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7 篇 北京理工大学
7 篇 南京理工大学
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非完整轮式移动机器人轨迹运动控制

非完整轮式移动机器人轨迹运动控制

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：周宇生王在华南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室

轮式移动机器人是一种典型的非完整系统,其运动控制问题具有重要的理论价值和实际意义。考虑车轮不打滑不侧滑,则机器人在平面上的运动受到非完整约束。在该非完整约束下,根据左右两轮在任意时刻的转速,可以确定移动机器人中心在该时刻... 详细信息

轮式移动机器人是一种典型的非完整系统,其运动控制问题具有重要的理论价值和实际意义。考虑车轮不打滑不侧滑,则机器人在平面上的运动受到非完整约束。在该非完整约束下,根据左右两轮在任意时刻的转速,可以确定移动机器人中心在该时刻运动曲线的曲率半径,从而对于任意给定的两轮转速,可以计算出机器人中心在平面上运动曲线的相对曲率。将相对曲率的表达式转换成以弧长为参数的表达式后,根据平面曲线基本定理,可以证明该相对曲率唯一确定平面上的一条曲线,该曲线就是移动机器人的运动轨迹。反过来,对于平面上任意给定的一条以时间为参数的轨迹曲线,可以计算出要使移动机器人实现该轨迹运动所需要的两轮转速表达式。为了通过控制两轮力矩来实现任意给定的运动轨迹,必须计算出轮式移动机器人的动力学方程,将移动机器人的运动控制问题转化为轨迹跟踪问题来解决。首先,利用给定运动轨迹和两轮转速的关系和非完整约束方程,可以求出在实现该运动轨迹下移动机器人的前向速度和偏航转速大小,从而可以将原运动控制问题转化为轨迹跟踪问题,跟踪目标即为所需的移动机器人前向速度和偏航转速。在忽略两轮转动惯量的近似下,该轨迹跟踪问题是一个简单的线性系统轨迹跟踪控制问题,可以将其转化成具有已知扰动的线性系统的镇定问题。为了使得跟踪效果足够精确,我们引入合适的线性二次型性能指标,设计最优轨迹跟踪控制器来实现原运动轨迹任务。

关键词：轮式移动机器人非完整约束轨迹跟踪平面曲线相对曲率最优控制

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定向深脑刺激对帕金森神经元网络动力学的控制效果

定向深脑刺激对帕金森神经元网络动力学的控制效果

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：樊登贵刘苏雨王智慧王青云北京航空航天大学航空科学与工程学院

最新有关帕金森患者的实验证据表明通过一种新开发的具有32个触点的方向可操控的深部脑刺激(DBS)电极定向刺激丘脑底核(STN)能够比常规的STN-DBS更有效地控制刺激场的作用范围,从而减少刺激的副作用以提高治疗效果。基于这一事实,我们... 详细信息

最新有关帕金森患者的实验证据表明通过一种新开发的具有32个触点的方向可操控的深部脑刺激(DBS)电极定向刺激丘脑底核(STN)能够比常规的STN-DBS更有效地控制刺激场的作用范围,从而减少刺激的副作用以提高治疗效果。基于这一事实,我们通过由1280个基于电导率的Hodgkin-Huxley(H-H)模型神经元组成的皮质-基底节-丘脑环路网络计算模型研究了帕金森定向STN-DBS的控制效果。另外,帕金森症状主要表现为较低的丘脑中继皮层信息的能力和神经元集群之间的高频簇同步,本文主要用前侧、后侧、外侧、中侧和球形等五种刺激模式来观察定向刺激STN对丘脑中继能力和神经元集群去同步的控制效果。数值分析表明,与球形刺激模式相比,STN的其它四种不同方位的定向刺激在提高丘脑中继水平和改善神经元集群簇振荡的去同步方面取得了更好的控制效果。另外我们发现存在最佳的刺激强度区间使得不同的刺激模式能够达到各自最佳的控制效果,其中定向刺激取得了更大的治疗窗口。这些都与电生理实验中的观察结果相一致。此外,通过32个触点电极还可以记录局部电位(LFP)产生的病理性神经活动的时空信息。我们通过计算模型模拟了不同刺激模式下由于不同触点的激活诱导的神经元LFP的空间演化趋势,结果表明定向DBS可诱发刺激位置与其邻近区域之间出现较大差异的LFP(<-5V)。由于新型的可控性脑内电流装置可以改善深部脑刺激的疗效,我们的结果可能会为深入开展神经病理生理活动的研究给予新的理论依据。

