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关键词： 稀疏阵列   和差共阵   自由度   耦合效应  

摘要： 波达方向估计(Direction Of Arrival,DOA)是阵列信号处理领域中的一个重要分支,广泛应用于雷达、声纳、医学成像和无线通信等领域,其主要目的是确定信号到达传感器阵列的方向角度。传统的均匀线性阵列(Uniform Linear Array,ULA)在进行DOA估计时,其自由度无法超过阵元数。为突破阵元数对于自由度的限制,近年来学者们提出了一系列经典稀疏阵列。与ULA相比,稀疏阵列具有更高的自由度和更分散的阵元排布,因此其具有更高的DOA估计精度和更低的互耦效应。传统的稀疏阵列通常基于差分共阵而设计,其虚拟阵列由阵元间相对位置作差生成,故其自由度被限制在物理阵列孔径之内。本文基于和差共阵设计稀疏阵列,解决了传统稀疏阵列自由度受限于阵列孔径的问题,有效提高了阵列自由度。在此基础上,从减少稀疏阵列的阵元冗余和孔洞入手,分别基于嵌套阵列和互质阵列进行稀疏阵列设计,以进一步提升阵列自由度并降低阵列互耦。主要工作及创新如下:第一,为最大限度的提升阵列自由度,提出了一种基于和差共阵的新型倒转嵌套阵列。首先,提出了一种可减少阵元冗余并填补虚拟阵列孔洞的子阵重构策略。随后,基于此策略,通过将倒转嵌套阵列密集子阵的部分阵元右移来减少和差共阵的冗余并填充孔洞以提升自由度,提出了新型倒转嵌套阵列。最后,提供了所提阵列自由度的数学表达式。理论和仿真结果都证明了新型倒转嵌套阵列具有领先其他稀疏阵列的自由度。第二,为充分抑制阵列的耦合效应,提出了两种基于和差共阵的拓展互质阵列。首先,通过将传统互质阵列的短子阵列右移得到了拓展互质阵列,有效拓展了阵元间距并减小了阵元冗余,因此其在自由度提升的同时减小了阵列互耦。随后,通过将拓展互质阵列的部分阵元沿参考阵元位置翻折,得到了改进的拓展互质阵列,进一步扩大了阵列孔径并降低了阵元间互耦。所提的两种阵列在相同阵元数条件下具有连续自由度相同而物理孔径不同的特点,可根据实际载体尺寸不同选择不同的物理配置,具有较强的适用性。最后,仿真实验表明,所提两种阵列实现了低耦合与高自由度的平衡,与其他对比阵列相比拥有最佳的综合性能。

关键词： 姿态估计   卷积神经网络   增强现实   深度学习   图像处理  

摘要： 六自由度(Six-degree-of-freedom,6Dof)姿态信息是一种空间信息,是增强现实、机械臂抓取、自动驾驶等领域的重要输入,目前受到广泛关注。现有的6Dof姿态估计技术高度依赖于额外的传感器,且难以在光照变化明显、严重遮挡等条件下稳定精确地恢复目标物体姿态。针对以上问题,本文设计了一种姿态估计系统,该系统以单幅彩色图像为输入,以目标物体的6Dof姿态为输出,旨在为各类下游技术提供高精度姿态信息。主要研究内容如下:(1)针对3D物体映射到2D图像过程中产生的信息降维导致难以估计出物体精确姿态的问题,本文设计了一种两阶段式的姿态估计方法,通过全卷积神经网络提取2D-3D特征点匹配对,并基于EPn P求解将特征点匹配关系还原为物体6Dof姿态。(2)提出一种多源融合特征点,对通过FPS采样得到的表面特征点及3D包围框特征点进行融合,降低系统对纹理信息的敏感度,提升在面向不同物体的姿态估计任务中的稳定性。通过小孔成像原理将选取的3D特征点映射至2D图像上,并对其施加高斯分布得到热图,尽可能的保留空间信息并完成数据标记。(3)针对面向姿态估计的特征点提取任务提出一种以HRNet为主干网络的新型特征检测网络,引入了额外的语义分支提升系统进行单实例或多实例姿态估计时的检测精度,对Focal loss进行了针对性改进使其更适配姿态估计任务。(4)针对传统特征抑制方法难以参与到神经网络的反向传播、由于图像的整型索引导致的精度丢失等问题,提出了一种加权平均坐标法进行特征抑制,使抑制得到的坐标更接近真实值,进一步提升姿态估计结果的精度。本文基于Linemod及Occasion-Linemod数据集进行实验的设计及验证,从ADD(-S)、2D Projection、5cm5°几个角度对系统性能进行评估,为更清楚的表现系统各个部分对性能的提升,设计了消融实验。为了进一步证明本文提出的系统对其他下游技术带来正面影响,本文分别针对增强现实、机械臂抓取及自动驾驶三个方面设计了验证实验。最终的实验结果表明,本文提出的物体6Dof姿态估计系统相较于传统方法具有更高的精度,在高度遮挡的情况下表现出的鲁棒性更优,为各类下游技术提供了强有力的支持与保障。

