下肢助力外骨骼的动力学分析及仿真

下肢助力外骨骼是一种形似人体腿部结构,并联与穿戴者下肢外部,对穿戴者进行行走助力的机构.针对下肢助力外骨骼的行走特点,把其行走步态周期内的运动分成:单脚支撑、双脚支撑和一脚虚触地的双脚支撑三种行走模式,分别对此三种行走模式进行研究.构建动力学模型,求出各关节力矩,并通过仿真,验证其理论分析的正确性.下肢助力外骨骼的动力学研究为控制系统提供重要的理论依据,除外此研究结果也为仿人机器人的行走动力学研究提供重要的参考依据.     

下肢外骨骼机器人动力学分析与设计

设计了一种针对军事用途的下肢外骨骼机器人,主要为行军过程中的士兵承载负重,分析了人类下肢自由度以及下肢步态的特点,对人体下肢在单足和双足支撑期进行了动力学分析,建立了七杆模型,并与通常的五杆模型进行比较,得到各关节在一个步态周期内驱动力矩以及功率的变化,随后分析了人体下肢在登台阶过程中的功率变化,利用两者的分析结果确定了各关节的驱动方式.结合下肢外骨骼所需要实现的功能、工作原理及其结构组成,利用SolidWorks软件对其进行结构设计.最后,为验证所得到的结果的正确性,将样机模型导入ADAMS中进行验证,证明了所得到的液压缸力和各关节力矩是正确的.     

步态康复机器人动力学李群李代数建模及仿真

结合刚性支撑与柔性驱动设计气压驱动步态康复机器人，为探究机器人和患者构成的人机共融系统动力学特性，基于李群李代数理论建立了不同步态相下人体步行动力学模型、机器人和人机系统动力学模型，对被动、主动助力、主动抗阻3 种不同康复训练模式中的驱动特性和能量特性进行了分析。仿真求解出机器人关节驱动力矩、人体关节主动力矩，验证了李群李代数法建模的正确性及动力学模型的有效性，为驱动控制系统构建及交互控制策略设计提供理论参考依据。     

人体下肢外骨骼设计与仿真分析

设计了一种具有辅助士兵承载能力的人机一体化的下肢外骨骼.通过从仿生学角度分析人类下肢关节的结构特点、人类的步态及下肢自由度,并结合下肢外骨骼实现的功能、工作原理、结构组成,设计了其结构.利用CAD软件Pro/E及动力学仿真软件ADAMS对人体及下肢外骨骼进行了建模、仿真.这为进一步研究下肢外骨骼打下了基础.     

变刚度双足机器人半被动行走控制研究

为研究半被动双足机器人的平面稳定行走控制问题。以三自由度变腿刚度的双足弹簧-质点模型为对象,采用变刚度弹簧所提供的力和髋关节的转动力矩作为行走动力源,并采用拉格朗日方法建立了系统的动力学方程。通过PD控制器设计髋关节转矩进而对上体的旋转角度进行控制,通过反馈线性化方法分别设计了双足机器人在单支撑和双支撑阶段因变弹簧刚度产生的控制外力。在理论分析的基础上,进行了仿真研究。结果表明：文中研究的路径跟踪控制方法可以实现双足机器人在水平面的稳定周期行走并且具有较强的鲁棒性。     

基于能量最优的无人驾驶汽车路径跟踪控制

动力总成控制对无人驾驶汽车的动态性能和经济性起着重要的作用.为了提高车辆在路径跟踪过程中的动力性和经济性,提出了—种基于能量最优化的路径跟踪控制策略.控制策略分为两部分,在上层控制器中使用非线性模型预测控制来计算所需要的动力参数和前轮转角.下层控制器采用基于电机能耗数值最优的方法进行设计.该方法可以确保电机一直运行在效...     

高空高速飞行器侧向机动制导律研究

提出了一种面向高空高速飞行器的侧向机动能量较优制导律.首先建立了飞行器侧向机动模型,推导了侧向机动能量最优制导律,并进一步得出侧向机动制导律能量最优条件下的初始航向角限定区间;同时证明了CNG(Circular-Navigation-Guidance Law)是初始航向角取该区间内特定值时的能量最优制导律,然后基于CNG基本思想,设计了一种针对大范围初始航向角下的侧向机动能量较优制导律.飞行器作侧向机动时,在限定区间内,能耗最优;在限定区间外,能耗次优.理论分析和仿真实验表明所设计制导律在保证能耗较优的同时还具有位置和角度误差小、稳定性好等优点.     

