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基于仿生扫描探测系统的运动平台设计.pdf

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学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明学位论文作者签名 募删 翮签名m导师签名f’了孑2℃够签字日期妒年,明16日 签字日期加彳年f≯月/么日致谢本论文的工作是在我的导师陈科山教授的悉心指导下完成的,陈老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来陈老师对我的关心和指导.邓湘老师在我们完成实验室的科研工作中给与我们指导,在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助,在此向邓老师表示衷心的谢意。李平康教授、李东光教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见,在此表示衷心的感谢.在实验室工作及撰写论文期间,李峰、杨树仁、唐厚成等同学对我论文中的部分研究工作给予了热情帮助,在此向他们表达我的感激之情。另外也感谢我的父母,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。北京交通大学硕士学位论文 1引言1.1研究背景1引言自20世纪60年代初仿生学诞生以来,仿生技术已得到迅速发展,在军事、医学、工业、建筑业、信息产业等系统获得了广泛应用,如仿生技术已成功地应用于精密雷达、声纳、导弹制导、机器人等领域中。尤其是近几年以来,许多国家在生物学、物理学、化学、材料学、工程技术等领域设立了大批仿生学研究课题;特别是发达国家更是投入了大量资金和人力,抢先开展了多方面的研究和产品生产,获得了惊人的进展。随着生物技术的发展,在彻底弄清生物系统的工作原理后,通过基因技术、生物分子工程技术对生物分子的改造,运用生物分子电子技术等主动仿生学方法,一定能制出功能优于生物结构更紧凑、体积更小的各种信息探测装置。目前,美国、日本、欧洲、俄罗斯正在努力向主动仿生技术发展。在国内,仿生技术也受到了学术界和工业界越来越多的重视。国家自然科学基金几乎每年都有相关的资助项目。仿生学是当今国内外研究的热点学科之一,在当前情况下进行仿生技术的研究具有非常重要的意义,特别是在我国仿生技术研究进展缓慢的情况下,这一问题显得更为迫切【lJ。仿生技术是直接面向国民经济和国防科技发展的实际需求,以仿生学为理论基础,综合生物物理学、光学、声学、微电子学、机器人技术、微机电技术、传感器技术、计算机技术、模式识别、人工智能等多门基础科学和工程技术科学所形成的一门交叉、边缘、新兴学科。为智能机器系统和武器系统的研制开辟新的研究思路、提供新的工作原理和技术途径,在军用和民用领域同样具有广阔的应用前景【2】。主要研究方向有1仿生机器人技术主要研究仿生机器人,包括仿生机器人总体结构与优化技术,仿人形机器人运动规划与仿真系统、仿人形机器人的感知技术、基于多传感器的环境自适应技术。2智能系统群体通讯与协调技术主要研究智能无人移动平台及机器人问的通讯与协调作业,包括多智能系统间的信息传递、信息获取及信息理解技术,智能决策与规划技术,协调作业控制技术,人机交互与遥操作技术。3仿生感知与信息处理技术主要研究信息获取与利用技术,主要包括视觉北京交通大学硕士学位论文 1引言仿生探测技术,听觉仿生探测技术,力觉、触觉处理技术,复杂环境下多信息获取与融合技术。实践证明,仿生探测不仅可以获得目标的更全面的信息,而且能更有效地利用目标的敏感信息,这对于解决现代战争对各种制导武器提出的高要求高效能、快速反应、高瞄准精度、低成本、完备的武器系统,奠定了可实现的基础,利用仿生技术制造的各种信息收集系统,易于实现高分辨率的信息获取、特大容量的信息传输、超高密度的信息存储、特快速度的信息处理等,从而可以大幅度提高探测、监视和导航能力,为在复杂战场环境下高精度命中目标要害部位和抗干扰的性能先进的武器的实现提供了可能p】.