关键词： 一带一路   对外直接投资   经济自由  

摘要： 作为参与国际分工和对外开放的主要方式,国际直接投资是维系世界经济发展的重要纽带,其实质是母国投资动机匹配东道国区位优势的国际资源配置。在二十一世纪的初期,我国企业响应国家号召并在“走出去”战略的引导下开始进行大规模的国际投资,后来“一带一路”倡议实施后,中国的OFDI的重心逐渐转移到了“一带一路”沿线的国家,这些国家大多是发展中国家,OFDI的机遇比较多,在这些国家建立的公司也比较容易,投资的成本也比较低廉。近些年来,随着新制度经济学兴起,制度对于对外直接投资的相关影响研究开始兴起,经济自由可以在一定程度上评价一个国家市场经济体制运行的好坏。因此本文选择经济自由度这个认可度比较高的指标,用它来量化经济自由来讨论它与对外直接投资之间的关系。本文主要考量“一带一路”相关国家经济自由度与我国对外直接投资之间的关系,并基于此进行相关分析,之后针对异质性进行了讨论,最后验证了经济自由度的细分维度对于对外直接投资的影响。本文的主要工作与成果如下:首先介绍了相关背景,并据此引出本文的研究内容,之后介绍了经济自由度的相关概念,同时系统梳理了经济自由度下不同维度与对外直接投资之间的相关文献,初步探讨经济自由度的不同维度对于对外直接投资的影响。后面提出相应相应假设,为后面进行相关验证打下基础。实证研究部分,本文基于2005-2018年中国对“一带一路”沿线53个国家直接投资额数据,实证分析了东道国经济自由度对中国对外直接投资的影响。本文采用贸易引力模型进行探究,并讨论经济自由度的细分维度与对外直接投资的影响,得出以下结论。(1)从总体上看经济自由度对中国对一带一路国家的对外直接投资额有显著正向影响。(2)按地域分类之后,“一带”国家的经济自由度对中国的对外直接投资额有显著的正向影响,而“一路”国家的经济自由度对中国对外直接投资额的影响不显著。按收入分类则有“中高收入国家”的经济自由度对中国的对外直接投资额有显著的正向影响,而“高收入国家”和“中低收入国家”的经济自由度对中国对外直接投资额的影响不显著。(3)对细分维度进行探究后发现东道国的法律体系建设完善、市场相对开放、监管效率较高以及政府支出相对少的国家更容易吸引对外直接投资。最后总体而言:我国投资还是偏好于经济自由度高、经济运行环境好的国家。后面提出相关建议。对于企业应当关注投资风险,建立相关预警机制最大程度保护自身相关利益,投资的时候最好选择营商环境好的国家或者地区进行投资。对于我国政府而言,应该发挥好自身的作用切实有效地帮助投资之人在外可以安全地进行投资,同时提供一个平台来发布各个投资国自身的一些相关情况,并与我国企业进行信息上的分享,帮助我国企业可以更好地进行投资。此外还应该提高自身制度建设,以开放的态度欢迎其他国家的企业进入我国进行投资。对于东道国政府而言完善自身法律体系建设,扩大开放、简化企业进入相关流程,降低税率等来进行吸引对外直接投资。