关键词：帕金森基底神经节深脑刺激定向控制去同步

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胞体树突间耦合对CA1锥体神经元放电节律的影响

胞体树突间耦合对CA1锥体神经元放电节律的影响

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：李琴刘深泉华南理工大学数学学院

海马CA1锥体神经元在低钙溶液中会自发地周期性放电。本文应用神经元房室模型,在前人研究的基础上构造了一个由4个房室组成的CA1锥体神经元房室模型,来数值研究低钙溶液中CA1锥体神经元的放电波形特点。在神经元房室模型中,树突的拓扑... 详细信息

海马CA1锥体神经元在低钙溶液中会自发地周期性放电。本文应用神经元房室模型,在前人研究的基础上构造了一个由4个房室组成的CA1锥体神经元房室模型,来数值研究低钙溶液中CA1锥体神经元的放电波形特点。在神经元房室模型中,树突的拓扑形态会影响其与胞体之间的耦合强度,由于海马锥体神经元树突繁多,且大小粗细不同,因此它们与胞体的耦合强度也是不同的。本文着重考虑由3个树突房室和1个胞体房室构成的4房室神经元模型。固定树突房室2、4和胞体房室3之间的耦合强度,着重增加了树突房室1与胞体房室3的耦合,通过给出一定的耦合强度,研究了参数改变时对CA1锥体神经元放电节律的影响。经过研究,得出了几个结论,第一,当给定1与3之间的耦合强度为0.002时,放电波形对大部分参数非常敏感,微小的改变也能导致放电波形的明显变化。第二,当给定刺激电流为0时,通过改变参数,也可以得到放电波形较丰富的变化。第三,当给定1与3之间的耦合强度为负的0.024时,放电波形对大部分参数不敏感,但是当刺激电流改变时,表现出较丰富的放电形态。第四,对给定的两个耦合强度,对于某些参数的改变,神经元会出现开始一段时间簇发放,然后静息一小段时间,再开始簇发放或峰发放的现象。第五,许多簇发放中,一簇中会出现峰值大小不一,并且波谷伴随着振荡的现象。

关键词： CA1锥体神经元四房室神经元耦合强度振荡

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铁道车辆馈能式二系横向悬挂的鲁棒控制

铁道车辆馈能式二系横向悬挂的鲁棒控制

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：王鹏张继业西南交通大学牵引动力国家重点实验室

主动悬架相较于传统被动悬架能够显著改善公路车辆和铁道车辆的乘坐舒适度。这种性能上的改善主要依赖于主动悬架内执行器能够提供有效的减振阻尼力。然而,主动悬架的有效工作通常需要外部能量的大量供给,需要连接外部能源装置,这限制... 详细信息