基于OpenGL的仿人机器人步行仿真研究

已有的仿真建模中,为了减少复杂性,大多将人足模型简化为点或圆弧,这与实际情况相差较远.在C++Builder 6.0环境下利用“Open GL”图形库建立了3D仿人型机器人双足步行仿真系统,用多关节串联机构模拟足部,实现包括由前脚掌支撑、足部转动的多种步态方式,并分析步行中各种步态间的转换,根据机器人脚跟、脚尖与地面接触状态的变化动态切换不同的步态方式,符合人足步行的实际情况,增强了机器人步行的灵活性与拟人性.该系统的控制部分采用位置反馈与正弦驱动相结合的行走控制方法,通过对人足模型的多关节动力学建模,有效地实现了机器人的稳定步行仿真,并实现了步行过程中的实时步态调整.     

智能下肢助力装置虚拟样机的联合仿真

尝试建立一种全新的智能助力装置虚拟样机模型,旨为提高下肢助力装置设计的效率与可靠性.将CATIA建立的机械模型导入ADAMS建立装置的三维虚拟样机模型,对助力装置的运动学及动力学进行了仿真验证,将虚拟样机模型与MATLAB/simulink结合,对助力装置动力学方程及搭建的控制系统进行联合仿真.根据人体的步态数据,采用PID控制算法对下肢助力系统进行控瓤仿真结果表明,下肢助力控制系统有较好的动态响应特性和轨迹跟踪能力.研究结果能及时发现装置存在的缺点与不足,为助力装置样机研制和电机选型提供了参考,也为实现装置的助力提供了重要的理论依据.     

无线传感器网络中能量多路径路由协议的优化

以增加实时性、延长无线传感网生存期为目标,在能量多路径路由协议的基础上,提出了改进方法。原协议是在多条路径中选择能耗最低的作为最优路径,由于其通信能耗的计算涉及到节点的剩余能量,导致计算结果会偏离实际能耗,选择的路径会与实际最优路径不一致。改进的算法计算出路径的实际能耗,用跳数作为度量实现网络实时性的控制,选择较低实际能耗、较高节点剩余能量和具有实时性的路径作为最优路径。研究表明,该协议在选择路径时充分考虑到节点剩余能量,有助于均衡消耗整个网络能量,具有实时性,可以降低数据传输延时,提高传输效率。     

二维变刚度蛇形机器人的运动仿真与性能分析

针对二维变刚度蛇形机器人运动性能的研究,建立了 Simulink/Adams联合仿真模型,利用仿真模型研究变刚度驱动器的阻尼系数、刚度参数及角频率对其运动能耗的影响.为实现关节轨迹和关节刚度的同步控制,提出了基于双层CPG的运动控制器.结果表明:阻尼系数能够有效降低起动能耗占总能耗的比例,且低速运动时的起动能耗占比随刚...     

基于虚拟样机技术的四足步行机的动力学建模与仿真

步行机的能量消耗仿真分析是评估其能量消耗的方法之一,为设计能量消耗少的物理样机及其控制系统提供依据。在分析四足步行机的运动学和拉格朗日动力学方程基础上,采用虚拟样机技术建立了系统的考虑足与地面接触的三维仿真模型,并进行动力学分析和完整对角小跑步态周期中的能量消耗分析,获得步行机的动态特性。以移动能耗率为评价指标,仿真分析步行机在不同步行速度和步态参数下的能量消耗问题,建立步行机的移动能耗率与占地系数间的关系。同时对比分析了硬质地面和松软土壤地面模型的步行机足与地面间力学特性。     

基于支持向量回归的地铁牵引能耗预测

预测地铁线路未来牵引能耗.有助于评价线路的牵引用能效率、节约能源.地铁牵引能耗影响因素众多且呈非线性关系.因此基于历史数据建立支持向量机回归模型对地铁牵引能耗进行预测.首先,将牵引能耗的影响因素分为供电系统、线路条件、列车属性、运营组织及环境因素五类,并选取线路可变影响因素作为模型输入;然后,利用遗传算法对模型参数进行寻优,适用度函数设计采用交叉验证方法:最后,基于模型最优参数对牵引能耗进行预测.案例结果表明,交叉验证方法有助于提高模型预测精度;支持向量机回归模型的预测精度高于BP(back-propagation)神经网络模型与多元线性回归模型.     