关键词： 并联机构   运动学   静刚度建模   有限元分析  

摘要： 随着科学技术的不断创新与发展,并联机构在工业领域中发挥着越来越重要的作用。并联机构具有结构稳定紧凑、承载能力强、精度较高、惯性小、动态响应好等优点。然而在并联机构运行过程中,由于受到了外力的影响,它的末端驱动器会产生位置形变,这就对动力学性能和位置精度产生一定的影响。本文主要针对项目组提出的新型四自由度并联机构2UPS+(RPR+RP)U,研究并分析其静刚度性能。静刚度是指机构工作末端在施加静载荷后,整机维持定位精度的能力。因此,对该并联机构进行静刚度分析是非常有必要的。对该新型四自由度并联机构,主要针对以下几个方面内容来研究机构的静刚度。首先,对机构构型做简单描述,分析得出该机构运动空间。对机构建立运动学映射模型,同时建立静力学驱动/约束力矩模型,针对影响机构性能的参数因素,定义评价指标,得出对其性能影响较大参数因素,为后续对机构优化奠定基础。其次,通过对该机构构造矩阵分解方程,借助虚功原理,求出各个部件的静刚度模型。利用力学叠加原理,将所求各部分柔度模型叠加起来,求出整机静刚度模型。针对所求模型,定义静刚度性能评价指标,采用遗传算法(GA)对静平台结构参数a,动平台结构参数c以及杆长参数q进行优化,得到最优解。借助静刚度解析模型,分析机构末端刚度在任务空间中随位形的变化规律。然后,利用有限元分析软件Ansys Workbench模块对该并联机构建立有限元解析模型。选取该并联机构两种典型位姿,将有限元仿真结果与静刚度解析模型的计算结果进行对比,验证该并联机构2UPS+(RPR+RP)U静刚度解析模型的正确性。最后,利用优化数据,完成对2UPS+(RPR+RP)U并联机构的样机组装。

关键词： 六自由度机械臂   逆运动学   轨迹规划   轨迹跟踪   多种群遗传算法   模糊PD控制  

摘要： 机械臂作为机器人技术领域中的主要组成部分之一,具有运动灵活、定位精度高、延迟低的优势。现有机械臂多是由不同设计形式(大小、外形、材料)的关节串联或并联组成,机械臂总体结构复杂,通用性较差,零件替换成本大大增加。本文设计了一款可折叠的六自由度模块化串联正交机械臂,并实现了机械臂的有效轨迹规划和轨迹跟踪。具体研究内容如下:首先,设计六自由度模块化串联正交机械臂结构,建立机械臂的三维仿真模型。为了实现机械臂运动学和动力学建模,分析了空间中刚体的位置和姿态,以及坐标系之间的坐标变换;进一步研究了运动和力、力矩之间的关系,分析了连杆的速度、角速度、力、惯性张量等物理参数,为动力学分析提供了理论基础。从机械臂的结构样式、工作方式、自由度数来设计模型方案,通过Solidworks完成机械臂的三维建模;根据机械臂末端执行器的工作对象,给定了机械臂的关节质量、外形尺寸、连接方式等参数,并基于外形尺寸为舵机设计保护外壳。其次,针对遗传算法进化效率低的问题,提出改进的多种群遗传算法进行逆运动学求解。使用D-H法构造机械臂正运动学模型,得到关节坐标之间的变换关系,并推导出正运动学方程。针对传统的多种群遗传算法收敛速度不稳定、运算时间长,采用改进的多种群遗传算法对机械臂进行逆运动学求解;搭建机械臂的MATLAB仿真模型并进行正逆运动学分析,采用五次多项式插值法进行轨迹规划。仿真结果表明,所提算法在保证机械臂位姿精度较高的同时还能根据实际情况调整参数、选择合适的搜索效率,获得了较好的逆解和轨迹规划结果。然后,基于牛顿欧拉法建立机械臂的动力学模型,采用模糊PD控制器进行机械臂轨迹跟踪控制。将机械臂三维模型导入Simulink,在Simulink中进行机械臂控制系统的搭建;从实用性角度出发,进一步采用模糊PD控制器进行机械臂的轨迹跟踪仿真验证。仿真结果表明,即使在噪声干扰的情况下,所设计的六自由度模块化串联正交机械臂仍能很好的完成轨迹跟踪控制。最后,为了验证机械臂轨迹规划的有效性,搭建机械臂实验平台。设计决策层和执行层两层分布式结构,决策层产生轨迹,执行层控制舵机的转动。先进行固定平台的机械臂控制系统设计,由于固定平台的机械臂执行空间范围受限,无法实现自主移动的机械臂操作任务,又进一步设计了融合SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)、A*和动态窗口法(Dynamic Window Approach,DWA)路径规划的自主移动平台的机械臂系统。实验表明,机械臂能够将抓取物体自主移动到指定位置,验证了轨迹规划的有效性。