主动悬架相较于传统被动悬架能够显著改善公路车辆和铁道车辆的乘坐舒适度。这种性能上的改善主要依赖于主动悬架内执行器能够提供有效的减振阻尼力。然而,主动悬架的有效工作通常需要外部能量的大量供给,需要连接外部能源装置,这限制了主动悬架在实际工程中的应用。近年来关于馈能式主动悬架的研究得到了学者们的广泛关注,但是研究多关注在公路车辆上,而很少有关于铁道车辆馈能式悬架的研究。本文首先针对具有范数有界不确定参数的1/4铁道车辆悬架系统,利用加权二次型性能指标反映悬架设计要求,并通过定义一个Lyapunov函数使得闭环系统满足该性能指标,从而将主动悬架控制增益的求解转换为一组线性矩阵不等式条件,然后利用MATLAB LMI工具箱求解得到了车辆主动悬架鲁棒控制器。该控制器使得1/4车辆悬架系统在参数摄动情况下仍能稳定运行,并确保性能指标最优。进一步使用该控制器在1/4车辆模型上给出了质量参数摄动下的能量平衡分析,仿真结果表明执行器参数选型的能量平衡条件应建立在质量参数摄动上界的基础上计算得到。最后,设计的鲁棒馈能式主动悬架被应用于质量参数摄动的整车模型仿真,计算结果表明了该馈能式悬架的有效性,在无需外部能源供给的情况下,该鲁棒控制器相比LQR最优控制器及被动悬架均体现了性能优势。

关键词：馈能式悬架主动悬架鲁棒控制铁道车辆

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倾斜支撑条件下随机力对管道振动特性的影响

倾斜支撑条件下随机力对管道振动特性的影响

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：荆帅甘春标杨世锡浙江大学机械工程学院现代制造工程研究所

输流管道动力学现象极为丰富,国内外学者对其内因和外因做了大量分析和研究。目前由于地震、风载、热变化等不确定因素对系统的影响已成为重要的工程问题,因为这些因素可导致管道振动出现意外偏移,某些场合会降低可靠性甚至发生破坏,因... 详细信息

输流管道动力学现象极为丰富,国内外学者对其内因和外因做了大量分析和研究。目前由于地震、风载、热变化等不确定因素对系统的影响已成为重要的工程问题,因为这些因素可导致管道振动出现意外偏移,某些场合会降低可靠性甚至发生破坏,因此必须考虑这些不确定性因素的影响。特别地,管路在受倾斜支撑时,支撑角度对系统的稳定性和动力学特性影响颇大,迄今关于斜支条件下随机力对输流管道系统的影响的研究尚少。本报告通过对此类系统的数学建模,讨论了三种随机力对系统振动产生的影响,进而总结了不同类型随机力的作用效果。以无随机力条件下斜支系统的周期-4运动为参考,(1)激励-Ⅰ为沿管路轴线方向的分布随机力,在其作用下会使系统表现周期-4占优运动,随着激励幅值增大,系统周期-4占优轨迹分布变宽,运动范围变大,逐渐成为周期-2占优运动;(2)随机激励-Ⅱ为点激励,其幅值的增大也会使周期-4占优运动通向周期-2占优运动,进一步发展至混沌占优运动;(3)随机激励-Ⅲ与Ⅱ相似,作用点不同但对系统影响效果略强。当三种激励同时存在时,周期-4占优运动轨迹较粗,三种激励振幅增大都会使轨迹线模糊,但点激励的作用效果要远大于分布力,随机点激励-Ⅲ的效果又大于Ⅱ的效果。此外,随机力中心频率、谱宽也不可忽视,二者表征了其概率分布范围和中心点。在激励-Ⅰ和Ⅱ的中心频率增大过程中,轨迹线由收敛变得发散,又重归收敛;激励-Ⅰ的谱宽增加,系统振动轨迹先发散后收敛;而对于随机激励-Ⅱ情形,系统振动轨迹却是先收敛再发散。可见,在斜支条件下,随机力对输流管道系统的影响不同,单一作用、耦合作用都会使系统振动轨迹相对发散,周期占优运动变得模糊,甚至发展成混沌占优运动,而中心频率、谱宽可能使得系统振动收敛,也可能发散。在实际工况中,需要根据具体要求来选定参数,以达到预期效果。

关键词：输流管道系统倾斜支撑随机力振动特性

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基座弹性影响下柔性关节空间机械臂模糊回归神经网络控制及弹性振动主动抑制

基座弹性影响下柔性关节空间机械臂模糊回归神经网络控制及弹性振...