所以研究仿生探测技术是必要的,而且对实现武器大跨越发展具有重要意义,必将成为实现精确打击、提高弹药作战威力、大幅度提高武器毁伤概率和实现武器系统全自动化的关键技术之一,仿生探测技术必将成为一种技术发展主流【4l。正是在这样的大前提下。根据实际的测试需要,提出了本课题。这个课题的完成将给仿生探测技术提供探测的基础平台,为仿生探测提供实验的设备,最后制成的设备,将针对探测扫描仪器的性能检测准确性,方便性和可重复性的要求,应用于各种运动路径下的仿生探测,这必将推动并促进仿生探测技术的发展,并对仿生探测技术的研究有着重大的意义。由于设计时采用了模块化设计,产品不仅可用于仿生探测的实验,还可以用于类似的实验研究,产品可以多次利用。本仿生运动平台是应用于仿生感知与信息处理技术,主要用于信息的获取,属于视觉仿生探测技术,平台提供了视觉仿生探头探测实验以多种运动,在实践应用中有重要的价值。1.2国内外相关设备的研究概况国内外目前与本课题相类似的竖直平面运动平台有成熟的产品也有为实验室设计的实验设备,在生活中较为人们所知的有龙门吊、墙面清理机器人【5】等。在国内,从事运动实验设备研究的老师或单位不少,其中大部份的研究者都以软件显示仿真为主。至于运动平台的研发单位较少,包括电子科技大学,上海交通大学、台湾大学造船系、台湾科技大学及中山科学研究院等,它们的研究成果没有有针对性地与仿生技术结合。电子科技大学机械电子工程学院研发的应用于微波暗室的运动平台,有上海交通大学的先进制造中心研制的气浮Y两坐标平面运动平台,在台大造船系研发出一个三自由度三轴模拟机用于模拟船舶的横摇、纵摇、起伏2北京交通大学硕士学位论文 1引言运动。台湾大学机械系制作的一个液压式六轴运动平台以模拟炮台的射击运动及后坐力。台湾科技大学制作一个三轴运动平台以作为坦克车的驾驶模拟。中大机械系的二轴运动平台是为了起重机的模拟而设计的。新竹交大机械系也设计了一个由马达驱动的六轴运动平台,主要用于研究及教学用途。就国内产业界而言,目前主要有几家公司致力于动感平台的生产。首先是台北仲成仪器股份有限公司的多臂伺服装置控制与感测系统。此系统由于是以马达驱动,目前应用是以作为研究和教学工具为主。另一专门生产动感运动平台系统的公司是美新科技公司,主要产是专供娱乐用途的三轴运动平台并已与电脑动画互动整合成为动感游戏机.在国外,80年代中期,瑞典道路交通研究中心开发出了有四个自由度的液压运动平台、支持复杂车辆模型的驾驶模拟器系统,该平台和一个可以摆动的工作台相连。自上世纪80年代末、90年代初以来,美国、日本、俄罗斯、意大利、德国以及欧洲的各大公司相继推出各种6自由度并联运动平台,广泛应用于航空、航海、车辆驾驶等领域16】。从以上资料可见,运动平台的研究已经开展了很久,也有很广阔的应用基础,但针对仿生运动的垂直运动设备基本上没有见到书面的描述,因此我们需要针对这种新的应用背景提出新的解决方案。1.3本论文的研究内容及关键技术为了给仿生探测研究创造一个有利的实验设备,我课题组受委托设计制造一个用于模拟仿生探测运动的实验平台,该仿生扫描探测运动系统开发平台的设计是为军工产品的仿生探测研究提供一个模拟实验的设备。该平台将模拟一些仿生探测模块的运动方式,测试其在不同轨迹、速度以及加速度的情况下,探讨仿生探测模块的作用模式和作用机理。l本课题的主要研究内容1仿生扫描探测运动系统实验平台研制①产品图及技术文件设计a.系统架构设计;b.平面曲线运动子系统设计;c.驱动机构设计;d.轨道车设计。②系统制造、安装与调试;北京交通大学硕士学位论文 1引言2控制子系统的软、硬件设计与实现。2本课题的关键技术该仿生探测平台作为仿生扫描探测实验的基础,也是机械设计和智能控制的结合,在实现课题所提出的要求和指标的过程中必须解决以下几个方面的关键技术1仿生模块平面曲线运动的运动方案优化设计;2平面曲线运动的算法设计;3控制予系统的软、硬件设计与实现;4北京交通大学硕士学位论文 2运动平台总体设计2.1运动平台性能指标2运动平台总体设计该仿生扫描探测运动系统开发平台的设计是为军工产品的仿生探测研究提供一个模拟实验平台。该平台将模拟一些生物体的某些典型运动状态,为仿生探测研究提供一个有效的实验环境。该课题的实验室条件和设计要求如下l本实验要求在室内进行,在一个高约O.8m的实验台上建立一个在铅垂平面内做任意平面运动的仿生实验平台,有效空间的长宽高为2O.52m3.2仿生模块质量为80克左右,仿生模块在系统内可拆卸装配。