关键词： 深度学习   波浪补偿   运动学模型   坐标变换   并联机器人  

摘要： 在海洋强国战略的时代背景下,我国进入大规模开发利用海洋的时期,离岸作业、远海作业将会成为常态。而海上环境瞬息万变,作业平台在海上风、浪、洋流的影响下产生的六自由度运动是阻碍海上作业顺利开展、威胁作业人员人身安全的主要因素。因此本文针对上述问题开展了运动姿态的短时预测和主动式六自由度运动补偿技术研究,具体研究内容包括:(1)针对高海况下作业人员对船舶、海工装备的操作出现决策失误后易发生安全事故的问题,本文提出了基于EEMD-LSTM的组合预测模型用于海上平台运动姿态预测。模拟了4级海况下的舰船横摇运动数据,将其作为预测实验数据集,预测实验结果表明,相比采用单一LSTM模型进行预测的方法,基于EEMD-LSTM组合模型预测的RMSE误差下降了29.6%,MAE误差下降了29.3%,MAPE下降了52.7%。(2)针对作业平台受风、浪、洋流影响产生六自由度运动导致海上作业进度缓慢、安全隐患大的问题,本文设计了基于Stewart并联平台的运动补偿实验系统方案。通过对运动补偿实验系统进行分析,提出了受到海浪六自由度运动激励时,作业平台在全局坐标系下的空间位置解算算法,在此基础上进一步提出了六自由度运动平台补偿控制算法。最后搭建系统仿真模型对相关算法的正确性进行了验证。(3)完成运动补偿实验系统的搭建,然后通过对运动补偿实验系统控制策略的研究,在完成Stewart并联机器人的运动学逆解公式推导的基础上设计了基于PID的交流伺服系统控制器。最后完成了运动补偿实验系统控制软件的设计,实现了人机交互、硬件数据通讯、运动补偿控制、运动模拟等功能。(4)在完成运动补偿实验系统搭建的基础上首先设计了实验平台相关基础控制实验,实验结果证明实验系统的控制方案能够满足运动补偿实验的需求。然后设计了运动补偿实验对运动补偿控制算法进行了实验验证。相比使用姿态传感器先测量数据然后再进行运动补偿的方法,补偿的平均绝对误差分别下降了86.7%、92.9%、55.9%、87.9%、93.5%、90.7%。实验结果证明了本文提出的补偿算法能够有效补偿六个自由度的运动,同时还验证了将运动姿态的短时预测技术与运动补偿技术结合以降低运动补偿时滞的可行性,为后续的研究提供了思路。

关键词： 钢坯标识设备   结构设计   强度分析   模态分析   瞬态动力学分析  

摘要： 随着钢铁行业和科学技术的迅猛发展,保证钢铁产品的质量已经成为钢铁企业生产中不可忽视的环节。通过钢坯标识设备在钢坯表面标识包含钢坯生产信息的二维码可以有效避免出现“混坯”情况,便于钢坯的质量管理。 本课题根据厂方要求以及现场实际情况,通过调查研究国内外钢坯标识设备的现状及发展趋势,研制了一套三自由度冷床位钢坯标识设备,该设备应用激光标识技术可实现在钢坯生产线的收集冷床位置对运动的钢坯实时在线标识,其主要包括上箱体、底座、侧向支撑结构三大设备主体结构以及标识机构、读码机构、激光测距机构、喷涂机构和独立于设备主机之外的防撞滚轮机构五个工作机构。本文详细阐述了各模块的工作原理与机械结构,应用CAD和Solid Works软件完成设备的整体建模,并依据实际工作情况,合理选取零部件型号,确保其功能满足要求。 在结构设计完成的基础上采用ANSYS Workbench软件对设备进行力学分析,首先,在静态条件下对设备中的主要承载结构进行静力学分析,检验设备的强度和刚度。其次,在标识进行过程中,上箱体在底座上高变速往复运动所产生的动载荷会影响标识机构、测距机构、喷漆机构的工作,故需对设备进行包括预应力模态及瞬态在内的动力学分析。其中预应力模态分析求解得出的前六阶模态固有频率及对应振型,是避免设备共振的理论支撑;利用瞬态动力学分析求解得到各组件不同时刻的应力和应变情况,验证设备标识的可靠性。 研究表明,标识机构的变形在标识精度容许的误差内,很好保证了标识精度,设备主机在往复高变速工作过程中强度和刚度均能满足设计要求,可以很好的在短时间内有序完成对钢坯的测距定位、喷涂底漆、标识、扫码工作。防撞滚轮机构可以对伸出量过长的钢坯进行端面矫正,为设备主机提供安全的工作环境的同时大幅提高标识效率与标识精度,达到了用户的设计要求。