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：梁捷陈力梁频福州大学机械工程及自动化学院中国空气动力研究与发展中心电子科技大学航空航天学院

随着人类科学技术的发展,太空资源倍受世界各国关注。由于太空环境十分恶劣,空间机器人替代或者辅助宇航员完成太空作业显得尤为重要。为了扩大机械臂的工作范围,将空间机械臂安装在移动基座上,移动基座可以沿着由桁架组装而成的导轨移... 详细信息

随着人类科学技术的发展,太空资源倍受世界各国关注。由于太空环境十分恶劣,空间机器人替代或者辅助宇航员完成太空作业显得尤为重要。为了扩大机械臂的工作范围,将空间机械臂安装在移动基座上,移动基座可以沿着由桁架组装而成的导轨移动。由于机械臂和负载的质量通常都很大,再加上机械臂与载体的强耦合作用,必然导致导轨振动,这种振动在太空无阻尼环境下将难以自动衰减。基座弹性振动对机械臂末端轨迹跟踪精度造成了不可忽视的影响,同时也对机械臂载体其他部件的正常运行造成了一定的影响。基于上述背景,本文重点针对基座弹性影响下的柔性关节空间机械臂控制方案进行研究。文中的控制器设计的目标是:存在参数不确定、外部扰动的情况下,通过合理的设计控制力矩以实现载体姿态及关节角的协调运动控制,同时主动地抑制柔性关节与弹性基座的弹性振动。基于此,依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型。以此为基础,依据级联控制法,将柔性关节空间机械臂视为基座弹性影响下的刚性臂子系统和电机转子子系统组成的级联系统。针对电机转子子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对基座弹性影响下的刚性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的模糊回归神经网络控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制弹性基座的弹性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。

关键词：弹性基座柔性关节虚拟控制力级联控制模糊回归神经网络

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基于连续相互作用势的交通流元胞自动机模型

基于连续相互作用势的交通流元胞自动机模型

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：郑伟范张继业西南交通大学牵引动力国家重点实验室

随着车辆机动化的不断发展,道路交通的发展难以满足迅速增长的车辆交通需要,交通问题日益严重,交通流的科学建模、有序管理与良好控制已成为亟待解决的问题。现有交通流模型主要包括宏观、微观和介观三个层面进行建模,大多为确定性模型... 详细信息

随着车辆机动化的不断发展,道路交通的发展难以满足迅速增长的车辆交通需要,交通问题日益严重,交通流的科学建模、有序管理与良好控制已成为亟待解决的问题。现有交通流模型主要包括宏观、微观和介观三个层面进行建模,大多为确定性模型。由于确定性模型缺乏描述可能性的机制,难以描述和捕捉高于临界密度的多值的、时变的复杂交通流现象,需要对交通流的随机行为进行研究。由于交通流具有动态性、随机性、多行为主体、和非线性的特征,使得交通流随机行为的研究具有一定的挑战性,特别是对于交通系统的车辆间、车辆与道路等交通环境间的相互作用的刻画和描述,存在一定难度。目前,考虑车辆间相互作用势的交通流模型采用了抽象的形式,没有给出具体的势函数表达式,只是在仿真中以相互作用强度常数来实现。当相互作用强度为常数时,表示司机受到前面远近不同距离车辆的影响作用是相同的,这对于实际交通中司机受到前面越近的车辆影响越大的事实不符,存在局限性。鉴于此,本文提出一种基于连续相互作用势的交通流元胞自动机模型。模型假定车辆之间的相互作用势是与前面车辆之间的距离以及车辆速度相关的连续函数,通过确切计算势函数的大小,进一步计算道路元胞格子的动态状态变化概率。改进现有交通流元胞自动机模型中随机慢化概率为设定的常数值带来的不足,可以描述和刻画实际交通中司机根据前方车辆引起的连续变化的相互作用势的大小进行随机决策的过程。通过数值模拟,能够再现交通流的高密度随机演化现象。与现有模型相比较,提出的模型具有较高交通密度,以及较高的交通流量。

