基于零空间行为法的自主水下机器人避障策略

针对自主水下机器人(AUV)在复杂海底环境驶向目标点的过程中可能遇到动静态障碍物的问题,设计了基于零空间行为(NSB)法的避障策略.首先将AUV驶向目标点的整体任务分解成不同的子任务,并把避障子任务设为最高优先级任务;对于多任务控制目标,将由低优先级任务向量向高优先级任务向量的零空间进行投影得到的综合任务向量作为最终输出函数;在完成高优先级任务的同时,部分或全部完成低优先级任务,以避免各任务目标的相互冲突.随后根据不同子任务的优先级设计相应的任务函数,研究了针对静态和动态障碍物的避障策略;推导并建立了AUV运动的综合输出函数,以确保其在驶向目标点的过程中对不同类型障碍物进行有效规避.模拟计算结果证明该方法是有效的和可行的,在复杂障碍物环境中能够达到预期的避障效果.     

基于传感探测系统的多自治水下机器人编队协调控制

针对自治水下机器人(AUV)编队协调控制问题,研究了基于传感探测系统的主从式编队协调控制方法.该方法能够避免AUV编队之间依靠水声通信而造成的通信延迟和数据丢失的问题,提高编队控制的可靠性以及生存能力.首先根据领航者位置信息和期望的编队队形得到跟随者的参考路径,跟随者可以实时测得领航者的距离和航向信息并与参考路径相对比.其次为了使跟随者轨迹在短时间内收敛于参考路径从而得到期望的队形,利用Lyapunov函数设计了反演控制器.最后对设计进行了编队控制的仿真.结果表明,AUV编队队形保持良好,所采用的方法具有很好的可行性.     

凝胶注模成型氧化铝基陶瓷坯体的冷冻干燥缺陷控制

采用凝胶注模成型技术制造复杂精铸件陶瓷铸型的过程中,铸型坯体会产生内部裂纹等缺陷,严重影响铸型质量。为此,采用三维CT检测技术,通过实验跟踪内部裂纹产生的过程,发现在冷冻干燥失水率(质量比)为20%~60%时,坯体容易产生裂纹。基于冷冻干燥理论,对裂纹产生的机理进行了分析,结果表明:在坯体冷冻干燥过程中,若冻结层温度高于其共晶点温度(-3.6℃),将使冻结层融化,致使其强度急剧下降,从而导致裂纹产生。为了降低坯体冻结层温度,将干燥供热板温度从15℃降低为-5℃,并在坯体内部设计直径为0.8mm的通孔结构,结果表明:采用这2项措施后,当坯体失水率为20%~60%时,可保证冻结层温度低于-3.6℃,有效避免裂纹的产生。     

三维微流道支架直接压印成形方法

针对软质生物材料支架内部三维微结构成形难题,提出了结合分层制造、微压印与冷冻干燥技术的三维微流道支架直接压印成形方法.通过开发自动化成形设备,实现了材料溶液填充、微结构压印、结构预冻、层间黏结等工艺过程的可控化,从而解决了传统手工操作所造成的结构重复性差、成形效率低等问题.研究了模具表面等离子处理、亲水物质添加、改变溶液填充方式等工艺对自动化成形过程中微结构复型性能的影响.结果表明,向材料溶液中添加微量亲水物质并辅助溶液填充引导,可实现软质水溶性天然生物材料内部复杂微流道结构的精确三维压印成形.通过工艺装备保证了成形过程的自动化和稳定性,从而实现了支架微结构制造的可重复性与可控性.     

船舶拖缆作业时的循线航行和定点定位控制

针对拖缆作业船舶在进行循线航行和定点定位时受到的海洋环境力和拖缆拉力,建立了船舶、拖缆和拖体三者之间耦合的运动数学模型.因其控制系统具有较强的非线性,单独使用模糊控制效果不够理想,所以设计了Fuzzy-PID(Proportion Integration Differentiation)合成控制器.该控制器包含3个模块:大误差切换至Fuzzy控制模块;小误差切换至Fuzzy-I控制模块;微误差切换至Fuzzy-PID控制模块.仿真给出了船舶在扰动情况下循线拖曳时的拖体轨迹,并通过定点定位控制验证了该控制器具有更强的抗干扰性和鲁棒性,能够实现较高精度的定位控制.