关键词： 7自由度机械臂   共形几何代数(CGA)   逆运动学分析   运动规划   改进RRT算法  

摘要： 相比6自由度机械臂,7自由度冗余机械臂在障碍回避、奇异位形回避、关节力矩优化、操作性增强等方面具有无可比拟的优势,因此,被广泛地应用在不同领域的不同任务中,如制造领域中的装配、涂装和焊接等任务、医学领域中的神经外科手术或航空航天工业的卫星维修、轨道垃圾清理等任务。本文以7自由度机械臂为研究对象,利用共形几何代数(CGA)的几何直观性和几何代数运算对其逆运动学分析问题进行了新的探索和尝试,提出了一种新的几何建模和解析求解方法;基于此,针对其运动规划,提出了一种改进的随机采样(RRT)运动规划算法。主要的研究内容和创新成果如下:(1)分别提出了基于关节角参数化和基于臂型角参数化的CGA 7自由度机械臂逆运动分析方法。首先,根据肩、肘、腕是否有偏置,对7自由度机械臂进行了分类;接着,分别基于关节角参数化和臂型角参数化,采用CGA对7自由度机械臂进行逆运动学建模和求解。CGA法基于CGA中点、线、面、球和点对等基本几何元素的表达和内积、外积、对偶、投影和旋转变换等运算法则,推导了其逆运动学分析的几何模型,建模过程脱离了坐标系,求解不需要消元。最后,以不同构型的7自由度机械臂为数值实例,并通过SolidWorks仿真验证了两种算法的正确性与有效性。(2)提出了一种改进的7自由度机械臂RRT运动规划算法。该算法首先引入了方向引导策略来指导采样方向,以减少RRT算法的盲目搜索;接着,引入了回归策略和自适应步长策略,增强了 RRT算法的搜索和避障能力,减少了对空间的重复搜索;然后,利用Dijkstra算法消除路径中的冗余节点,缩减路径长度;最后,利用B样条曲线对路径进行拟合。通过Matlab仿真验证,改进的RRT算法有效提高了算法的搜索效率和规划路径的质量。(3)基于ROS对7自由度机械臂的运动规划算法进行仿真验证。针对7自由度机械臂的运动规划,使用ROS系统中的运动规划模块Movelt!基于RRT、RRT*、RRT-Connect以及提出的改进RRT算法设计了针对无障碍环境和复杂障碍物环境的路径规划器,并进行性能分析。仿真实验表明:相对于已有RRT算法,改进后的RRT算法在采样点、规划时间、规划路径长度和平滑度等方面均有显著优化,从而验证了改进的RRT路径规划算法的有效性。

