1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春30033
2 中国科学院大学，北京100049
本文将冗余机械臂的轨迹跟踪和避障规划统一为优化问题，提出了一种基于改进灰狼算法的避障跟踪优化器。首先，基于包围盒法对避障空间进行了建模，使用GJK算法计算机械臂与障碍物之间的最小距离。其次，设计了适应度函数，引入避障奖励项对优化器进行主动奖励，使机械臂在跟踪目标轨迹的同时避开障碍物。然后，使用随机分散策略对灰狼算法进行了改进，以增强算法的全局搜索能力，从而更好地求解优化问题。最后，使用九自由度冗余机械臂验证了所提出方法的有效性和优越性。实验结果表明：对于圆形目标轨迹，机械臂的末端跟踪误差为0.21 mm；跟踪过程中，机械臂与障碍物的距离不小于70 mm；相比于经典灰狼算法，改进灰狼算法使跟踪精度提高了13%。本文提出的避障跟踪优化器能以毫米级的精度同时满足冗余机械臂的轨迹跟踪和避障任务；改进的灰狼算法能有效提高经典灰狼算法的收敛精度。
冗余机械臂 灰狼算法 轨迹跟踪 避障规划 redundant robotic manipulator grey wolf optimizer trajectory tracking obstacle avoidance 光学 精密工程
2023, 31(24): 3595
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130000
2 中国科学院大学, 北京 100000
3 中国科学院空间光学系统在轨制造与集成重点实验室, 长春 130000
针对光电跟踪转台的高精度跟踪问题, 设计了一种反步滑模控制系统和算法,该算法在反步控制的基础上引入滑模控制, 提高了控制器的鲁棒性。通过仿真分析可知, 该算法相较于反步控制算法和PID控制算法性能得到了提升, 其中, 阶跃跟踪响应速度提高21%以上, 正弦跟踪稳态精度和随机干扰下的稳态精度均提高两个数量级, 脉冲干扰稳定时间减少0.7 s以上,很好地保证了光电跟踪转台的跟踪精度。
光电跟踪转台 反步滑模控制 跟踪精度 photoelectric tracking turntable backstepping sliding mode control tracking accuracy
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 空间机器人工程中心 空间机器人系统创新研究室，吉林长春30033
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京100049
为了测量大质量设备的多维扰振力，设计了一种基于传感器阵列式分布的多维扰振测量平台。该平台基于压电传感器采用了冗余式阵列的振动测量策略，解决了大负载及高刚度的测量要求，避免了结构耦合引入的测量精度损失。同时，为了克服阵列式测量引入的冗余测量误差，本文基于广义逆求解法进行测量精度优化，针对不同的被测振源选取不同位置的传感器作为测量单元，并在此基础上采用全回归法的线性解耦算法得到更精确的三维力求解表达式，避免了冗余测量引入系统误差，也降低了不同力学特性的振源对平台测量结果的影响。最后，搭建了该阵列式多维扰振力测量平台的原理样机，通过实验验证了测量平台的可行性。实验结果表明，该系统保证了高承载能力和刚度（样机基频为1 174 Hz，承载能力达416 kN），对8~800 Hz频率范围内的三维广义力的动态相对误差小于5%，满足了精度高、载荷大、刚度强等测量要求。
微振动 重载测量 阵列式传感器 线性解耦算法 测量策略 micro vibration heavy load measurement array sensor linear decoupling algorithm measuring strategy
Author Affiliations
Abstract
1 Innovation Lab of Space Robot System, Space Robot Engineering Center, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130033, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100049, China
A monocular vision-based pose measurement system is provided for real-time measurement of a three-degree-of-freedom (3-DOF) air-bearing test-bed. Firstly, a circular plane cooperative target is designed. An image of a target fixed on the test-bed is then acquired. Blob analysis-based image processing is used to detect the object circles on the target. A fast algorithm (FCCSP) based on pixel statistics is proposed to extract the centers of object circles. Finally, pose measurements can be obtained when combined with the centers and the coordinate transformation relation. Experiments show that the proposed method is fast, accurate, and robust enough to satisfy the requirement of the pose measurement.