关键词：交通流模型连续势函数元胞自动机

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多层混凝土框架结构的非线性随机地震动力响应分析

多层混凝土框架结构的非线性随机地震动力响应分析

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：陈建兵杨俊毅李杰同济大学土木工程学院土木工程防灾国家重点实验室

多层混凝土框架结构在我国量大面广。混凝土材料的力学性质具有显著的非线性和随机性。同时,我国是地震多发国家。由于地震的强烈随机性,任何结构在全寿命周期中都可能遭受地震作用而进入非线性受力阶段、乃至发生严重破坏。因此,多层... 详细信息

多层混凝土框架结构在我国量大面广。混凝土材料的力学性质具有显著的非线性和随机性。同时,我国是地震多发国家。由于地震的强烈随机性,任何结构在全寿命周期中都可能遭受地震作用而进入非线性受力阶段、乃至发生严重破坏。因此,多层混凝土框架结构的地震非线性随机动力响应分析对准确地把握工程结构的抗震性能与整体可靠性、从而进行经济合理的设计至关重要。本世纪以来,混凝土结构的非线性分析正在实现从构件到结构的两层次分析向从材料本构到结构整体性能多尺度分析的跨越,即从混凝土和钢筋的材料本构关系出发,利用现代非线性有限元和计算力学方法的最新进展,实现从材料层次到整体结构响应的精细化分析。混凝土结构在地震响应过程中具有显著的滞回耗能,因而是强非保守系统,其行为表现出高度的非线性,且与一般的多项式非线性形式相去甚远,其形式甚至难以用解析或连续微分形式表达。因此,在随机动力学中已经发展的诸多方法,例如矩函数微分方程方法、摄动方法和正交多项式展开方法等,都难以适用于实际混凝土结构的非线性随机响应分析。另一方面,过去十余年中发展了概率密度演化理论,导出了状态变量完全解耦的广义概率密度演化方程,其维数仅取决于所感兴趣的物理量个数,与本原动力系统的维数或自由度数无关。通过结合物理系统方程与系综概率密度所满足的广义概率密度演化方程进行综合求解,即可获得结构非线性随机响应的概率密度函数解答,从而为把握工程结构的抗震性能与整体可靠性提供了新的途径。近来,根据群演化形式的广义概率密度演化方程,提出了群演化求解与点演化求解思路的划分,并在基于群演化思路的高维偏微分方程降维、基于点演化思路的点集优选等方面取得了新进展。在本文中,将利用混凝土随机损伤本构关系与从本构到结构的结构非线性分析技术,引入基于GF偏差最小化的点集重整技术,采用概率密度演化理论,首次实现具有强耗能性能和损伤退化性质的多层混凝土框架结构地震非线性随机动力响应的分析。在此基础上,结合具体工程结构分析,深入考察基本参数概率信息对结构响应概率信息的影响。文中还将对需要进一步研究的问题进行讨论。

关键词：非线性地震随机参数混凝土结构概率密度演化

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高超声速飞行器再入段控制律设计

高超声速飞行器再入段控制律设计

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：梁捷陈力梁频福州大学机械工程及自动化学院中国空气动力研究与发展中心电子科技大学航空航天学院

高超声速飞行器一般是指当地马赫数大于5的飞行器,它对军事领域及航空航天领域有着巨大的影响,已被国内外学者广泛关注。通常将高超声速飞行器的飞行分成六个阶段:上升段、在轨段、过渡段、再入段、末端能量管理段及着陆段。其中,再入... 详细信息