储能产业发展带来的能源革命及其关键管理科学问题

储能产业的爆发式增长,不是一个独立的产业现象,而是以新能源利用为主要导向的能源生产和消费革命的必然要求,会导致能源供给和消费的系统性变革。在这个系统变革中,有很多管理科学的问题亟待学术界的关注和研究。讨论了多种储能发展的实际应用场景,针对共享储能的集中式储能和产销一体化的分布式储能等新兴发展的储能模式,从可行性的商业模式、中长期的规划设计、以及短期即时的运营管理等角度,提出了机制建设、容量规划、动态定价和优化调度等科学问题。     

基于CVaR的能源互补联合系统优化配置模型研究

由于风电、光电出力具有不确定性,因此会引起电网频率的较大波动,严重影响电能质量.为了保证含有新能源电力系统的稳定运行,特提出风光水储联合调度优化模型.首先,建立含新能源的电力系统优化调度数学模型,该模型追求系统机组耗量最小.在进行含新能源发电的电力系统优化调度中,可被用来调度的出力实际为满足负荷功率后,扣除新能源输出功率的那部分火电机组出力.算例结果表明,本文采取CVaR具有良好的性能;风电与光伏清洁能源机组并入系统中增加了日前调度的不确定性风险,但通过CVaR评估计算系统风险,采取有效的措施会使系统发电成本减少与碳排放量减少.     

Energy-efficient and security-optimized AES hardware design for ubiquitous computing

Ubiquitous computing must incorporate a certain level of security.For the severely resource con-strained applications,the energy-efficient and small size cryptography algorithm implementation is a critical problem.Hardware implementations of the advanced encryption standard(AES)for authentication and encryption are presented.An energy consumption variable is derived to evaluate low-power design strategies for battery-powered devices.It proves that compact AES architectures fail to optimize the AES hardware energy,whereas reducing invalid switching activities and implementing power-optimized sub-modules are the reasonable methods.Implemen tations of different substitution box(S-Boxes)structures are presented with 0.25 μm 1.8 V CMOS(complementary metal oxide semiconductor)standard cell library.The comparisons and trade-offs among area,security,and power are explored.The experimental results show that Galois field composite S-Boxes have smaller size and higheat security but consume considerably more power,whereas decoder-switch-encoder S-Boxes have the best power characteristics with disadvantages in terms of size and security.The combination of these two type S-Boxes instead of homogeneous S-Boxes in AES circuit will lead to optimal schemes.The technique of latch-dividing data path is analyzed,and the quantitative simulation results demonstrate that this approach diminishes the glitches effectively at a very low hardware cost.     

下行卫星认知无线电门限与功率联合优化

用于卫星通信的频谱资源日益紧缺,但现存卫星系统却存在利用不足的问题。针对该问题,以最大化卫星通信中下行带内数据传输量为目标,提出了基于Underlay认知无线电的卫星信道检测门限与功率分配联合优化算法。首先分析了下行链路中信道融合检测误差、功率分配向量与数据传输量之间的数学关系,给出了信道数量及总功率均受限时信道与功率联合分配的可行性条件。之后,进行了目标模型可行性论证及融合误差分析,并将优化目标函数问题分解为检测门限与功率分配两个子优化问题。针对两个子问题,文中分别证明了加窗粒子群优化算法适用于数据融合后的门限优化,论证了信道与功率联合分配的可行性,在此基础上给出了信道与功率联合分配的最优解。引入中间量在两个子优化算法之间反复迭代,得到了本文目标函数的联合最优解。最后,仿真给出了检测门限优化性能,结果表明,改进型算法在准确度和迭代次数上均优于传统粒子群算法;比较了该联合优化算法与传统卫星通信方式及普通Underlay认知无线电用于卫星通信时的性能差异,结果表明,该联合算法能够有效提高频谱利用率;给出了算法复杂度。