关键词： 高速并联机器人   视觉检测   轨迹规划   345-修正梯形运动规律   误差建模  

摘要： 本文密切结合自动化生产线中对于工业机器人的需求,以4-RR（SS）高速并联机器人机构为载体,研究单目相机的视觉标定技术、运动轨迹规划、并联机器人误差建模与补偿方法以及相关样机试验等内容,全文主要取得成果如下: 在视觉标定方面:基于小孔成像原理,建立了考虑镜头切向畸变和径向畸变的相机透视模型,在此基础上,提出一种依据泡眼板本身面积和最小灰度来判断泡眼板种类的检测识别算法;其次,通过九点标定法求取目标物体坐标从像素坐标系转换至机器人坐标系的转换矩阵,为机器人抓取试验奠定基础。 在运动轨迹规划方面:提出一种基于额定加速度的345-修正梯形运动规律。通过融合345多项式和梯形运动规律的优点,构造出一种可兼顾运动时长和运动平稳性的345-修正梯形运动规律。在此基础上,通过插补叠加轨迹过渡传统门形轨迹的直角部分,并统筹考虑总运动时长最短以及角加速度峰值最小为目标,使用熵权法完成叠加比例系数的优选,最终试验表明采用插补叠加轨迹规划的方法相较于传统门型轨迹角速度峰值和总运动时间都有降低。 在并联机器人误差建模和补偿方面:研究一种新型四自由度高速并联机器人的误差建模和补偿方法。基于闭环矢量法构建了四自由度高速并联机器人的几何误差模型,进而分离出本机构的不可补偿误差源和可补偿误差源,对不可补偿误差源进行灵敏度分析,之后采用遗传算法对部分误差源公差进行优化,而对于可补偿误差使用最小二乘法对误差参数进行辨识,最后通过修正系统输入的方法进行误差补偿。 在视觉检测平台搭建和样机试验方面:统筹考虑泡眼板生产线中检测需求,对光源、相机、镜头、伺服驱动器等硬件进行选型,进而搭建视觉检测平台,基于C#编写人机交互界面,结合Twin CAT3软件编写并实现插补叠加轨迹算法、空间点动功能、多模板匹配等功能模块,最后对并联机器人伺服驱动器参数调节,完成抓取频次试验,改进后的算法相较于传统算法抓放频次能提高55.7%,泡眼板检测成功率可以超过95%。

关键词： 工业机器人   视觉检测   冗余参数   参数辨识   运动学标定  

摘要： 机器人产业发展迅猛,极大地改变了人们的生产和生活方式,世界各国已将机器人作为科技竞争的重要焦点。面对新的形式和挑战,依据国家发布的“十四五”机器人产业发展规划,我国要加速推进机器人产业的高质量发展,使其综合实力达到世界先进水平。当前机器人在生产制造中重复定位精度较高,但绝对定位精度较低,并且机器人标定系统存在操作复杂、成本高、效率低等缺点。针对这些问题,本文以六自由度IRB1200型工业机器人为研究目标,对基于视觉检测的机器人自动标定系统进行研究,该系统包含机器人数据采集系统和机器人参数辨识系统。通过对自动标定系统进行仿真与实验,依据分析数据可以得到,机器人标定前后的绝对定位误差的最大误差下降48%～57%,平均误差下降55%～62%,整个标定过程平均用时6分35秒,实验结果表明了该系统提高机器人绝对定位精度的有效性。本文将从以下几个方面展开论述。(1)分析机器人运动学原理,建立D-H模型,推导出正、逆运动学的求解过程。通过MATLAB机器人工具箱对IRB1200型工业机器人进行运动学仿真,验证建立D-H模型的正确性。(2)基于工业相机的成像模型推导出相机内、外参数,研究机器人手眼标定原理,求解出相机坐标系与机器人末端坐标系之间的变换关系。对手眼关系进行预标定,得到手-眼-靶-基座标之间的转换矩阵,确定机器人在不同点位的实际位置信息。(3)分析坐标系间的微分变换,建立运动学参数与机器人末端位姿的变换关系,求出机器人误差模型;基于相邻坐标系间雅克比矩阵的线性关系,推导出在不同条件下误差模型存在的冗余参数;研究最小二乘法的原理和求解方法,将最小二乘法与剔除冗余参数相结合,并与最小二乘法进行实验对比,实验结果表明,结合剔除冗余参数的最小二乘法辨识精度更高。(4)本文研究的机器人自动标定系统由机器人数据采集系统和机器人参数辨识系统组成,实验系统采用IRB1200型工业机器人和海康MV-CS060-10GC工业相机,将工业相机通过夹具固定在机器人末端,以棋盘靶标作为参照物。通过自动标定系统控制机器人自动运动到预设的20个点位,每点停留15秒完成相机对棋盘靶标的拍摄,将各点位机器人转角信息以及相机拍摄的图像自动保存在PC端。参数辨识系统提取保存在PC端的数据信息,在视觉检测预标定的基础上,计算各点位的末端位置误差从而进行运动学参数辨识,将辨识后结果显示在标定系统界面上,从而实现自动标定。