3仿生模块可在铅垂平面内做任意平面曲线运动,实现其运动速度在肛1.5In/s范围内连续可调,分解到x、y轴的对应速度分别为肛1.1m/s。4背景要求简洁明快,以获得良好的仿生模块探测信号和其运动状态的拍摄效果。2.2总体方案设计总体方案设计包括机械运动系统和控制系统两部分。2.2.1机械运动系统方案设计根据仿生探测运动系统开发平台的实验要求,在机械设计部分初步提出以下三种方案1方案一无线控制的任意平面曲线运动模式。这是一种理想平面曲线运动模式,模块可以在平面内自主自由地移动,可通过无线遥控的模式实现。但这种方案通常在水平面内容易实现,在铅垂平面内较难实现,且需要利用磁悬浮技术【7】。该运动方案示意图如图2.1所示。2方案二水平、垂直方向独立拖动的平面曲线运动模式。仿生模块及其联接体由沿x、y轴的两个柔性索带动,柔性索两端连接于滑动5北京交通大学硕士学位论文 2运动平台总体设计支架上,滑动支架分别沿水平和铅垂的导轨运动,两方向上的运动分别受各自的电机控制。仿生模块联接体通过两个轴承分别与X、Y方向的柔性索连接,仿生模块联接体的轴承相对于柔性索发生相对滚动和滑动,以消除x、Y方向运动时的干涉,通过控制x、Y方向的运动速度,使其合成为任意的平面曲线运动。其运动方案示意图见图2.2.运动平面控制台图2.1 无线控制的任意平面曲线运动方案嘞 0唑/j坚个 忒尸首 椭衫 ‘S\竺竺懈卢 斟竺............._//一0 ≮图2.2水平、垂直方向独立拖动的平面曲线运动模式图6北京交通大学硕士学位论文 2运动平台总体设计3方案三水平、垂直方向牵连拖动的平面曲线运动模式。该运动模式为a固定在运动支架左上方的电机,通过滑轮组系由柔性牵引索拖动滑车沿导轨作水平直线运动;b仿生模块通过柔性牵引索与固定在滑车上的另一电机联接在一起,通过该电机带动仿生模块作垂直方向的直线运动;c两者合成可实现铅垂平面内的任意曲线运动,运动方案示意图如图2.3所示。图2.3水平、垂直方向牵连拖动的平面曲线运动4方案可行性分析以上三个方案,考虑到系统的稳定性和设计的复杂度,以及背景设计的简洁情况进行优化选择,对其进行了综合性能分析比较见表l。表l多方案设计性能比较表序 \雌能 经济性与号 方案\ 主要功能结构性 背景设计 运动性能可靠性任意平 1在运动 1结构复 1运动性 1成本面曲线 平面内,速 杂;2在 能良好; 高;运动方 度、方向可 铅垂平面内设备庞大,2方向、速 2难实案 随机调整; 运动需应用 度、加速度等 现l 背景较简2对方向 磁悬浮等高洁。均可以随时调无限制,对 尖端技术; 整速度、加速 3技术难度有要求 度大7北京交通大学硕士学位论文 2运动平台总体设计水平、垂 1在运动 1结构复 1运动性能 1成本直方向 平面内,速 杂; 一般; 较高;独立拖 度、方向根 2在运动连杆一直存2方向、速 2可靠动的平 据拟定的公 过程中拉索 在于背景 度、加速度等 性较低2 面曲线 式运动; 带动模块运中,不可能需要预先设运动模 2对方 动,太简洁。定;3但两式 向、速度有 3用两台 方向的运动可一定限制 电机分别两 能发生干涉。方向运动水平、垂 1在运动 1结构简 1运动性能 1成本直方向 平面内,速 单;2在 较好; 低;牵连拖 度、方向根 运动过程中 2方向、速 2易实动的平 据拟定的公 滑车运动带 度、加速度等 现面曲线 式运动; 动横坐标运背景明快简需要预先设 3可靠3 运动模 2对方 动,纵坐标洁定; 性较高式 向、速度有 运动由绳索 3但由于绳一定限制 带动; 索联系模块,3两电机 运动中可能存分别控制两 在轻微摆动方向运动通过对三种设计方案的比较分析,可以看出方案3的显著优点是1机械和控制系统设计简单;2能灵活实现仿生模块的任意平面曲线运动;3背景简洁明快,对仿生探测干扰小。结合实验室的环境和条件,并咨询了同行专家和使用单位的意见后,认为方案3的结构设计较为简单,易于实现,背景也不太复杂,并能可靠地解决运动干涉的问题,具有运动平稳性较好,技术难度相对较小,成本较低的优点。因此本课题决定采用第3种设计方案。
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