高超声速飞行器一般是指当地马赫数大于5的飞行器,它对军事领域及航空航天领域有着巨大的影响,已被国内外学者广泛关注。通常将高超声速飞行器的飞行分成六个阶段:上升段、在轨段、过渡段、再入段、末端能量管理段及着陆段。其中,再入段是指从再入点到末端能量管理段起点的飞行阶段,利用大气层使飞行器在再入过程中消耗能量、减速下降。再入控制需要采用气动舵面和反作用力控制系统进行联合控制。而在再入初期,由于大气稀薄,气动舵面效率非常低,主要由反作用力控制系统(RCS)单独进行控制。然而由于高马赫数、宽飞行包线、气动特性的剧烈变化等情况,造成高超声速再入姿态控制系统存在快时变、强非线性耦合性、多约束、不确定性、多干扰、高实时性等特性,因此控制方案设计就要求具有很好的自适应性和鲁棒性。本文研究高超声速飞行器再入时的姿态控制问题,对考虑地球自转、高超声速飞行器六自由度再入动力学模型,设计了一种基于时间延迟补偿的滑模控制律以实现高超声速飞行器的姿态角轨迹跟踪。所提的控制方案利用飞行器已监测到的状态信息,实时在线估计系统的不确定项、未建模动态、外界干扰等,具有不依赖于系统模型、强鲁棒性的优点。通过开启和关闭时延估计项的计算机数值仿真对比实验可以看出,时延估计项能够有效的估计系统不确定项,控制系统具有良好的跟踪性能,调整时间短,而且超调量很小,跟踪精度较高。证实了该方法的可靠性和有效性。

关键词：高超声速飞行器时间延迟补偿地球自转姿态控制滑模

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逆子结构分析中方程不适定性问题的处理技术

逆子结构分析中方程不适定性问题的处理技术

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第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：王启利王军卢立新陈安军江南大学机械工程学院江苏省食品先进制造装备技术重点实验室

基于频率响应函数(FRF)的逆子结构技术在求解包装耦合界面处等效参数时具有很强的实用性,利用实测系统水平FRF来反向预测其耦合界面处的等效特征参数。该方法的优点是全部使用试验数据,不受解析模型的影响。但是,由于耦合界面自身非线... 详细信息

基于频率响应函数(FRF)的逆子结构技术在求解包装耦合界面处等效参数时具有很强的实用性,利用实测系统水平FRF来反向预测其耦合界面处的等效特征参数。该方法的优点是全部使用试验数据,不受解析模型的影响。但是,由于耦合界面自身非线性特性、测试时噪声信号的干扰以及求解时引起数值误差的影响。使得在预测包装耦合界面等效参数时产生不适定性问题,使得预测结果产生较大的误差。为避免此类问题,提出了俩种处理技术,一种是利用条件数法对实验获得的FRF进行处理,将条件数大于平均值的频率剔除,只留下状态值小于平均值的频率,之后再将留下的频率稍作比较,找出有交集的频率,在这些频率下进行参数辨识,然后利用逆子结构耦合界面动刚度预测公式辨识出包装耦合界面等效动刚度。另外一种是利用灵敏度法对所测的频响数据进行选取:对某一段频率,如果测得的系统的频响函数对于耦合界面处等效动刚度预测特别灵敏,即对此频率段,微小的参数变动都能使频响函数造成很大的变化,则选用此频率作为逆子结构耦合界面等效动刚度预测的频率是有利的,并排除那些灵敏度很低的频率。在此,利用逆子结构耦合界面等效动刚度预测公式得出的等效参数作为初始值,再求取整个频段的灵敏度,运用灵敏度法对试验实测数据进行选取,进而利用合理的频率段辨识预测包装耦合界面等效动刚度,通过数次迭代,直至辨识结果满足收敛。最后,对提出的俩种技术分别进行了数值验证,表明俩种技术均有效提高了耦合界面动刚度辨识精度。

关键词：逆子结构不适定性条件数法灵敏度法

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