3-DOF air-bearing test-bed machine vision pose measurement cooperative target central extraction Photonic Sensors
2018, 8(2): 119
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间机器人工程中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京控制工程研究所成像事业部, 北京 100081
为了通过视觉测量的方法实现小型空间机器人协同位姿的求解, 设计了基于单目视觉的协同位姿测量系统。针对复杂的太空工作条件, 设计了作用范围广、精度高且稳健性强的合作靶标; 设计了利用图像梯度法提取单像素边缘的算法, 并通过中心匹配等约束完成了靶标识别; 推导了特征点距离与位姿测量精度的关系, 在此基础上提出了基于分区处理的特征点提取策略, 实现了复杂条件下特征点的分区提取和准确编号, 并扩展了工作距离, 改善了位姿求解精度。实验结果表明, 针对640 pixel×480 pixel图片, 在Matlab环境下处理速度约为84.3 ms/frame, 在2.2 m距离范围内位姿测量误差在5 mm、1°以内。设计的单目视觉位姿测量系统满足小型空间机器人协同工作的任务需求。
机器视觉 单目视觉 合作靶标 靶标识别 位姿测量 精度分析 激光与光电子学进展
2017, 54(12): 121505
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 空间机器人工程中心 空间机器人系统创新研究室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了实现气浮实验台位姿的实时确定, 提出了一种基于单目视觉的位姿测量方法。首先, 设计了一种具有旋转、平移、缩放不变性且易于探测的圆形合作靶标; 其次, 结合靶标尺寸、形状以及安装位置, 基于Blob分析快速识别合作靶标, 保证了定位点提取的准确性; 然后, 提出一种在待识别区域内进行“行、列”扫描统计的靶标圆心测量算法, 实现靶标圆心的快速、鲁棒提取; 最后, 结合计算机坐标系下的圆心位置以及视觉测量系统中坐标变换关系, 解算气浮实验台的实际位姿。实验结果表明: 该方法测量位姿精度较高, 抗噪能力强, 在处理1 600 pixel×1 600 pixel图片的情况下, 平均测量周期为53.086 ms(约19帧/s), 能够实现对气浮实验台位姿实时、精确、鲁棒的测量。
气浮实验台 计算机视觉 位姿解算 靶标识别 圆心提取 flotation experiment platform computer vision pose calculation target recognition center extraction 红外与激光工程
2017, 46(10): 1017005
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 空间机器人工程中心空间机器人系统创新研究室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了提高空间望远镜次镜支撑结构的动力学性能, 利用主动约束阻尼层对次镜支撑结构进行了设计, 主动约束阻尼层在柔性结构表面覆盖阻尼材料和压电陶瓷材料, 是对柔性结构进行振动抑制的有效手段。首先建立了主动约束阻尼层的有限元模型, 采用比例微分控制算法对压电陶瓷进行闭环控制, 分析了阻尼材料厚度和控制增益对支撑结构阻尼特性的影响, 结果表明增大阻尼层厚度或增大控制增益能够提高结构阻尼特性, 但增大阻尼层厚度同时也会降低压电陶瓷的驱动性能。对空间望远镜整体结构的分析结果显示, 覆盖主动约束阻尼层后支撑结构的固有频率会略微降低, 但是次镜位置的频率响应明显下降, 次镜的面型精度也有提高。
空间望远镜 次镜支撑结构 主动约束阻尼层 有限元方法 动力学 space telescope secondary mirror supporting structure active constrained layer damping treatments finite element method dynamics 红外与激光工程
2016, 45(11): 1118001
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
反射镜支撑结构通常需要具有一定的柔性来保证其面形精度, 但这将引起结构固有频率降低, 使得结构抵抗振动的能力下降。针对这一问题, 开展了利用阻尼技术改善反射镜支撑结构动态性能的研究。建立了反射镜组件、相机机身和基础耦合的动力学模型, 推导出系统传递函数、模态阻尼、振型等参数, 并据此进行了理论分析。重点分析了在反射镜部分增加阻尼对镜体和机身振动传递特性的影响, 并进一步从模态阻尼及振型分析等角度对这种影响产生的原因给予了解释。在理论分析的基础上, 采用有限元法对所建立的更为精确的有限元模型进行了仿真研究。研究结果表明: 在反射镜支撑结构中增加黏弹性阻尼元件可有效衰减反射镜组件的振幅和动应力, 系统二阶频率处的振幅衰减达到6dB, 一、二阶固有频率处的动应力衰减程度分别达到了28%和60%。由此可见, 在反射镜支撑组件中加入阻尼元件是一种有效改善结构动力学性能的措施。
振动控制 反射镜 柔性支撑 传递函数 vibration control reflector flexure supporting structure transfer function
