动机器人低能耗最优路径规划方法

在移动机器人路径规划中需要考虑距离约束和时间约束,同时,为了使机器人在能量补给不足的情况下更高效地执行更多的任务,降低运动过程中的能耗变得尤为重要。兼顾考虑机器人对降低能耗和路径规划效率两方面的需求,本文提出了一种基于改进AD*(Anytime dynamic A*)算法的移动机器人低能耗最优路径规划方法。首先,通过构建机器人动力学模型及其在运动过程中的能耗模型,实现对路径的能耗计算。结合机器人运动学模型,采用基于采样的模型预测算法(Sample based model predictive optimization,SBMPO)生成优化轨迹簇。然后,改进AD*算法,将距离成本和能耗成本融入搜索节点的评估函数,根据轨迹簇中的节点连接关系和环境地图进行在线规划,以获得能耗最优的路径。最后,通过设计仿真测试场景,将所提出的能耗最优路径规划方法与距离最优规划方法进行规划结果对比,验证了算法的有效性。     

基于改进遗传算法的喷涂机器人轨迹优化

针对复杂的自由曲面,采用匀速喷涂方法,曲面上曲率的变化造成涂层厚度差较大。首先,根据平面上的喷涂实验和微分几何的面积放大定理推导出自由曲面上的漆膜生长模型;其次,建立分段优化路径速率的优化模型;最后,以表面有凹凸结构的复杂曲面为喷涂对象,采用改进遗传算法进行轨迹优化。仿真结果验证了数学模型和优化算法的有效性与和可行性。     

后插式分插机构的研究进展及机构创新

介绍了后插式分插机构—曲柄摇杆分插机构的研究现状;研制了一种新型的椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构;开发了理论模拟分析软件,并利用该分析软件对曲柄摇杆分插机构与椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构的插秧性能,从秧针静轨迹与穴口宽度、秧针速度与伤秧率、秧针加速度与振动性3方面进行了分析比较。结果表明,新设计的椭圆齿轮传动后插旋转式分插机构比曲柄摇杆分插机构性能优良。     

集群对草鱼、鲢幼鱼克流上溯行为的影响

为修复河湖中鱼类的洄游通道和栖息生境,国内外已建设各型护鱼措施并开展大量水力学与生态学相关研究。集群作为一种广泛存在的生物种群行为,解析其在鱼类洄游过程中的作用机制意义重大。本研究营造低湍动能、非均匀流场,针对我国重要淡水经济鱼种草鱼(Ctenopharyngodon idella)和鲢(Hypophthalmichthys molitrix)展开研究。本研究通过在3种流速工况(0.25~0.50 m/s、0.30~0.60 m/s、0.35~0.70 m/s)下,考察5尾处理组和单尾处理组的实验鱼持久上溯能力及上溯行为特征,量化集群对其克流能力的影响并解析原因。研究显示,集群对草鱼持久上溯能力的影响因流速而异,当流速为0.30~0.60 m/s和0.35~0.70 m/s时,5尾组持久上溯能力分别显著高于(P=0.030)和低于(P=0.048)单尾组;而集群能够普遍提高鲢的持久上溯能力,当流速为0.25~0.50 m/s (P=0.004)和0.35~0.70 m/s (P<0.001)时,5尾组持久上溯能力提升显著。集群多数情况会增加2种鱼的上溯耗时,只有当流速为0.35~0.70 m/s时,鲢的首次上溯时长在集群时显著下降(P<0.001)。集群能够帮助草鱼节能上溯,却会增加鲢的上溯累积耗能。综上所述,集群既可提高也可抑制鱼类上溯能力,其对上溯行为的影响主要体现在能耗、视觉反应及克流能力等方面,研究结果可为鱼类保护设施的设计、运行进一步提供可靠支持。     

交尾致雌雄叶蝉搜寻叶片和色彩行为差异的视频轨迹分析

使用基于Etho Vision XT11.5软件的视频轨迹分析仪检测了交尾和未交尾的雌、雄小贯小绿叶蝉成虫对茶鲜叶和黄、白、绿色卡的搜寻行为,结果发现:(1)未交尾雌成虫从释放点缓慢地搜寻到叶片,大多时间在叶片之外区域活动;交尾雌成虫从释放点较快地搜寻到叶片,较多时间在叶片上活动;(2)未交尾雄成虫从释放点较快地搜寻到叶片,大多时间在叶片上搜寻,轨迹长而复杂且速度快;交尾雄成虫较多时间在叶片之外区域搜寻,速度稍慢;(3)受到刺激时试虫就会展翅,致体翅面积增大,大于正常体翅面积60%、20%~60%、20%以下的运动状态分别称为"狂躁"、"活跃"和"静止"行为,交尾后雌、雄成虫"狂躁"历时均显著长于交尾前;(4)交尾前或交尾后,在黄色卡上雌成虫搜寻历时长于雄成虫,而在绿色卡上雄成虫搜寻历时长于雌成虫;(5)交尾之后,雌虫在黄卡区域出现频率和搜寻时间皆略有增加,在绿卡区域出现频率和搜寻时间皆明显减少;相应地,雄虫在黄卡、绿卡区域出现频率和停留时间皆略有减少。分析认为:交尾前,雄虫对茶叶的趋性强于雌虫;交尾后,雌虫对于叶片气味定向性增加,而雄虫对叶片气味的偏好性稍减弱;雄虫稍嗜好绿色,雌虫稍嗜好黄色;交尾稍增强了雌虫对黄色的嗜好,略降低了雄虫对于绿色的嗜好。